Die tiefe Hirnstimulation (DBS) könnte sofortige Verbesserungen der Arm- und Handkraft bei Personen mit traumatischen Hirnverletzungen oder Schlaganfällen bieten, so Forscher der Universität Pittsburgh School of Medicine, wie in Nature Communications berichtet.
Die ermutigenden Ergebnisse aus umfangreichen Tests an Affen und Menschen ebnen den Weg für eine neue klinische Anwendung dieser weit verbreiteten Technologie zur Hirnstimulation und bieten Einblicke in die neuronalen Mechanismen, die den durch Hirnverletzungen verursachten Bewegungsdefiziten zugrunde liegen.
Die Lähmung von Armen und Händen hat erhebliche Auswirkungen auf die Lebensqualität von Millionen von Menschen weltweit. Derzeit fehlen effektive Lösungen für Patienten, die einen Schlaganfall oder eine traumatische Hirnverletzung erlitten haben, aber es gibt ein wachsendes Interesse an der Verwendung von Neurotechnologien, die das Gehirn stimulieren, um die motorischen Funktionen der oberen Gliedmaßen zu verbessern.
Dr. Elvira Pirondini, die Hauptautorin und Korrespondentin, Assistenzprofessorin für physikalische Medizin und Rehabilitation an Pitt, erklärte: "Die tiefe Hirnstimulation hat das Leben vieler Patienten verändert. Jetzt, dank kontinuierlicher Fortschritte in der Sicherheit und Präzision dieser Geräte, wird die DBS als vielversprechende Option erforscht, um Schlaganfallüberlebenden zu helfen, ihre motorischen Funktionen wiederzuerlangen."
Hirnverletzungen, die durch schweres Trauma oder Schlaganfälle verursacht werden, können die neuronalen Verbindungen zwischen dem motorischen Kortex – einer Schlüsselregion des Gehirns, die für die willkürliche Bewegung unerlässlich ist – und den Muskeln stören, was zu Bewegungsdefiziten führt, einschließlich partieller oder vollständiger Lähmung von Armen und Händen.
Um die Aktivierung vorhandener, aber geschwächter Verbindungen zu fördern, schlugen die Forscher vor, die DBS zu verwenden, ein chirurgisches Verfahren, das das Platzieren kleiner Elektroden in spezifischen Bereichen des Gehirns umfasst, um elektrische Impulse abzugeben, die die anormale Gehirnaktivität regulieren. In den letzten Jahrzehnten hat die DBS die Behandlung neurologischer Erkrankungen wie Parkinson revolutioniert, indem sie eine Möglichkeit bietet, Symptome zu kontrollieren, die einst schwer nur mit Medikamenten zu behandeln waren.
Nach dem Erfolg eines anderen Pitt-Projekts, das elektrische Stimulation des Rückenmarks zur Wiederherstellung der Armfunktion bei stroke-betroffenen Personen verwendete, stellten die Wissenschaftler die Hypothese auf, dass die Stimulation des motorischen Thalamus – einer tief im Gehirn gelegenen Struktur, die als Schlüsselrelaiszentrum für die Bewegungssteuerung fungiert – durch DBS helfen könnte, Bewegungen wiederherzustellen, die für alltägliche Aktivitäten wie das Greifen von Objekten unerlässlich sind. Da diese Theorie jedoch zuvor nicht getestet worden war, mussten sie sie zuerst an Affen überprüfen, deren neuronale Verbindungen zwischen dem motorischen Kortex und den Muskeln denen der Menschen ähnlich sind.
Um zu verstehen, wie die tiefe Hirnstimulation des motorischen Thalamus die willkürliche Armbewegung verbessert und um den spezifischen Implantationsort und die optimale Stimulationfrequenz zu verfeinern, implantierten die Forscher ein von der FDA genehmigtes Stimulationsgerät in Affen mit Hirnverletzungen, die die Verwendung ihrer Hände beeinträchtigten.
Sobald die Stimulation aktiviert wurde, verbesserte sich die Muskelaktivierung und die Griffkraft erheblich, ohne dass unwillkürliche Bewegungen beobachtet wurden.
Um zu überprüfen, ob das Verfahren auch Menschen zugutekommen könnte, wurden dieselben Stimulationsparameter bei einem Patienten angewendet, dem eine DBS im motorischen Thalamus implantiert werden sollte, um die Armzittern zu lindern, die durch eine schwere Hirnverletzung bei einem Autounfall verursacht wurden, die zu schwerer Lähmung beider Arme führte.
Als die Stimulation wieder aktiviert wurde, verbesserten sich die Amplitude und die Kraft der Armbewegung sofort: Der Teilnehmer konnte ein mäßig schweres Gewicht heben und ein Glas effizienter und sanfter erreichen, greifen und heben als ohne Stimulation.
Um diese Technologie mehr Patienten in der Klinik zugänglich zu machen, arbeiten die Forscher nun daran, die Langzeitwirkungen der tiefen Hirnstimulation zu testen und zu bestimmen, ob chronische Stimulation die Funktion von Arm und Hand bei Personen mit traumatischen Hirnverletzungen oder Schlaganfällen weiter verbessern könnte.
Weitere Mitwirkende dieser Forschung sind Jonathan Ho, BS, Erinn Grigsby, Ph.D., Arianna Damiani, MS, Lucy Liang, MS, Josep-Maria Balaguer, MS, Sridula Kallakuri, Lilly Tang, BS, Jessica Barrios-Martinez, MD, Vahagn Karapetyan, MD, Ph.D., Daryl Fields, MD, Ph.D., Peter Gerszten, MD, T. Kevin Hitchens, Ph.D., MBA, Theodora Constantine, PA-C, Gregory Adams, BS, Donald Crammond, Ph.D. und Marco Capogrosso, Ph.D., alle von Pitt.
Diese Forschung wurde durch interne Mittel der Abteilungen für Physikalische Medizin und Rehabilitation sowie Neurochirurgie von Pitt unterstützt. Die Walter L. Copeland Foundation, die Hamot Health Foundation und die National Institutes of Health stellten zusätzliche Mittel (R01NS122927-01A1) zur Verfügung.