Repetitive suprathreshold paired-pulse transcranial magnetic stimulation alters corticospinal excitability

Das menschliche Gehirn ist keine statische Maschine; es ist eine lebendige, sich ständig verändernde Landschaft, in der die Verbindungen zwischen Nervenzellen je nach Aktivität stärker oder schwächer werden können. Diese Fähigkeit zur Veränderung, bekannt als Neuroplastizität, ist das Fundament von Lernen und Gedächtnis. Wissenschaftler haben lange nach Wegen gesucht, diese Verbindungen sanft zu beeinflussen, in der Hoffnung zu verstehen, wie sich das Gehirn anpasst oder wie es sich nach einer Verletzung erholen kann. Ein Werkzeug, das zur Erforschung dieser Prozesse eingesetzt wird, ist eine Technik namens transkranielle Magnetstimulation, bei der eine Magnetspule gegen die Kopfhaut gelegt wird, um einen kurzen, schmerzlosen Energieimpuls in das Gehirn zu senden. Wenn dieser Impuls auf den motorischen Kortex trifft – das Areal, das die Bewegung steuert – kann er ein winziges Muskelzucken in der Hand verursachen, welches Forscher messen, um zu sehen, wie „erregbar“ die Pfade des Gehirns in diesem Moment sind. Durch das Senden dieser Impulse in spezifischen Mustern, wie etwa Paaren von Impulsen mit einem winzigen zeitlichen Abstand dazwischen, können Wissenschaftler verschiedene interne Schaltkreise im Gehirn gezielt ansteuern. Einige dieser Schaltkreise wirken wie Bremsen, die die Aktivität verlangsamen, während andere wie Beschleuniger wirken, die sie steigern. Die große Frage war bisher, ob diese kurzen Stimulationsschübe mehr tun können, als nur den aktuellen Zustand des Gehirns zu messen; können sie es tatsächlich umbauen und eine dauerhafte Veränderung hinterlassen, die bestehen bleibt, lange nachdem die Maschine ausgeschaltet wurde?

Ein Team von Forschern setzte sich zum Ziel, dies zu testen, indem sie eine spezifische Art der gepaarten Pulsstimulation auf den motorischen Kortex gesunder Freiwilliger anwandten. Sie entwarfen drei verschiedene Szenarien, um zu sehen, wie das Gehen reagierte. In einem Szenario lieferten sie Paare von Impulsen mit einem sehr kurzen zeitlichen Abstand, ein Timing, das bekannt dafür ist, die „Beschleuniger“-Schaltkreise des Gehirns anzusteuern und Erregung zu fördern. In einem anderen Szenario verwendeten sie einen längeren Abstand zwischen den Paaren, ein Timing, das darauf ausgelegt war, die „Bremsen“ oder inhibitorischen (hemmenden) Schaltkreise des Gehirns anzusteuern. Das dritte Szenario diente als Kontrollgruppe, wobei Einzelimpulse anstelle von Paaren verwendet wurden. Die Forscher wollten sehen, ob das Gehirn während der Stimulation erregbarer würde und, was noch wichtiger war, ob diese Veränderungen über Minuten oder sogar Stunden hinweg anhalten würden. Sie erwarteten, dass die Stimulation der Beschleuniger-Schaltkreise zu einer dauerhaften Steigerung der Gehirnaktivität führen würde, ähnlich wie Sport einen Muskel stärkt.

Die Ergebnisse erzählten jedoch eine andere Geschichte als die der Forscher vorhergesagt hatten. Als sie die Beschleuniger-Schaltkreise mit dem kurzen Abstand stimulierten, zeigte das Gehirn nicht die erwartete dauerhafte Steigerung der Aktivität. Tatsächlich bewirkte die Stimulation dieser erregenden Schaltkreise keine signifikante Veränderung, die über die Sitzung hinaus anhielt. Auch die Kontrollgruppe, die Einzelimpulse erhielt, zeigte keine dauerhaften Effekte. Die Überraschung kam aus der dritten Gruppe, die den längeren Abstand zwischen den Impulsen erhielt. Anstatt gar keinen Effekt zu haben, verursachte diese Stimulation, die darauf ausgelegt war, die inhibitorischen „Bremsen“ des Gehirns anzusteuern, eine signifikante und anhaltende Reduktion der Gehirnerregbarkeit. Die nach der Sitzung gemessenen Muskelreaktionen waren kleiner als zuvor, und dieser dämpfende Effekt hielt bis zu vierzig Minuten lang an. Dies geschah, obwohl die Stimulationssitzung selbst recht kurz war und nur aus vierzig Paaren von Impulsen bestand, die über nur wenige Minuten abgegeben wurden.

Die Studie untersuchte auch, was geschah, während die Stimulation tatsächlich durchgeführt wurde. Die Forscher fanden heraus, dass sich die Reaktion des Gehirns während der Sitzung in Echtzeit veränderte, aber diese unmittelbaren Veränderungen sagten nicht voraus, was danach passieren würde. Für die Gruppe mit dem langen Abstand zwischen den Impulsen wurde die Reaktion des Gehirns während der Sitzung tatsächlich schwächer, und diese Abschwächung setzte sich noch lange nach dem Ende der Sitzung fort. Bei den anderen Gruppen führten die unmittelbaren Veränderungen während der Sitzung zu keinem dauerhaften Effekt. Dies deutet darauf hin, dass die Fähigkeit des Gehirns zur Veränderung nicht einfach eine Frage davon ist, die Lautstärke der Erregung aufzudrehen; es ist ein komplexer Prozess, bei dem unterschiedliche Zeitmuster unterschiedliche Mechanismen auslösen. Die Tatsache, dass ein kurzer Stimulationsschub, der die inhibitorischen Schaltkreise ansteuert, einen derart dauerhaften Effekt erzielen konnte, legt nahe, dass die „Bremsen“ des Gehirns unter diesen spezifischen Bedingungen leichter zu aktivieren sind als seine „Beschleuniger“.

Diese Erkenntnisse stellen die Vorstellung infrage, dass die bloße Stimulation der erregenden Pfade des Gehirns der zuverlässigste Weg ist, um eine dauerhafte Plastizität zu induzieren. Stattdessen zeigt die Studie, dass das Ansteuern der inhibitorischen Pfade mit einem spezifischen Zeitmuster die Erregbarkeit des Gehirns effektiv und schnell für einen signifikanten Zeitraum senken kann. Dies bedeutet nicht, dass das Gehirn defekt ist oder dass die bisherigen Ideen falsch waren, sondern vielmehr, dass die Regeln dafür, wie man das Gehirn verändert, nuancierter sind als bisher angenommen. Die Forscher merkten an, dass Individuen unterschiedlich reagierten, wobei einige eine Abnahme der Aktivität und andere eine Zunahme zeigten, selbst innerhalb derselben Gruppe. Diese Variabilität unterstreicht, dass das Gehen hochgradig persönlich ist und dass das, was für den einen funktioniert, für den anderen nicht funktionieren muss. Letztlich bietet die Studie eine neue, effiziente Methode, um den motorischen Kortex vorübergehend zu beruhigen, was für die zukünftige Forschung darüber, wie man die Gehirnaktivität kontrollieren kann, nützlich sein könnte, wenngleich die Forscher zur Vorsicht mahnen, da weitere Arbeiten nötig sind, um genau zu verstehen, wie diese Veränderungen zustande kommen und ob sie zur Behandlung spezifischer Zustände eingesetzt werden können.