Kalibrierte Hirnstimulation durch kombinierte TMS/fMRI

Die Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine sichere, nicht-invasive Möglichkeit zur gezielten Beeinflussung von Hirnaktivität. Dabei werden kurze Magnetfeldimpulse mit einer Spule direkt an der Kopfoberfläche verabreicht. Die TMS ist in den USA bereits als effektive Methode zur Behandlung schwerer Depressionen, die mittels Medikamenten nicht gelindert werden konnten, anerkannt. Trotz des großen Potentials kann bisher nicht allen depressiven Patientinnen und Patienten durch Magnetstimulation erfolgreich geholfen werden. Das Ziel unseres Projektes ist es die beiden häufigsten Fehlerquellen der Anwendung von Magnetstimulationen zu beseitigen, nämlich ungenaue Stimulationstellen und zu niedrige oder zu hohe Dosen. Bei der Magnetstimulation muss eine sehr genaue Positionierung und Ausrichtung dieser Spule eingehalten werden, um die gewünschte Wirkung sicherzustellen. Die gewünschte Stimulationsstelle der Magnetstimulation befindet sich üblicherweise an einem speziellen Punkt über dem linken Vorderhirn. Leider wird die Wirkung der Stimulation dadurch vermindert, dass diese Stelle oft nicht genau erreicht wird oder die stimulierte Person sich während einer Behandlungssitzung von der Spule wegbewegt. Des Weiteren ist bis heute nicht bekannt mit welcher Dosis (Stimulationsstärke) das Vorderhirn im Optimalfall stimuliert werden sollte. Die Anpassung der Stimulationsstärke erfolgt normalerweise über die Beobachtung der Stimulationswirkung eines Hirnareals im Bewegungszentrum. Wird dieses stimuliert, zeigt sich dies direkt in der Bewegung des dadurch gesteuerten Muskels im Finger des Patienten. Das Verhältnis zwischen Erregbarkeit der motorischen Gehirnrinde und des Vorderhirns ist jedoch nicht bekannt. Das Ziel dieses Projektes ist es erstens die Methoden zur Bestimmung der genauen Stimulationsstelle zu verbessern, und zweitens die wirksamste Stimulationsdosis des betroffenen Menschen zu bestimmen. Hierfür werden wir eine von uns entwickelte neue Untersuchungsmethode auf Basis der funktionellen Magnetresonanztomographie verwenden, bei der wir gleichzeitig das Gehirn von Versuchspersonen stimulieren und deren Gehirnaktivität messen können. Mittels dieser Technik haben wir die Möglichkeit die Wirkung der Magnetstimulation im Gehirn direkt zu beobachten und in weiterer Folge anzupassen. Hierfür werden wir unter anderem Informationen aus anatomischen Gehirnbildern, Alter, Geschlecht und Gewicht verwenden. Mittels dieser verbesserten Anpassung von Stimulationsstelle und Dosis werden die Behandlungsmöglichkeiten durch die Magnetsimulation stark verbessert. Dadurch kann der Anteil der Patientinnen und Patienten, die bislang nicht oder nur unzureichend von der Behandlung profitiert haben, deutlich verringert werden.

Nichtinvasive Hirnstimulationstechniken bieten vielversprechende neue Therapiemöglichkeiten für PatientInnen mit neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen. Unter diesen Techniken steht die transkranielle Magnetstimulation (TMS) der klinischen Anwendung am nächsten, da sie bereits für die Behandlung schwerer depressiver Störungen bei jenen PatientInnen zugelassen ist, die von einer pharmakologischen Therapie nicht ausreichend profitieren. Eine große Herausforderung bei der Anwendung von TMS ist jedoch die beträchtliche Variabilität im Ansprechen der Patienten auf die TMS-Behandlung. Die Kombination von TMS mit der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT), einer Methode zur Erstellung von Aktivierungs- und Konnektivitätskarten im menschlichen Gehirn, ist möglicherweise der Schlüssel zur Aufdeckung der Ursachen für diese Variabilität sein, da damit die Gehirnaktivierung während der TMS-Anwendung gemessen werden kann. Dieses Projekt war der Verbesserung der Kombination von TMS und fMRT gewidmet, um die Grundlage für die Bestimmung der TMS-Parameter auf der Ebene der einzelnen PatientInnen zu schaffen. Wir haben eine Methode entwickelt, die eine genaue Messung der Kopfbewegung während der TMS-Anwendung im MR-Scanner gewährleistet. Zu diesem Zweck haben wir eine neuartige Kalibrierungsplatte entwickelt, die mit Hilfe umfangreicher Computermodelle entworfen wurde, um eine maximale Abdeckung bei minimaler Messzeit zu gewährleisten. Diese Erfindung ermöglichte es, die Genauigkeit von Distanzmessungen mit optischer Neuronavigation in Sekundenschnelle zu bewerten und dabei eine Reihe von Entfernungen abzudecken. Mit diesem Gerät haben wir nicht nur die hohe Genauigkeit der optischen Neuronavigation im Allgemeinen nachgewiesen, sondern auch bestätigt, dass diese Genauigkeit auch innerhalb der Bohrung des MR-Scanners gegeben ist. Das zweite Ziel des Projekts war die Bestimmung von Dosis-Antwort-Profilen im einzelnen Individuum. Um dieses Ziel zu erreichen, verbesserten wir unseren zuvor veröffentlichten TMS/fMRI-Aufbau, bei dem wir mehrere um den Kopf herum angeordnete Mehrfach-Empfangsspulen verwendeten. Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, dass es möglich ist, das Dosis-Wirkungs-Profil im Zielbereich der Depression individuell zu messen. Interessanterweise stellten wir fest, dass die Dosis-Wirkung nicht einfach mit höherer Stimulationsintensität zunahm, wie man vielleicht erwarten würde. Bei einigen Personen fanden wir eine Abnahme der Hirnaktivierung, wenn die Stimulationsintensität ein bestimmtes Niveau überstieg, was auf einen Mechanismus hinweist, der erklärt, warum einige Patienten nicht von der TMS-Therapie profitieren. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, die tatsächlichen Hirnaktivierungsniveaus mit dem Behandlungserfolg in Verbindung zu bringen, um eine frühzeitige Vorhersage des Behandlungserfolgs auf der Grundlage eines ersten TMS/fMRI-Scans zu ermöglichen. Darüber hinaus könnte die neu entwickelte Technik auch Aufschluss über das für einen optimalen TMS-Behandlungserfolg erforderliche Hirnaktivierungsniveau geben. Das letzte Ziel des Projekts war eine Technik zur Verbesserung der Qualität von TMS/fMRI-Studien durch Kompensation der Kopfbewegung während der TMS-Anwendung. Auf der Grundlage der in diesem Projekt entwickelten Neuronavigationsmethoden haben wir erfolgreich einen Online-Ansatz zur Bewegungsbewertung implementiert, der die Stimulationsintensität in Echtzeit ändert, um die Auswirkungen von Änderungen des Abstands zwischen Spule und Ziel zu mildern.