Digital-twin optimized transcranial temporal interference electrical stimulation alters rat brain activity patterns and metabolism including deep structures

Tief im Inneren des Gehirns, verborgen unter Schichten aus Knochen und Gewebe, liegen kleine Zellcluster, die alles von der Bewegung bis zur Stimmung steuern. Wenn diese tief liegenden Strukturen Fehlfunktionen aufweisen, können sie schwere Störungen wie die Parkinson-Krankheit oder den Essentiellen Tremor verursachen. Jahrzehntelang war der einzige Weg, sie zu reparieren, das Bohren in den Schädel und das Einführen eines Metalldrahtes, ein Verfahren, das als Tiefe Hirnstimulation bekannt ist. Obwohl es wirksam ist, birgt dieser chirurgische Eingriff erhebliche Risiken. Wissenschaftler suchen schon lange nach einem Weg, diese tief liegenden Ziele zu erreichen, ohne in den Kopf zu schneiden, indem sie Elektrizität nutzen, die harmlos durch die Haut fließt. Die Herausforderung besteht darin, dass elektrische Ströme sich natürlicherweise ausbreiten und an Stärke verlieren, während sie reisen, was es schwierig macht, Energie auf einen winzigen, tief liegenden Punkt zu fokussieren, ohne gleichzeitig die direkt darüber liegende Gehirnoberfläche zu „zapfen“. Eine Technik namens Temporale Interferenzstimulation bietet eine potenzielle Lösung. Sie verwendet zwei hochfrequente elektrische Ströme, die aus verschiedenen Winkeln durch den Kopf fließen. Für sich genommen sind diese Ströme zu schnell, als dass die Gehirnzellen sie bemerken würden, aber dort, wo sie tief im Inneren aufeinandertreffen, erzeugen sie einen langsamen, rhythmischen Puls, den das Gehirn spüren kann. Dies ermöglicht es Forschern, tiefe Bereiche gezielt anzusprechen, während die Oberfläche relativ unberührt bleibt.

Ein Forscherteam in Deutschland testete kürzlich, ob diese Methode an Lebewesen, speziell an Ratten, funktioniert und ob sie Computermodelle nutzen können, um die Stimulation präziser zu gestalten. Sie begannen damit, eine detaillierte digitale Kopie, oder einen „digitalen Zwilling“, eines Rattenkopfes zu erstellen. Dieses Computermodell war nicht nur eine einfache Form; es war eine komplexe Karte, die die unterschiedlichen Arten und Weisen berücksichtigte, wie Haut, Knochen und Hirngewebe Elektrizität leiten. Unter Verwendung dieses Modells führten die Wissenschaftler Tausende von Simulationen durch, um die perfekte Platzierung von vier kleinen Elektroden auf dem Rattenkopf zu finden. Ihr Ziel war es, den elektrischen Impuls gezielt auf den Thalamus auszurstenzen, eine tiefe Hirnregion, die an der motorischen Kontrolle beteiligt ist, während sie andere Bereiche unnötig stimulieren vermeiden wollten. Die Computerberechnungen legten nahe, dass die Platzierung der Elektroden in zwei spezifischen Paaren das stärkste Interferenzmuster genau dort erzeugen würde, wo sie es haben wollten.

Mit dem durch den Computer bestätigten Plan gingen die Forscher in das Labor. Sie platzierten die Elektroden vorsichtig auf den Schädeln betäubter Ratten und wandten die elektrischen Ströme an. Um zu sehen, was im Inneren des Gehirns geschah, verwendeten sie einen leistungsstarken Magnetresonanztomographen, eine Maschine, die in der Lage ist, die Gehirnaktivität in Echtzeit aufzunehmen. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Als die elektrische Stimulation eingeschaltet wurde, leuchtete das Gehirn im Scanner auf. Der tiefe Thalamus, genau das Ziel, das der Computer vorhergesagt hatte, zeigte eine starke Reaktion. Aber der Effekt blieb nicht dort stehen. Das Signal wanderte auch zu anderen tiefen Strukturen, einschließlich des Hippocampus, der für das Gedächtnis lebenswichtig ist, und der Amygdala, die Emotionen verarbeitet. Sogar Teile des Gehirns, die weit von den Elektroden entfernt liegen, wie der visuelle Kortex und Bereiche, die an Entscheidungsfindungen beteiligt sind, zeigten Anzeichen von Aktivität. Dies bestätigte, dass der elektrische Impuls das Ziel nicht isoliert trifft, sondern ganze Netzwerke von Gehirnkreisläufen aktiviert, sowohl direkt als auch durch die Verbindungen, die verschiedene Hirnregionen miteinander verknüpfen.

Die Forscher untersuchten auch, wie sich die interne Chemie des Gehirns während dieses Prozesses veränderte. Mit einer spezialisierten Technik, die die Mengen chemischer Botenstoffe misst, fanden sie einen Trend, der darauf hindeutete, dass sich das Gleichgewicht zwischen erregenden und hemmenden Signalen im Thalamus verschob. Speziell schien es eine Zunahme von Glutamat zu geben, einem Stoff, der Gehirnzellen zum Feuern ermutigt, im Verhältnis zu GABA, einem Stoff, der sie beruhigt. Diese Verschiebung deutet darauf hin, dass die Stimulation erfolgreich den metabolischen Zustand des Gehirns veränderte. Als sie jedoch überprüften, wie sich die Verbindungen des Gehirns nach dem Stoppen der Stimulation veränderten, waren die Effekte überraschend kurzlebig. Die Ruhephasen des Gehirns kehrten relativ schnell zum Normalzustand zurück, was darauf hindeutet, dass eine einzelne Sitzung der Stimulation eine vorübergehende Verschiebung statt einer dauerhaften Neuverdrahtung des Netzwerks bewirkt.

Um sicherzustellen, dass die Signale, die sie sahen, tatsächlich durch die Reaktion des Gehirns auf die Elektrizität verursacht wurden und nicht bloß durch die Interferenz der elektrischen Felder mit dem Scanner selbst, führten die Forscher mehrere Kontrolltests durch. Sie scannten eine Zitrone und eine Essiggurke mit demselben Gerät und denselben Einstellungen und fanden keine Signalveränderungen, was bewies, dass die Gehirnaktivität eine biologische Reaktion war. Sie testeten auch eine Gruppe von Ratten mit einem sehr schwachen, unwirksamen Strom, und diese Tiere zeigten keinerlei Gehirnaktivität. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass diese nicht-invasive Methode ein machbarer Weg ist, um tiefe Hirnstrukturen bei Nagetieren zu stimulieren. Durch die Kombination eines Computermodells zur Gestaltung des perfekten Aufbaus mit realweltlichen Tests haben die Forscher einen Arbeitsablauf geschaffen, der schließlich zu personalisierten, nicht-chirurgischen Behandlungen für Menschen führen könnte. Obwohl die Effekte in dieser einzelnen Sitzung vorübergehend waren, eröffnet die Fähigkeit, tiefe Hirnbereiche sicher und präzise ohne Operation anzusprechen, ein neues Tor zum Verständnis und zur Behandlung neurologischer Erkrankungen.