Cortical and Subthalamic Dynamics Associated with Distinct Gait Domains in Parkinson’s Disease

Das Gehen ist eine körperliche Leistung, die die meisten von uns als selbstverständlich ansehen – ein nahtloser Fluss von Schritten, der das Gehirn dazu bringt, Dutzende von Muskeln in perfektem Rhythmus zu koordinieren. Für Menschen mit Parkinson-Erkrankung bricht dieser automatische Prozess oft zusammen. Die Krankheit kann das Gehen langsam, schlurfend und unsicher machen, was zu einem hohen Sturzrisiko und einem Verlust der Unabhängigkeit führt. Während Medikamente und die Tiefe Hirnstimulation viele Symptome lindern können, gelingt es ihnen oft nicht vollständig, die Gehprobleme zu beheben. Dies liegt daran, dass die Art und Weise, wie das Gehen ausfällt, bei jedem Menschen unterschiedlich ist: Eine Person hat vielleicht Probleme mit dem Gleichgewicht, eine andere mit dem Rhythmus ihrer Schritte und eine weitere mit der Symmetrie zwischen ihrem linken und rechten Bein. Um diese Probleme mit Präzision zu lösen, müssen Ärzte genau verstehen, welcher Teil des Gangbildes gestört ist und, was noch wichtiger ist, was das Gehirn tut, wenn genau dieser Teil versagt.

Forscher wissen schon lange, dass das Gehirn elektrische Signale sendet, um Bewegungen zu steuern, und bei Parkinson sind diese Signale oft nicht synchronisiert. Es war jedoch unklar, wie sich spezifische Gehschwierigkeiten auf diese elektrischen Signale abbilden. Eine neue Studie eines Teams der ETH Zürich und des Universitätsspitals Zürich zielt darauf ab, dieses Rätsel zu lösen. Indem sie Menschen im Labor beim Gehen beobachteten und gleichzeitig deren Gehirnaktivität aufzeichneten, versuchten die Forscher, eine direkte Verbindung zwischen der Art und Weise, wie eine Person geht, und dem elektrischen „Geplapper“ in ihrem Gehirn zu finden. Ihr Ziel war es, spezifische Gehirnsignale zu identifizieren, die als Warnsystem dienen könnten, um einer zukünftigen Behandlung genau zu sagen, wann und wie sie die Stimulation anpassen muss, um einem Menschen beim Gehen besser zu helfen.

Die Studie umfasste zehn Personen mit Parkinson-Erkrankung, die bereits Implantate für die Tiefe Hirnstimulation erhalten hatten – eine Behandlung, die elektrische Impulse an einen tief liegenden Teil des Gehirns, den Nucleus subthalamicus, sendet, um die Bewegung zu kontrollieren. Das Team rekrutierte auch zehn gesunde Menschen ähnlichen Alters als Vergleichsgruppe. Die Teilnehmer liefen sechs Minuten lang auf einem Achterpfad auf dem Boden. Während sie gingen, nutzten die Forscher ein 3D-Kamerasystem, um jede ihrer Bewegungen mit hoher Präzision zu verfolgen und dabei Dinge wie die Länge ihrer Schritte, die Variation ihrer Geschwindigkeit und das Zusammenspiel von Armen und Beinen zu messen. Gleichzeitig zeichneten die Forscher die elektrische Aktivität von der Oberfläche der Köpfe der Teilnehmer mittels einer mobilen EEG-Kappe auf, und bei den Patienten zeichneten sie zudem elektrische Signale direkt von dem implantierten Gerät im Gehirn auf.

Die Forscher untersuchten zunächst die Gehdaten, um zu sehen, ob sie die Patienten basierend darauf gruppieren konnten, wie ihr Gehen mit der gesunden Gruppe vergleichbar war. Sie stellten fest, dass die Patienten, obwohl alle ihre Medikamente einnahmen und ihre Hirnstimulation aktiviert war, sehr unterschiedliche Gangmuster aufwiesen. Mithilfe eines Computers zur Analyse von siebenunddreißig verschiedenen Messwerten des Gehens trennten sie die Patienten in zwei Gruppen auf. Eine Gruppe ging in einer Weise, die der der gesunden Menschen sehr ähnlich war, während die andere Gruppe in einer Weise ging, die recht verschieden war. Interessanterweise fanden die Forscher, als sie die standardmäßigen medizinischen Scores betrachteten, die Ärzte zur Bewertung von Parkinson-Symptomen verwenden, keinen Unterschied zwischen diesen beiden Gruppen. Die Patienten, die sehr anders als gesunde Menschen gingen, zeigten in einer Standard-klinischen Untersuchung keine Verschlechterung gegenüber jenen, die eher wie gesunde Menschen gingen. Dies deutet darauf hin, dass die Standardtests subtile, aber wichtige Unterschiede im Gangbild übersehen könnten.

Als das Team tiefer in die spezifischen Aspekte des Gehens eintauchte, stellte es fest, dass die Gruppe mit den ungewöhnlicheren Gangmustern am stärksten unter Asymmetrie litt, was bedeutet, dass ihre linke und rechte Seite nicht gut zusammenpassten. Sie hatten auch Schwierigkeiten mit der Koordination der Gliedmaßen, und ihre Schritte waren viel variabler, was bedeutet, dass ein Schritt oft sehr unterschiedlich von einem anderen abwich. Diese Unterschiede im Gangstil waren deutlich und konsistent, obwohl die standardmäßigen medizinischen Scores sie nicht erkannt hatten.

Als Nächstes versuchten die Forscher, diese Gangmuster mit den elektrischen Signalen im Gehirn zu verknüpfen. Sie konzentrierten sich auf spezifische Momente im Bewegungszyklus, insbesondere auf die „Schwungphase“, in der ein Bein angehoben wird und sich nach vorne bewegt, während das andere den Körper stützt. Sie fanden eine klare Verbindung zwischen der Variabilität der Schritte einer Person und der elektrischen Aktivität im Gehirn während dieser Schwungphase. Konkret zeigte das Gehirn bei einer Person, deren Schritte inkonsistenter waren, höhere Werte eines schnellen elektrischen Rhythmus, bekannt als Low-Gamma-Aktivität, in dem Bereich des Gehirns, der das Bein steuert, das sich nach vorne bewegt. Dies war die einzige Verbindung zwischen einem spezifischen Gehproblem und einem spezifischen Gehirnsignal, die stark blieb, nachdem die Forscher alle verschiedenen Vergleiche berücksichtigt hatten.

Die Studie untersuchte auch die Signale, die vom tiefen Hirnimplantat kommen. Die Forscher fanden Hinweise darauf, dass die Gehirnaktivität in diesem tieferen Bereich ebenfalls variieren könnte, wenn die Gangmuster unterschiedlich sind, aber diese Befunde waren nicht so stark oder eindeutig wie die der Oberfläche des Gehirns. Da die Gruppe der Probanden in der Studie klein war, sind die Forscher vorsichtig zu betonen, dass diese Erkenntnisse aus dem tiefen Gehirn noch nur Hypothesen sind, die in einer größeren Gruppe erneut getestet werden müssen. Die Verbindung zwischen der Schrittvariabilität und dem schnellen elektrischen Rhythmus auf der Oberfläche des Gehirns war jedoch robust genug, um als starker Kandidat für die zukünftige Anwendung zu gelten.

Diese Entdeckung ist bedeutsam, da sie auf einen Weg hindeutet, die Tiefe Hirnstimulation intelligenter zu gestalten. Derzeit liefern diese Implantate einen stetigen Strom elektrischer Impulse. Wenn Ärzte die elektrischen Signale des Gehirns nutzen könnten, um zu erkennen, wann die Schritte einer Person instabiler werden, könnte das Implantat die Stimulation in Echtzeit anpassen, um das Gehen zu stabilisieren. Die Forscher schlagen vor, dass der gefundene schnelle elektrische Rhythmus als Signal dienen könnte, um das Gerät zu informieren, dass die Person mit der Beständigkeit ihrer Schritte kämpft. Obwohl diese Studie nicht beweist, dass ein solches System bei allen Patienten funktionieren wird, liefert sie ein klares Ziel für die nächste Generation von Behandlungen. Indem die Wissenschaftler die spezifische Art und Weise, wie eine Person geht, mit den spezifischen elektrischen Signalen in ihrem Gehirn in Einklang bringen, bewegen sie sich näher an eine Zukunft heran, in der Parkinson-Behandlungen auf den einzigartigen Gehstil jedes Einzelnen zugeschnitten werden können, was potenziell die Stabilität und Sicherheit im Alltag wiederherstellt.