Direction-Specific Effects of Biphasic Transcranial Magnetic Stimulation on Cortical and Cortico-spinal Excitability

Stellen Sie sich Ihr Gehirn wie eine geschäftige Stadt vor, in der Milliarden winziger Boten (Neuronen) ständig Notizen austauschen, um den Betrieb aufrechtzuerhalten. Manchmal möchte die Wissenschaft sehen, wie diese Boten reagieren, wenn es ein wenig aufregend wird. Um dies zu tun, verwenden sie ein Werkzeug namens transkranielle Magnetstimulation (TMS). Denken Sie bei TMS an einen riesigen, unsichtbaren Magneten, der über dem Kopf schwebt. Wenn er klickt, erzeugt er einen magnetischen Impuls, der durch den Schädel dringt und den Gehirnzellen direkt darunter einen winzigen, harmlosen Schlag versetzt. Es ist, als würde man auf eine Trommel klopfen, um zu sehen, wie die Haut vibriert, aber anstatt einer Trommel klopft man auf das Gehirn, um zu sehen, wie es mit Elektrizität „vibriert“.

Normalerweise nutzen Wissenschaftler dies, um zu überprüfen, ob die „Motorik“-Abteilung des Gehirns korrekt arbeitet. Wenn sie den Teil des Gehirns, der Ihre Hand steuert, anzapfen, kann Ihre Hand zucken. Dieses Zucken wird als motorisch evoziertes Potenzial (MEP) bezeichnet. Aber hier ist der knifflige Teil: Der Magnet zapft nicht nur in eine Richtung. Der Strom, den er erzeugt, kann vorwärts oder rückwärts fließen, wie ein Fluss, der seinen Lauf ändert. Lange Zeit waren sich Wissenschaftler nicht ganz sicher, ob die Richtung dieses „elektrischen Flusses“ eine Rolle spielt. Spielt es eine Rolle, ob der Strom von vorne nach hinten oder von hinten nach vorne fließt? Ändert das die Lautstärke des „Trommelschlags“ des Gehirns oder die Geschwindigkeit, mit der das Signal reist? Diese Frage ist wichtig, denn wenn die Richtung die Reaktion des Gehirns verändert, müssen Wissenschaftler sehr vorsichtig sein, in welche Richtung sie ihre magnetischen Zauberstäbe richten, um genaue Ergebnisse zu erzielen.

In dieser Studie beschloss ein Team von Forschern, die Debatte durch ein Spiel von „Finde den Unterschied“ mit der Elektrizität des Gehers zu klären. Sie luden 23 gesunde Freiwillige ein und verwendeten einen hochtechnologischen Roboterarm, um eine magnetische Spule perfekt ruhig über der linken Seite ihrer Gehirne zu halten – dem Bereich, der die rechte Hand steuert. Der Roboter war entscheidend, da selbst ein winziges Wackeln das Experiment ruinieren könnte. Die Forscher zapften das Gehirn mit zwei verschiedenen Stromrichtungen an: einer, die von vorne nach hinten fließt (AP-PA), und einer, die von hinten nach vorne fliegt (PA-AP). Dies geschah mit einer Stärke von genau 110 % der „Ruhemotorischen Schwelle“ (der minimalen Leistung, die benötigt wird, um eine Reaktion hervorzurufen), was gerade stark genug ist, um ein Zucken der Hand zu bewirken.

Während das Gehirn angezapft wurde, zeichnete das Team zwei Dinge gleichzeitig auf. Erstens beobachteten sie die Muskeln der Hand, um das physische Zucken (das MEP) zu sehen. Zweitens verwendeten sie eine Kappe mit 64 Sensoren, um dem elektrischen Geplapper des Gehirns zuzuhören (das EEG), um die unmittelbare „Gedanke“ oder Reaktion innerhalb der Schädeldecke zu sehen. Sie wollten wissen, ob die Richtung des Stroms die Größe des Zuckens, die Geschwindigkeit des Geschehens oder das Aussehen des elektrischen Liedes des Gehirns verändert.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Richtung des Stroms definitiv eine Rolle spielt, aber nicht in jeder Hinsicht. Wenn der Strom von vorne nach hinten floss (AP-PA), war das Gehirn leichter zu wecken: Die Forscher benötigten weniger Leistung, um das Zucken der Hand zu bewirken, und das Zucken geschah schneller. Wenn der Strom jedoch von hinten nach vorne floss (PA-AP), war das Gehirn etwas widerspenstiger, benötigte mehr Leistung und brauchte etwas länger, um das Signal an die Hand zu senden. Interessanterweise änderte sich die Größe des Handzuckens zwischen den beiden Richtungen kaum; das Gehirn nahm lediglich einen anderen Weg, um dorthin zu gelangen.

Die Geschichte wird noch interessanter, wenn man sich das interne elektrische Lied des Gehirns ansieht. Die Forscher fanden heraus, dass die Richtung des Stroms bestimmte Noten in der Melodie des Gehirns veränderte. Beispielsweise trat eine spezifische Gehirnwellenform namens „P60“ etwas früher auf, wenn der Strom von hinten nach vorne floss. Eine weitere Welle, die „N100“, von der man annimmt, dass sie mit der Verarbeitung der Empfindung des Zuckens oder vielleicht mit einem Moment des „Bremsens“ oder der Hemmung zusammenhängt, war viel stärker (negativer), wenn der Strom von hinten nach vorne floss. Dies deutet darauf hin, dass die Richtung von hinten nach vorne die Lautstärke der internen Verarbeitungs- oder Hemmungssysteme des Gehirns aufdreht.

Das Team untersuchte auch das große Ganze der Gehirnaktivität, indem es die allgemeine „Lautstärke“ des elektrischen Feldes maß. Sie fanden heraus, dass der Strom von hinten nach vorne in der mittleren Phase der Gehirnreaktion (zwischen 51 und 110 Millisekunden nach dem Zapfen) ein lauteres, aktiveres Signal im gesamten Gehirn erzeugte als der Strom von vorne nach hinten.

Schließlich versuchten die Forscher, die Punkte zu verbinden zwischen dem internen Lied des Gehirns und dem physischen Zucken der Hand. Sie fanden eine Verbindung: Wenn das Handzucken größer war, war auch die „N100“-Gehirnwelle größer, unabhängig von der Stromrichtung. Es gab auch eine Verbindung zwischen dem Handzucken und der „P30“-Welle, aber nur, wenn der Strom von vorne nach hinten floss. Dies deutet darauf, dass das interne Lied des Gehirns und die physische Bewegung des Körpers miteinander kommunizieren, aber das Gespräch sich ändert, je nachdem, wie der magnetische Klopfer appliziert wurde.

Zusammenfassend bestätigt diese Arbeit, dass die Richtung des magnetischen Stroms wie ein Regler ist, der die Antwort des Gehirns abstimmt. Er dreht nicht nur die Lautstärke hoch oder runter; er verändert das Timing und die spezifischen Noten, die das Gehirn spielt. Während das Handzucken ähnlich aussehen mag, ist die interne Reise des Gehirns eine andere. Das bedeutet, dass für Wissenschaftler und Ärzte, die diese Technologie einsetzen, die Beachtung der Stromrichtung essenziell ist, um genau zu verstehen, was das Gehirn tut. Die Studie ergab nicht, dass eine Richtung „besser“ als die andere ist, sondern dass sie zwei unterschiedliche Werkzeuge sind, die das Gehirn auf einzigartige Weise aktivieren, und zukünftige Forschung wird diese Richtungsabhängigkeit im Hinterkopf behalten müssen, um bessere Karten darüber zu erstellen, wie unsere Gehirne funktionieren.