Schneller lernen durch transkranielle Magnetstimulation

Was bei der  transkraniellen Magnetstimulation im Gehirn genau passiert, war bisher ungeklärt. Bochumer Mediziner unter Leitung von Professor Klaus Funke (Abteilung Neurophysiologie) konnten nun nach Angaben der Universität zeigen, dass verschiedene Reizmuster auf unterschiedliche Zellen wirken und ihre Aktivität hemmen oder steigern. Bestimmte Reizmuster führten so dazu, dass Ratten leichter lernen. Die Erkenntnisse könnten nach Angaben der Neurophysiologen dazu beitragen, dass die Hirnstimulation künftig gezielter gegen Funktionsstörungen des Gehirns eingesetzt werden kann. Die Forscher haben ihre Studien im „Journal of Neuroscience“ und im „European Journal of Neuroscience“ veröffentlicht.

Seit Mitte der 1990er-Jahre wird die repetitive TMS genutzt, um die Aktivierbarkeit von Nervenzellen im Kortex des Menschen gezielt zu verändern: „Im Allgemeinen verringert sich die Aktivität der Zellen durch eine niederfrequente Stimulation um ein Hz, d.h. durch je einen Magnetpuls pro Sekunde. Bei höheren Frequenzen von fünf bis 50 Pulsen pro Sekunde steigt die Aktivität der Zellen“, erklärt Funke. Die Forscher beschäftigen sich vor allem mit speziellen Reizmustern wie der so gegannten Theta-Burst Stimulation (TBS). Dabei werden 50 Hz-Salven (Bursts) mit 5 Hz wiederholt. „Dieser Rhythmus lehnt sich an den natürlichen Theta-Rhythmus von vier bis sieben Hertz an, den man im EEG beobachten kann“, so Funke. Die Wirkung hängt vor allem davon ab, ob solche Reizmuster kontinuierlich (cTBS, abschwächende Wirkung) oder mit Unterbrechungen (intermittierend, iTBS, verstärkende Wirkung) gegeben werden.

Synapsen verstärken sich oder werden geschwächt

Wie genau die Aktivität von Nervenzellen durch wiederholte Reizung verändert wird, ist weitgehend unbekannt. Man nimmt an, dass die Synapsen durch die wiederholte Reizung verstärkt (synaptische Potenzierung) oder geschwächt werden (synaptische Depression), ein Vorgang, der auch beim Lernen eine wichtige Rolle spielt. So konnte vor kurzem auch gezeigt werden, dass die Wirkungen von TMS und Lernen beim Menschen interagieren.

Hemmende Kortexzellen reagieren besonders empfindlich

Die Bochumer Forscher konnten jetzt erstmals zeigen, dass eine Kortexstimulation die Aktivität bestimmter hemmender Nervenzellen gezielt verändert. Das Zusammenspiel erregender und hemmender Nervenzellen ist unbedingte Voraussetzung für das gesunde Funktionieren des Gehirns. Auf Hemmung spezialisierte Nervenzellen zeigen eine weitaus größere Formenvielfalt und Aktivitätsstruktur als ihre erregenden Partner. Unter anderem produzieren sie in ihrem Zellkörper unterschiedliche Funktionsproteine. Die Forscher konzentrierten sich dabei auf die Untersuchung der Proteine Parvalbumin (PV), Calbindin-D28k (CB) und Calretinin (CR). Sie werden von verschiedenen hemmenden Zellen aktivitätsabhängig gebildet, so dass ihre Menge Aufschluss über die Aktivität der entsprechenden Nervenzellen gibt.

Reizmuster wirken speziell auf bestimmte Zellen

Die Untersuchungen haben unter anderem nachgewiesen, dass die aktivierende Stimulation mit Unterbrechungen (iTBS-Reizprotokoll) fast nur die PV-Bildung reduziert, während die dämpfende kontinuierliche Stimulation (cTBS-Protokoll) oder eine ebenfalls dämpfende 1-Hz-Stimulation hauptsächlich die CB-Herstellung verringern. Die CR-Bildung wurde durch keine der getesteten Stimukationen verändert. Die Registrierung der elektrischen Aktivität von Nervenzellen bestätigte eine veränderte Hemmung der kortikalen Aktivität.

Schneller lernen nach Stimulation

In einer zweiten Studie, kürzlich veröffentlicht im „European Journal of Neuroscience“, konnte die Arbeitsgruppe zudem belegen, dass Ratten schneller lernen, wenn sie vor jedem Training mit einem aktivierenden Reizprotokoll (iTBS) behandelt wurden, jedoch nicht, wenn das hemmende cTBS-Protokoll verwendet wurde. Es zeigte sich, dass die zunächst reduzierte Bildung des Proteins Parvalbumin (PV) durch die Lernprozedur wieder erhöht wurde, aber nur in den am Lernprozess beteiligten Hirnarealen. Bei Tieren, die nicht an der spezifischen Lernaufgabe beteiligt waren, blieb die PV-Herstellung nach der aktivierenden Stimulation reduziert. „Die iTBS-Behandlung reduziert also zunächst die Aktivität bestimmter hemmender Nervenzellen allgemein, so dass die nachfolgenden Lernaktivitäten leichter gespeichert werden können“, folgert Funke. „Dieser Vorgang wird als ‚gating‘ bezeichnet. In einem zweiten Schritt normalisiert die Lernaktivität die Hemmung und PV-Bildung wieder.“

Künftig gezielter behandeln

Die repetitive TMS wird bereits versuchsweise zur Therapie von Funktionsstörungen des Gehirns eingesetzt, vor allem bei schweren Depressionen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass gerade Funktionsstörungen der hemmenden Nervenzellen bei neuropsychiatrischen Erkrankungen wie Schizophrenie eine wichtige Rolle spielen. „Es ist sicher noch zu früh, aus den Ergebnissen unserer Studie neue Formen der Behandlung von Funktionsstörungen des Gehirns abzuleiten, aber die Erkenntnisse liefern einen wichtigen Beitrag für eine in Zukunft vielleicht spezifischere Anwendung der TMS“, hofft Funke.

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