Erforschung des Gehirns und des peripheren Nervensystems

Erforschung des Gehirns und des peripheren Nervensystems

Das Gehirn ist mit seinen 86 Milliarden Neuronen, die miteinander über rund 150 Billionen Verknüpfungen kommunizieren, das komplexeste Organ, das wir kennen.  Bis heute sind seine vielfältigen Funktionen sind bei weitem noch nicht verstanden.

Seine Fehlfunktionen verursachen jedoch bereits heute ca. ein Drittel der Gesundheitskosten in der entwickelten Welt – mit steigender Tendenz. Um diesem Problem zu begegnen, ist es unabdinglich, die Funktionsweise des Gehirns weiter zu erforschen.

Neurotechnologische Instrumente wie Elektroden oder aktive Komplett-Systeme zur Ableitung und Stimulation ermöglichen die Interaktion mit Gehirn und Nervensystem. Sie tragen dazu bei, tiefere Erkenntnisse über deren Funktionsweise zu erlangen und mögliche therapeutische Anwendungen zu erforschen.

Die neuere Forschung hat – unter anderem mit Hilfe von hochaufgelösten °AirRay Grid-Elektroden – bereits gezeigt, dass die funktionale Gliederung der Großhirnrinde weitaus feiner strukturiert ist, als Befunde basierend auf bisherigen Technologien ergeben haben ( Wang et al., 2017; Gierthmuehlen et al., 2014). Das Wissen darüber, welche Hirnareale an welchen Körperfunktionen beteiligt sind, ist beispielsweise essentiell für Planung von operativen Eingriffen am Gehirn.

Vielversprechende Ergebnisse liegen bereits aus dem noch jungen Forschungsfeld für bioelektronische Medizin (Link zu Anwendung Bioelektronische Medizin) vor. Hier wird über eine direkte Ansprache einzelner Nerven beispielsweise mithilfe von °AirRay Cuff Elektroden versucht, Krankheiten möglichst nahe am Entstehungsort zu therapieren.

Closed-Loop Interaktionen mit dem Gehirn wurden unter anderem mit CorTec Brain Interchange bereits erfolgreich getestet (Kohler et al., 2017).  Studien mit anderen Closed-Loop Technologien haben gezeigt, dass die Verschaltungen des Gehirns durch Closed-Loop Interaktionen verändert werden können (z.B. Zanos et al., 2018), was z.B. für die Wiederherstellung von Körperfunktionen nach Schädigungen des Nervensystems ausgenutzt werden kann (z.B. Ganzer et al., 2018).

Die °AirRay Grid Elektroden von CorTec bieten neuartige Optionen, die elektrische Aktivität von größeren Teilen des Gehirns abzuleiten wie auch zu stimulieren, ohne dabei in das empfindliche Hirngewebe einzudringen. Die Elektrodenkontakte liegen auf der Oberfläche des Gehirngewebes auf und ermöglichen eine gebündelte Kommunikation mit den darunterliegenden lokalen Gruppen von Nervenzellen.

Die Produkt-Variante der °AirRay Micro Cuff Elektroden ist speziell darauf ausgerichtet, Nerven manschettenartig zu umschließen, ohne Druck auf den Nerv auszuüben. Sie können zur Ableitung, Stimulation oder zum Blocken von Nerven genutzt werden und dehnen so die Möglichkeiten der Forschung auf eine schonende Interaktion mit dem peripheren Nervensystem aus. Dies eröffnet zugleich neue Anwendungsmöglichkeiten für Erkrankungen im Bereich der Bioelektronischen Medizin.

Die °AirRay Elektroden Technologie von CorTec ermöglicht es, Elektroden in einer hohen Dichte an Kontakten sowie in individualisierten und miniaturisierten Formen herzustellen. Damit unterstützen sie eine genauere Untersuchung neuronaler Funktionen als sie mit bisherigen Elektroden möglich war.

Die Kombination der °AirRay Elektroden mit dem Brain Interchange System bietet zum einen die Option, Gehirn-Computer-Schnittstellen für spätere klinische Anwendungen, z.B. als Assistenzsysteme für gelähmte Menschen  zu erforschen.

Zum anderen lassen sich mit diesem System langfristige Closed-Loop Interaktionen mit dem Nervensystem untersuchen und weiterentwickeln: Die Technologie ist in der Lage, auf den momentanen physiologischen Zustand des Patienten zu reagieren und ihre Aktivitäten jederzeit darauf anzupassen. Dies kann für eine Vielzahl an Therapien wie bspw.  von Parkinson oder in der Epilepsie-Intervention von Vorteil sein.

Weiterführende Links und Literatur

Allgemeinverständliche Hintergrund-Literatur

Fachliteratur

Miniature electroparticle-cuff for wireless peripheral neuromodulation
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Signal quality of simultaneously recorded endovascular, subdural and epidural signals are comparable
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Bioelectronic modulation of carotid sinus nerve activity in the rat: a potential therapeutic approach for type 2 diabetes
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Mapping the fine structure of cortical activity with different micro-ECoG electrode array geometries.
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Mapping of sheep sensory cortex with a novel microelectrocorticography grid.
Gierthmuehlen M, Wang X, Gkogkidis A, Henle C, Fischer J, Fehrenbacher T, Kohler F, Raab M, Mader I, Kuehn C, Foerster K, Haberstroh J, Freiman TM, Stieglitz T, Rickert J, Schuettler M, Ball T.
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Evaluation of μECoG electrode arrays in the minipig: experimental procedure and neurosurgical approach.
Gierthmuehlen M, Ball T, Henle C, Wang X, Rickert J, Raab M, Freiman T, Stieglitz T, Kaminsky J.
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First long term in vivo study on subdurally implanted micro-ECoG electrodes, manufactured with a novel laser technology.
Henle C, Raab M, Cordeiro JG, Doostkam S, Schulze-Bonhage A, Stieglitz T, Rickert J.
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Closed-loop interaction with the cerebral cortex: a review of wireless implant technology
Fabian Kohler, C. Alexis Gkogkidis, Christian Bentler, Xi Wang, Mortimer Gierthmuehlen , Joerg Fischer, Christian Stolle, Leonhard M. Reindl, Joern Rickert, Thomas Stieglitz, Tonio Ball & Martin Schuettler (2017); Brain-Computer Interfaces, 4:3, 146-154, DOI:10.1080/2326263X.2017.1338011

 

Phase-Locked Stimulation during Cortical Beta Oscillations Produces Bidirectional Synaptic Plasticity in Awake Monkeys.
Zanos S, Rembado I, Chen D, Fetz EE; Curr Biol. 2018 Aug 3. pii: S0960-9822(18)30908-4. doi: 10.1016/j.cub.2018.07.009. [Epub ahead of print]

 

Closed-loop interaction with the cerebral cortex using a novel micro-ECoG-based implant: the impact of beta vs. gamma stimulation frequencies on cortico-cortical spectral responses.
Gkogkidis, Alexis C, et al.; Brain-Computer Interfaces (2017), 4:4, 214-224

 

First long term in vivo study on subdurally implanted Micro-ECoG electrodes, manufactured with a novel laser technology
Henle C, Raab M, Doostkam S, Cordeiro J, Schulze-Bonhage A, Stieglitz T, Rickert J (2010)
Biomedical Microdevices (in press) DOI: 10.1007/s10544-010-9471-9

 

Closed-loop neuromodulation restores network connectivity and motor control after spinal cord injury.
Ganzer PD, Darrow MJ, Meyers EC, Solorzano BR, Ruiz AD, Robertson NM, Adcock KS, James JT, Jeong HS, Becker AM, Goldberg MP, Pruitt DT, Hays SA, Kilgard MP, Rennaker RL 2nd.Elife. 2018 Mar 13;7. pii: e32058. doi: 10.7554/eLife.32058.

Neue Therapiemöglichkeiten

Neue Therapiemöglichkeiten

Von Alzheimer über Depression und Posttraumatischen Belastungsstörungen bis hin zu Zwangs- und Essstörungen – Krankheiten des zentralen Nervensystems beeinträchtigen und erschüttern den Menschen bis in sein tiefstes Wesen hinein.

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Gehirn-Computer Schnittstellen (BCI)

Gehirn-Computer Schnittstellen (BCI)

Gehirn-Computer Schnittstellen oder englisch: Brain-Computer Interfaces (BCI) üben große Faszination auf Technik und Wissenschaft aus. Im medizinischen Bereich sind damit Systeme gemeint, die neuronale Aktivität erfassen und diese als Trigger für bestimmte medizinisch relevante Aktionen verwenden.

Besonders intensiv erforschte Anwendungsgebiete für diese Technologie sind neuronal gesteuerte Assistenz-Systeme für schwerstgelähmte Menschen, die diese Kommunikation oder motorische Unterstützung, z.B. durch Roboterarme, ermöglichen sollen. In den letzten Jahren deuten daneben vermehrt wissenschaftliche Erkenntnisse darauf hin, dass solche Systeme auch zu Rehabilitationszwecken genutzt werden können.

In Forschungsumgebungen konnten hier schon beachtliche Erfolge erzielt werden. Alltagstaugliche Systeme gibt es derzeit allerdings noch nicht.

– als Hilfsmittelsteuerung für Schwerstgelähmte, z.B. bei ALS oder Querschnittslähmung

Lähmungen, die zum Beispiel nach schweren Schlaganfällen, Verletzungen der Wirbelsäule oder infolge der progressiven Muskelerkrankung ALS (an der z.B. der bekannte Physiker Stephen Hawking erkrankt war) auftreten, können so schwerwiegend sein, dass die Patienten nicht mehr normal kommunizieren können. Diesen Fall bezeichnet man als Locked-in Syndrom.

Wenn auch Augenbewegungen oder Zuckungen einzelner Muskeln unmöglich werden, dann sind die Patienten sind vollständig „eingeschlossen“ (Complete Locked-in Syndrom).

Die Unfähigkeit, ihre Umgebung zu kontrollieren und mit ihren Angehörigen und Pflegern zu kommunizieren, macht diesen Zustand für die Betroffenen besonders schwer erträglich –insbesondere auch deshalb, weil sie noch bei vollem Bewusstsein sein können.

In sehr vielen Fällen ist das Gehirn der gelähmten Patienten intakt. Hier können neurotechnologische Mittel anknüpfen, um sogenannte Gehirn-Computer-Schnittstellen zu schaffen. Patienten können diese unabhängig von ihrer verbliebenen Muskel-Aktivität – nur mit der Kraft der Gedanken – kontrollieren und steuern.

Am einfachsten kann ein Enzephalogramm (EEG) die Hirnaktivität erfassen. Eine kürzlich neu gefundenen Alternative hierzu ist die funktionelle Nah-Infrarotspektroskopie (fNIRS). Die Menge an Informationen, die mit diese beiden nichtinvasiven Methoden durch den Schädelknochen hindurch abgegriffen können, ist allerdings sehr eingeschränkt. Gleiches gilt für die Stabilität der transportierten Signale. Darüber hinaus sind beide Methoden sehr anfällig für Störungen aus der Umwelt, wie etwa durch Radio- oder Mobilfunk-Signale (Rosenfeld & Wong, 2017; Shih et al., 2012).

Stärkere und stabilere Signale und eine genauere räumliche Auflösung liefern Elektroden, die innerhalb des Schädels auf dem Gehirn oder der Hirnhaut aufliegen oder in das Gehirngewebe hineingeschoben werden. Um alltagstaugliche Systeme realisieren zu können, muss zudem eine schnelle und sichere Datenverarbeitung gewährleistet sein, und die verwendete Hardware muss kompakt und portabel sein.

Über die direkte Ansteuerung von motorischen Nerven kann eventuell sogar die natürliche Bewegungsfähigkeit der Muskulatur wiederhergestellt werden. In diesem Bereich forscht aktuell die Bioelektronische Medizin.

Alltagstaugliche Assistenzsysteme für Schwerstgelähmte gibt es bislang in unterschiedlichen Formen, die alle auf verbliebenen Bewegungsfunktionen des Patienten aufbauen. Rollstühle und andere Hilfsmittel können über die Bewegung der Augen, der Zunge oder auch über die Atemluft gesteuert werden. Für Locked-In Patienten, die über keine solchen Restfunktionen verfügen, sind derartige Systeme jedoch nicht nutzbar.

In der neurowissenschaftlichen Forschung gibt es vielerlei Ansätze, um neuronale Steuerungen von Rollstühlen, Orthesen, Kommunikationssystemen und anderen Hilfsmitteln, rein über die Signale von Nervenaktivität zu ermöglichen.

Obwohl Pilotprojekte mit einzelnen Patienten bereits beeindruckende Erfolge mit solchen nichtinvasiven (Chaudary et al., 2016) oder invasiven (Bacher et al., 2015; Branco et al., 2017; Collinger at al., 2014; Wang et al., 2013) Gehirn-Computer Schnittstellen erzielen konnten, ist der Weg zu alltagstauglichen und für den allgemeinen klinischen Gebrauch zugelassenen Systemen noch weit.

Die °AirRay Elektroden von CorTec eignen sich sowohl für das Ableiten wie für die Stimulation von Hirnaktivität und können somit Informationen in beide Richtungen übertragen. Dank der flexiblen Herstellungstechnologie von CorTec lassen sich Form, Abstände und Anzahl der Elektrodenkontakte individuell an die Anwendung wie auch an den Patienten anpassen. °AirRay Cuff Elektroden können zudem Muskel-Nerven ansteuern mit dem Ziel, die natürliche Bewegungsfähigkeit wiederherzustellen.

Zusammen mit einer intelligenten Dekodierungs-Software, wie sie die Brain Interchange Technologie von CorTec nutzen kann, kann eine direkte Verbindung zwischen menschlichem Gehirn und künstlicher Intelligenz entstehen, die auch vollständig Gelähmten wieder eine Interaktion mit der Umwelt ermöglichen könnte.

Durch seine hohe Zahl an derzeit 32 Kanälen ist das Brain Interchange System technisch dafür geeignet, eine bislang unerreichte Dichte an Informationsübertragung zu unterstützen. Damit kann die neuronale Steuerung von komplexen und präzisen Hilfsmitteln wie auch eine Wiederherstellung der Bewegungsfähigkeit der körpereigenen Muskulatur erschlossen werden.

Die °AirRay Grid und Cuff Elektroden von CorTec können in unterschiedlichsten Designs im Rahmen wissenschaftlicher Studien wie auch als Komponenten von therapeutischen Komplett-Systemen zum Einsatz kommen. Das Brain Interchange System befindet sich derzeit in der Entwicklung. Erste klinische Pilotstudien sind in Vorbereitung, die die Sicherheit und Funktionalität des Systems demonstrieren sollen. Ein Förderprojekt in Kooperation mit dem Universitätsklinikum Freiburg hat das Ziel, die Brain-Computer-Schnittstellen als Assistenzsysteme für Gelähmte zu erforschen.

– zur Rehabilitation , z.B. nach Schlaganfall

Nach einem Schlaganfall verbleiben in vielen Fällen Lähmungen, welche die Patienten in ihrem alltäglichen Leben dauerhaft beeinträchtigen, und die manchmal auch durch intensive Rehabilitationsmaßnahmen nicht zu beheben sind.

Häufig sind die betroffenen Schlaganfall-Patienten nach wie vor in der Lage, diejenigen Hirnsignale zu erzeugen, die bei Gesunden bestimmte Bewegungen auslösen, wenn sie sich die entsprechenden Bewegungen vorstellen. Gehirn-Computer Schnittstellen, welche diese Bewegungsabsichten in den elektrischen Signalen des Gehirns detektieren und auf Basis dieser Daten Hilfsmittel wie zum Beispiel Orthesen steuern, könnten die Bewegungsfähigkeit der Patienten teilweise wiederherstellen.

Durch das Training mit der Gehirn-Computer Schnittstelle können Patienten lernen, ihre Gliedmaßen mit Unterstützung des Hilfsmittels gezielt zu bewegen. In Pilotstudien sind bereits vielversprechende Erfolge in der motorischen Rehabilitation von Schlaganfall-Patienten mit Hilfe von Gehirn-Computer Schnittstellen erzielt worden (Frolov et al., 2017; Bundy et al., 2017; Monge-Pereira et al., 2017; Chaudhary et al., 2016).

Studienergebnissen zufolge führt der Erfolg im Training offenbar auch dazu, dass neue neuronale Verbindungen aufgebaut werden, die die natürliche Beweglichkeit auch ohne Hilfsmittel verbessern können (Biasiucci et al., 2018).

Die Neurotechnologie könnte somit neue Wege der Rehabilitation eröffnen und auf motorische Behinderungen einwirken, die sich mit bisherigen Methoden nicht beheben lassen.

Rehabilitationsmaßnahmen nach Schlaganfällen sehen heute vor allem eine passive Bewegungstherapie vor, die dem Patienten eine bestimmte Rhythmik der Bewegung vorgibt.

Zusätzlich werden derzeit Gehirn-Computer Schnittstellen für die Erforschung möglicher neuer Rehabilitationsformen eingesetzt, hauptsächlich mit Hilfe von nicht-invasiv abgeleiteten Signalen wie z.B. dem Enzephalogramm (EEG; s. Frolov et al., 2017; Bundy et al., 2017; Monge-Pereira et al., 2017; Chaudhary et al., 2016).

Jedoch werden die Genauigkeit und der Informationsgehalt der neuronalen Signale – und damit auch die Dekodierbarkeit für die Gehirn-Computer Schnittstellen – besser, wenn man zu ihrer Steuerung Signale aus dem Schädelinneren, z.B. direkt von der Hirnoberfläche, nutzt (Rosenfeld & Wong, 2017; Shih et al., 2012).

Aus diesem Grund werden zunehmend auch Gehirn-Computer-Schnittstellen für die Schlaganfallrehabilitation in Betracht gezogen, die invasiv gewonnene Hirnsignale verwenden (Gharabaghi et al., 2014; Wang et al., 2010). Für die klinische Anwendung in der Schlaganfallrehabilitation zugelassene Systeme die auf Gehirn-Computer Schnittstellen basieren, gibt es aktuell allerdings noch nicht.

Ein anderer Ansatz zur Schlaganfallrehabilitation basiert auf der elektrischen Stimulation der motorischen Hirnrinde während der motorischen Rehabilitation. Das US-amerikanische Unternehmen Northstar Neuroscience, das einen entsprechenden Neurostimulator entwickelte, konnte in den 2000er Jahren vielversprechende Erfolge mit einer solchen elektrisch unterstützten Rehabilitation verzeichnen (Brown et al., 2003; Brown et al., 2006). Eine anschließende größere klinische Studie erzielte positive langfristige Verbesserungen, aber keine kurzfristigen Vorteile (Levy et al., 2016). Zukünftige Studien (möglicherweise mit besserer Technologie, besserem Studiendesign und verbesserten Kriterien für die Patientenauswahl) sind nötig, um das Potenzial der kortikalen Stimulation für die Schlaganfallrehabilitation zu klären.

Die flachen °AirRay Grid-Elektroden von CorTec eignen sich sowohl für das Ableiten wie für die Stimulation von Hirnaktivität und können somit Informationen in beide Richtungen übertragen. Dank der flexiblen Herstellungstechnologie von CorTec lassen sich Form, Abstände und Anzahl der Elektroden individuell an die Anwendung wie auch an den individuellen Patienten anpassen.

Die Kombination der °AirRay Elektroden mit dem Brain Interchange Implantat-System von CorTec ermöglicht es, die Daten drahtlos an eine Rechnereinheit außerhalb des Körpers übertragen. Diese analysiert die Messdaten und verarbeitet sie weiter zu Steuersignalen für Bewegungen. So sind schnelle Interaktionen mit Gehirn und Gliedmaßen möglich.

Die °AirRay Grid-Elektroden von CorTec können in unterschiedlichsten Designs im Rahmen wissenschaftlicher Studien wie auch als Komponenten von therapeutischen Komplett-Systemen zum Einsatz kommen. Das Brain Interchange System befindet sich derzeit in der Entwicklung. Erste klinische Pilotstudien sind in Vorbereitung, die die Sicherheit und Funktionalität des Systems demonstrieren sollen. Ein Förderprojekt in Kooperation mit dem Universitätsklinikum Tübingen hat das Ziel, die Grundlagen von neuen Rehabilitationssystemen für Gelähmte zu erforschen.

Weiterführende Links und Literatur

Fachliteratur

als Hilfsmittelsteuerung für Schwerstgelähmte

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Collaborative approach in the development of high-performance brain-computer interfaces for a neuroprosthetic arm: translation from animal models to human control.

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An electrocorticographic brain interface in an individual with tetraplegia.

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zur Rehabilitation

Post-stroke Rehabilitation Training with a Motor-Imagery-Based Brain-Computer Interface (BCI)-Controlled Hand Exoskeleton: A Randomized Controlled Multicenter Trial.

Frolov AA, Mokienko O, Lyukmanov R, Biryukova E, Kotov S, Turbina L, Nadareyshvily G, Bushkova Y.

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Contralesional Brain-Computer Interface Control of a Powered Exoskeleton for Motor Recovery in Chronic Stroke Survivors.

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Use of Electroencephalography Brain-Computer Interface Systems as a Rehabilitative Approach for Upper Limb Function After a Stroke: A Systematic Review.

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Brain-computer interfaces in the completely locked-in state and chronic stroke.

Chaudhary U, Birbaumer N, Ramos-Murguialday A.

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Brain-actuated functional electrical stimulation elicits lasting arm motor recovery after stroke.

Biasiucci A, Leeb R, Iturrate I, Perdikis S, Al-Khodairy A, Corbet T, Schnider A, Schmidlin T, Zhang H, Bassolino M, Viceic D, Vuadens P, Guggisberg AG, Millán JDR.

Nat Commun. 2018 Jun 20;9(1):2421. doi: 10.1038/s41467-018-04673-z.

 

From assistance towards restoration with epidural brain-computer interfacing.

Gharabaghi A, Naros G, Walter A, Grimm F, Schuermeyer M, Roth A, Bogdan M, Rosenstiel W, Birbaumer N.

Restor Neurol Neurosci. 2014;32(4):517-25. doi: 10.3233/RNN-140387.

 

Neural interface technology for rehabilitation: exploiting and promoting neuroplasticity.

Wang W, Collinger JL, Perez MA, Tyler-Kabara EC, Cohen LG, Birbaumer N, Brose SW, Schwartz AB, Boninger ML, Weber DJ.

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Northstar study papers:

Brown JA, Lutsep H, Cramer SC, Weinand M. Motor cortex stimulation for enhancement of recovery after stroke: case report. Neurol Res. 2003 Dec;25(8):815-8.

Brown JA, Lutsep HL, Weinand M, Cramer SC. Motor cortex stimulation for the enhancement of recovery from stroke: a prospective, multicenter safety study. Neurosurgery. 2006 Mar;58(3):464-73.

Levy RM, Harvey RL, Kissela BM, Winstein CJ, Lutsep HL, Parrish TB, Cramer SC, Venkatesan L. Epidural Electrical Stimulation for Stroke Rehabilitation: Results of the Prospective, Multicenter, Randomized, Single-Blinded Everest Trial. Neurorehabil Neural Repair. 2016 Feb;30(2):107-19. doi: 10.1177/1545968315575613. Epub 2015 Mar 6.

Rückenmark-Stimulation

Rückenmark-Stimulation

Bestimmte Arten von chronischen Schmerzen haben ihre Ursache in einer Reizung des Nervensystems. Diese sogenannten neuropathischen Schmerzen äußern sich vielfach als Schmerzen im unteren Rücken oder den Beinen.

Rückenschmerzen sind Studien der Deutschen Schmerzliga e.V. sowie der Deutschen Schmerzgesellschaft e.V. zufolge mit 69% die häufigste Form chronischer Schmerzen. 8 bis 10 Millionen Deutsche leben mit chronischen Rückenschmerzen. Nach Schätzungen der US-amerikanischen National Institutes of Health sind mehr als 10% der Bevölkerung in den USA von chronischem Schmerz betroffen.

Häufig können derartige Schmerzen durch Physiotherapie, chirurgische Eingriffe oder alternative Therapien behoben werden. In Fällen, bei denen keine andere Therapie den Schmerz mindert, kann eine elektrische Stimulation des Rückenmarks oder der Spinalganglien helfen (https://www.special-rueckenschmerz.de/chronische-schmerzen/therapie-behandlung/neurostimulatoren-gegen-chronische-rueckenschmerzen-id63564.html; Dones & Levi 2018; Hunter et al., 2018).

Hierzu werden Elektroden in den Raum über dem Rückenmark oder in die Nähe der Spinal-Ganglien implantiert und mit Stimulationsgeneratoren verbunden. Die elektrischen Stimulationspulse, die an das Gewebe abgegeben werden, sorgen für eine Linderung des Schmerzgefühls.

Es gibt bereits eine Reihe von kommerziell erhältlichen und für den klinischen Einsatz zugelassenen Neurostimulatoren zur Stimulation des Rückenmarks. Etwa 15.000 Patienten erhalten jährlich ein entsprechendes Implantat. Rückenmark-Stimulation ist damit die aktuell am häufigsten eingesetzte Form der Neurostimulation.

Teilweise sind die Implantat-Systeme sogar bereits in der Lage, in einer geringen Kanalzahl im sogenannten Closed-Loop zu arbeiten. Dabei wird die Stimulationsstärke entweder an die Körperposition (Denison & Litt, 2014) oder an die gemessene elektrische Nervenaktivität (Russo et al., 2018) angepasst. Gleichzeitig erhöhen sich die Kanalzahlen der klinisch zugelassenen Systeme beständig.

Hoch-kanalige und komplexere Closed-Loop Interaktionen mit dem Nervengewebe könnten die Therapie wahrscheinlich nochmals entscheidend verbessern.

Die Elektroden von CorTec, insbesondere die flachen °AirRay Grid-Elektroden , eignen sich grundsätzlich für die Stimulation des Rückenmarks. Vor allem als Komponenten von Gesamt-Systemen können sie individualisiert und in hoch-auflösenden Designs genau auf die Anwendung optimiert werden. Dies bietet eine größere räumliche Auflösung des zu stimulierenden Areals, was dazu beitragen kann, die schmerzauslösenden Areale besser zu treffen und neue, präzisere Therapien zu erschließen.

Die Kombination der °AirRay Elektroden mit dem Brain Interchange System bietet zudem die Option, speziell ausgelegte Elektroden-Designs mit einer langfristigen Closed-Loop Schmerz-Therapie zu verbinden: Die Brain Interchange Technologie ist in der Lage, auf neuronale Aktivitäten zu reagieren und die Stimulation entsprechend anzupassen.

Durch seine hohe Kanal-Zahl zusammen mit der Möglichkeit, an allen Kontakten sowohl abzuleiten als auch zu stimulieren, bietet das Brain Interchange System technisch größtmögliche Flexibilität für eine Therapie, die sich genau an den Bedarf des Patienten anpassen kann.

Die °AirRay Elektroden von CorTec können in unterschiedlichsten Designs im Rahmen wissenschaftlicher Studien wie auch als Komponenten von therapeutischen Komplett-Systemen zum Einsatz kommen. Das Brain Interchange System befindet sich derzeit in der Entwicklung. Erste klinische Pilotstudien sind in Vorbereitung, die die Sicherheit und Funktionalität des Systems demonstrieren sollen.

Weiterführende Links und Literatur

Fachliteratur

Morbus Parkinson

Systems for deep brain stimulation: review of technical features.

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Closed-loop interaction with the cerebral cortex: a review of wireless implant technology

Fabian Kohler, C. Alexis Gkogkidis, Christian Bentler, Xi Wang, Mortimer

Gierthmuehlen , Joerg Fischer, Christian Stolle, Leonhard M. Reindl, Joern Rickert, Thomas

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Scheduled, intermittent stimulation of the thalamus reduces tics in Tourette syndrome.

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Deep brain stimulation to the medial forebrain bundle for depression- long-term outcomes and a novel data analysis strategy.

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Rapid effects of deep brain stimulation for treatment-resistant major depression.

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Closed–loop neuromodulation restores network connectivity and motor control after spinal cord injury.

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Epilepsie

A novel neural prosthesis providing long-term electrocorticography recording and cortical stimulation for epilepsy and brain-computer interface
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The puzzle(s) of pharmacoresistant epilepsy.

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Kontinuierliche Tiefenhirnstimulation bei Epilepsie

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Bedarfsgerechte Stimulation der Hirnrinde mit kommerziell erhältlichem System

Brain-responsive neurostimulation in patients with medically intractable mesial temporal lobe epilepsy.

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Neuropace study

Brain-responsive neurostimulation in patients with medically intractable mesial temporal lobe epilepsy.

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Chronische Schmerzen

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Motor cortec stimulation for Refractory Benign Pain

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Machado A, Azmi H, Rezai A

Prächirurgische Diagnostik

Prächirurgische Diagnostik

Manche Erkrankungen des Gehirns können es notwendig machen, die betroffenen Hirnteile chirurgisch zu entfernen. Beispiele für solche Fälle sind medikamentös nicht hinreichend behandelbare Epilepsien oder Hirntumore.

Um das erkrankte Hirngewebe präzise zu lokalisieren und gesunde, für wichtige Funktionen verantwortliche Hirnbereiche zu schützen, muss das Gehirn zuvor „kartiert“ werden. Ziel dieser Kartierung ist es, Ort und Ausdehnung der unterschiedlichen Hirnareale sowie des erkrankten Gewebes möglichst genau zu bestimmen.

Implantierte Tiefenelektroden ebenso wie gitterartige Folien-Elektroden (auch Grid- und Streifen-Elektroden genannt) stellen die präziseste Möglichkeit dar, das Gehirn zu kartieren. Tiefenelektroden messen dabei die Hirnaktivität in tieferen Hirnregionen. Grid- und Streifen-Elektroden liegen auf der Oberfläche des Gehirngewebes auf und ermöglichen eine gebündelte Kommunikation mit den lokal vorhanden Gruppen von Nervenzellen.

Weil sie in direktem Kontakt mit dem Hirngewebe stehen, können beide Elektroden-Varianten die elektrischen Signale des Gehirns mit einer besseren Auflösung erfassen als externe Elektroden, die etwa beim Elektroenzephalogramm (EEG) zum Einsatz kommen (Enatsu & Mikuni, 2016).

Um eine hinreichende Diagnose zu gewährleisten, werden die Elektroden über einen Zeitraum von einigen Tagen bis Wochen implantiert. Während dieser Zeit werden über die Elektroden elektrophysiologische Signale aufgenommen, bei Bedarf wird auch elektrisch stimuliert. In verschiedenen Fällen, so z.B. bei der Entfernung von Hirntumoren, ist der Einsatz der Elektroden zumeist auf die Dauer der Operation begrenzt, währen der das erkrankte Hirngewebe entfernt wird.

Bereits seit mehreren Jahrzehnten werden sowohl Grid- und Streifen-Elektroden wie auch Tiefenelektroden erfolgreich für das Kartieren des Gehirns in der prä-chirurgischen Diagnostik eingesetzt. Neuere Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Elektroden in einer höheren Kontaktdichte, noch präzisere Diagnose-Ergebnisse erzielen könnten (Hermiz et al., 2018; Wang et al., 2017).

Die bisher in der klinischen Praxis genutzten Grid- und Streifen-Elektroden werden in der Regel noch zu großen Teilen in manueller Fertigung hergestellt. In hohen Kontaktdichten führt dies zu sehr harten und steifen Produkten.

Die °AirRay Cortical Electrode umfasst ein Set an Grid- und Streifen-Elektroden für die prä-chirurgische Diagnostik. Sie werden in einem patentierten lasergestützten Verfahren hergestellt und sind mit ihren Produkt-Eigenschaften ideal für die Kartographie des Gehirns:

  • Die Elektroden sind dünn und weich, weshalb sie sich flexibel an die gekrümmte Hirnoberfläche anpassen.

  • Eine spezielle Verzahnung des Materials verhindert ein Herauslösen der Kontakte aus dem Grid. Die Elektroden können somit ein erhöhtes Maß an Patienten-Sicherheit bieten.

Die Zulassung der °AirRay Cortical Electrode für den klinischen Gebrauch bei der FDA ist in Vorbereitung. In Einzelfällen wurde die Elektroden-Technologie  bereits erfolgreich für patientenindividuelle Sonderanfertigungen in der prächirurgischen Diagnostik eingesetzt.

Die spezielle Herstellungstechnik von CorTec ermöglicht prinzipiell hohe Kontaktdichten, ohne die Elektroden sehr hart und steif zu machen. Der Zulassungsantrag der °AirRay Cortical Electrode beinhaltet derartige Designs allerdings aktuell nicht.

Weiterführende Links und Literatur

Fachliteratur

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Enatsu R, Mikuni N.

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Mapping the fine structure of cortical activity with different micro-ECoG electrode array geometries.

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Bioelektronische Medizin

Bioelektronische Medizin

Eine Vielzahl schwerer chronischer Erkrankungen steht unter dem Einfluss des Nervensystems. Das Aktivieren oder Hemmen von peripheren Nerven kann eine Vielzahl von Körperfunktionen beeinflussen. Dieser Effekt kann zur therapeutischen Behandlung genutzt werden – insbesondere in Fällen, bei denen Pharmazeutika nicht zur Verfügung stehen oder nur unzureichende Erfolge haben.

Die elektrische Stimulation von Nerven zur Behandlung von Erkrankungen bildet eine attraktive Möglichkeit, direkt mit neurophysiologischen Wirkungskreisen zu interagieren und komplexe Erkrankungen an ihrer Wurzel anzugehen. Auch vor dem Hintergrund, dass die Entwicklung neuer oder verbesserter Pharmazeutika in den letzten Jahren vielfach stagniert, gewinnt diese Option zunehmend an Bedeutung (https://www.microtec-suedwest.de/news-termine/newsuebersicht/item/1268-bioelektronische-medizin-eine-einfuehrung-in-eine-neue-disziplin).

Die Vorteile einer solchen „Bioelektronischen Medizin“ (Tracey 2014) sind vielfältig:

  • Die elektrische Beeinflussung der Nervenaktivität ist eine neue Behandlungsoption, die zusätzliche Wirkmechanismen zur medikamentösen Behandlung eröffnen kann.

  • Gezielt einzelne Nerven oder Nervenäste zu modulieren kann sehr spezifische Wirkungen entfalten und Nebenwirkungen, z.B. auf andere Körperteile, vermeiden.

  • Elektrische Signale können ihre Wirkung schnell und direkt am Zielort der Therapie entfalten, da sie den Verdauungstrakt umgehen.

Die bioelektronische Medizin könnte eine Reihe von bislang nur unzulänglich behandelbaren medizinischen Problemen adressieren wie z.B. chronische und akute entzündliche Erkrankungen (z.B. Reizdarm und Morbus Crohn, Rheumathoide Arthritis, Blutvergiftung, Lupus), Diabetes, Bluthochdruck, Lähmungen, Stress, Blutungen, Übergewicht und metabolisches Syndrom sowie möglicherweise sogar Krebs.

In den letzten Jahren hat eine Vielzahl von Forschungsinitiativen begonnen, die Möglichkeiten bioelektronischer Therapien zu erforschen und systematisch zu entwickeln. Besonders aktiv auf diesem Gebiet sind unter anderem das Feinstein Institute in New York und Galvani Bioelectronics, ein Joint Venture des Pharmakonzerns GlaxoSmithKline und der Google-Tochter Verily.

Erste Forschungserfolge konnten in unterschiedlichen Bereichen bereits erzielt werden:

  • Blasen-Entleerung:

Eine elektrische Stimulation der Nerven, die den Blasen-Schließmuskel kontrollieren, soll Querschnittsgelähmten langfristig eine bessere Blasen-Entleerung bei einem geringeren Infektionsrisiko ermöglichen (Langdale et al., 2016).

  • Entzündungen:

Die Erforschung der neuronalen Kontrolle von Entzündungsreaktionen zielt darauf ab, chronische (z.B. inflammatory bowel disease) oder lebensbedrohliche (Sepsis) Entzündungen über die elektrische Stimulation der entsprechenden Nerven behandeln.

Erste Pilotstudien haben z.B. bereits gezeigt, dass durch Stimulation des Vagus Nervs Morbus Crohn behandelt werden kann (Kalcun et al., 2017).

  • Wiederherstellung der Bewegungsfähigkeit bei Lähmungen, z.B. nach Querschnittslähmung:

Es wird untersucht, ob elektrische Stimulation von peripheren motorischen Nerven die Bewegungsfähigkeit von Menschen mit Querschnittslähmung und anderen Lähmungserkrankungen wiederherstellen kann (Tigra et al., 2019).

  • Bluthochdruck:

Erhöhter Blutdruck kann durch Stimulation des Vagus Nerven gesenkt werden. Um die Stimulation bedarfsgerecht und automatisch zu steuern, können Nervensignale herangezogen werden, die Aufschluss über den aktuellen Blutdruck liefern (Secencu et al., 2018).

Die °AirRay Cuff Elektroden von CorTec bestehen aus weichem und flexiblem Silikon. In unterschiedlichen Formen und mit variierbaren Schließmechanismen umschließen sie schonend den Nerv und sorgen gleichzeitig für eine gute elektrische Isolierung. Sie sind geeigneten Schnittstellen, um die Aktivität von Nerven kurz- und langfristig zu messen und durch elektrische Stimulation zu beeinflussen.

Die °AirRay Elektroden Technologie von CorTec ermöglicht es, Elektroden in individualisierten und miniaturisierten Formen herzustellen. Damit unterstützt CorTec sowohl die weltweite Pionierforschung wie auch bereits die Entwicklung erster Therapien mit speziell angepassten °AirRay Cuff Elektroden.

Weiterführende Links und Literatur

Fachliteratur

Apical splenic nerve electrical stimulation discloses an anti-inflammatory pathway relying on adrenergic and nicotinic receptors in myeloid cells
Guyot, Mélanie et al.; Brain, Behaviour, and Immunity 8 (2019) 238-246

 

Implanted Nerve Electrical Stimulation allows to Selectively Restore Hand and Forearm Movements in Patients with a Complete Tetraplegia
Wafa Tigra, Christine Azevedo, Jacques Teissier, Anthony Gelis, Bertrand Coulet, Jean-Louis Divoux, David Guiraud (2019)
bioRxiv 534362; doi: https://doi.org/10.1101/534362

 

The revolutionary  future  of  bioelectronic  medicine.
Bioelectron. Med. 1:1; Tracey KJ. (2014)

 

Phasic activation of the external urethral sphincter increases voiding efficiency in the rat and the cat
Christopher L. Langdale, Warren M. Grill; Experimental Neurology 285 (Pt B) 2016 Nov, 173-181; Neurosurgery. 2017 Nov 1;81(5):N38-N40. doi: 10.1093/neuros/nyx451.

 

Vagal Nerve Stimulation for Inflammatory Bowel Disease.
Kolcun JPG1, Burks SS1, Wang MY1.

 

An Intraneural Electrode for Bioelectronic Medicines for Treatment of Hypertension.
Sevcencu C, Nielsen TN, Struijk JJ.; Neuromodulation. 2018 Feb 14. doi: 10.1111/ner.12758. [Epub ahead of print]

 

Exploring selective neural electrical stimulation for upper limb functions restoration
Tigra, David Guiraud, David Andreu, Bertrand Coulet, Anthony Gelis, Charles Fattal, Pawel Maciejasz, Chloé Picq, Olivier Rossel, Jacques Teissier, Christine Azevedo Coste; European Journalf of Translational Myology 2016 26(2), 161-164

 

Spatial and activity-dependent catecholamine release in rat adrenal medulla under native neuronal stimulation
Kyle Wolf, Georgy Zarkua, Shyue‐An Chan, Arun Sridhar, Corey Smith; Physiological Reports Vol. 4, Iss. 27 (2016 ), 1-13

 

Cytokine-specific Neurograms In the Sensory Nerve
Benjamin E. Steinberg, Harold A Silverman, Sergio Robbiati, Manoj K Gunasekaran, Téa Tsaava, Emily Battinelli, Andrew Stiegler, Chad E Bouton, Sangeeta S Chavan, Kevin J Tracey, Patricio T Huerta ; Bioelectronic Medicine 2016, 7-17

Hirnstimulation

Hirnstimulation

Bereits seit den 1990er Jahren wird die elektrische Hirnstimulation erfolgreich zur Behandlung von neurologischen Erkrankungen eingesetzt, insbesondere bei Bewegungsstörungen wie Morbus Parkinson oder Dystonie. Die Ergebnisse vielfältiger Forschungsarbeiten haben seither Hinweise auf eine stets wachsende Zahl weiterer Anwendungsbereiche dieser Therapieform hervorgebracht.

Insbesondere die adaptive Hirnstimulation, die sich am individuellen und momentanen Behandlungsbedarf des Patienten orientiert, ist ein vielversprechender Ansatz für neue innovative Therapien. Voraussetzung für das Funktionieren solcher Therapien ist es zunächst, entscheidenden neuronale bzw. behaviorale (also verhaltensgesteuerte) Biomarker zu ermitteln, aus denen sich der aktuelle Zustand des Patienten ablesen lässt. Anschließend muss aus diesen Daten die Stärke der erforderlichen therapeutischen Stimulation ermittelt werden.

Einige Beispiele für solche Therapien beschreiben wir im Folgenden.

– für eine bessere Behandlung von Bewegungsstörungen, z.B. Morbus Parkinson (MP)

Die Parkinson-Erkrankung betrifft weltweit über eine Million Menschen. Das macht sie nach der Alzheimer-Krankheit zur zweithäufigsten neurodegenerativen Erkrankung. Insbesondere durch prominente Betroffene wie Michael J. Fox, Muhammad Ali oder Papst Johannes Paul II sind die Krankheit und ihre Symptome sehr bekannt geworden: Steifheit, Zittern, unsicherer, vornüber gebeugter Gang und maskenhafter Gesichtsausdruck.

Es gibt bislang keine ursächliche Therapie, die den Krankheitsverlauf von Morbus Parkinson aufhalten könnte. Die Symptome werden üblicherweise mit Hilfe von Pharmazeutika (L-Dopa) unterdrückt. Mit fortschreitender Erkrankung benötigen die Patienten jedoch immer höhere Medikamenten-Dosen, und es kommt zu starken Fluktuationen zwischen übertriebenen Bewegungen und Starrheit.

In diesem Stadium kann vielen Patienten mit einer Behandlung durch Hirnstimulation über ein aktives Neuroimplantat geholfen werden, bei dem Elektroden bestimmte Areale tief im Inneren des Gehirns stimulieren. Die elektrische Stimulation beeinflusst die Hirnfunktion, um die Symptome der Erkrankung einzudämmen. Das Zittern wird unterdrückt und die Bewegungsfähigkeit wiederhergestellt (Fasano & Lozano, 2015).

Auch andere Bewegungsstörungen, wie z.B. Dystonie, essentieller Tremor, Tourette, teilweise aber auch bestimmten Epilepsien oder Depression, können mit tiefer Hirnstimulation behandelt werden (www.tiefehirnstimulation.de; Fasano & Lozano, 2015; Rossi et al., 2016; Schlaepfer et al., 2013; Bewernick et al., 2017; Zhou et al., 2018).

Vor ca. 20 Jahren wurden die ersten Stimulationssysteme zur Behandlung der fortgeschrittenen Parkinson-Krankheit für den klinischen Gebrauch zugelassen. Sie basieren auf der Herzschrittmacher-Technologie, kombiniert mit tiefen Hirnelektroden. Bis heute konnten bereits mehr als 100.000 Parkinson-Patienten weltweit mit derartigen Hirnstimulatoren versorgt werden.

Die derzeit in der klinischen Anwendung eingesetzten Systeme zur Hirnstimulation werden vom behandelnden Arzt eingestellt und stimulieren dann kontinuierlich mit konstanten Parametern. Sollten die Symptome schwanken, kann die Stimulation nicht kurzfristig und ohne Intervention des Arztes angepasst werden. Darüber hinaus kann die gleichmäßige Stimulation Nebenwirkungen produzieren oder manchmal auch bestimmte Symptome nicht ausreichend verbessern (Højlund et al., 2016; Nassery et al., 2016). All dies beeinträchtigt den Behandlungserfolg und damit die Zufriedenheit und Lebensqualität der Patienten.

Die Erfahrung mit den bisher eingesetzten Systemen zur Hirnstimulation zeigt, dass die Therapie zwar erfolgreich ist, aber dennoch weiter verbessert werden kann. Forschungsergebnisse der vergangenen Jahre deuten darauf hin, dass mit sogenannten Closed-Loop Systemen wie beispielsweise CorTec Brain Interchange, die nächste Stufe einer verbesserten „adaptiven“ Therapie-Form erreicht werden könnte (Ganzer et al., 2018, Swann et al., 2018; Mohammed et al., 2018). Derartige Systeme sind in der Lage, sich auf den aktuellen Therapie-Bedarf des Patienten einzustellen.

Um die Qualität der Stimulationstherapie zu verbessern und mehr am Bedarf des Patienten auszurichten, ist zum einen eine zuverlässige Detektion von Hirnsignalen erforderlich, die Auskunft über den aktuellen Zustand des Patienten gibt. Hierfür eignen sich die flachen °AirRay Grid-Elektroden besonders gut, weil sie individualisiert und in hochauflösenden Designs genau auf die jeweilige Anwendung und den einzelnen Patienten optimiert werden können.

Die Kombination der °AirRay Elektroden mit dem Brain Interchange System bietet zudem die Option, speziell ausgelegte Elektroden-Designs mit einer langfristigen Closed-Loop Therapie zu verbinden: Die Brain Interchange Technologie ist in der Lage, auf den momentanen physiologischen Zustand des Patienten zu reagieren. Sie misst die Hirnsignale des Patienten, wertet diese Daten aus und kann sich autonom auf den aktuellen Zustand des Patienten einstellen. Dies soll eine Therapie ermöglichen, die sich zu jeder Zeit genau an den individuellen Bedarf des Patienten anpassen kann.

Die °AirRay Grid-Elektroden von CorTec können in unterschiedlichsten Designs im Rahmen wissenschaftlicher Studien wie auch als Komponenten von therapeutischen Komplett-Systemen zum Einsatz kommen. Das Brain Interchange System befindet sich derzeit noch in der Entwicklung. Erste klinische Pilotstudien sind in Vorbereitung, die die Sicherheit und Funktionalität des Systems demonstrieren sollen.

– für Anfallskontrolle in der Epilepsie

Epilepsie ist eine der häufigsten neurologischen Erkrankungen. Ca. 1 % aller Menschen erleidet im Laufe ihres Lebens einen oder mehrere epileptische Anfälle. Die Symptome dieser Anfälle sind vielfältig und reichen von kurzen mentalen „Abwesenheiten“ (sogenannten „Absencen“) bis hin zu den gefürchteten „Grand Mal“-Anfällen, begleitet von Stürzen und unkontrollierten Zuckungen.

Da die Anfälle in der Regel nicht vorhersehbar sind, leben die Betroffenen in ständiger Angst und sind in ihrem Alltag erheblich beeinträchtigt. Viele Epilepsie-Patienten dürfen z.B. wegen der ständigen Gefahr eines Anfalls nicht Auto fahren oder bestimmte Maschinen bedienen.

Ursache der Epilepsie sind übersteigerte Erregungszustände im Gehirn, die sich gegenseitig verstärken, bis es zur gleichzeitigen Entladung vieler Nervenzellen kommt, die ihrerseits weite Teile des Gehirns erfassen kann. In diesem Zustand kann das Gehirn nicht mehr normal funktionieren, Informationen verarbeiten oder Bewegungen kontrollieren.

Medikamentöse Therapien zur Behandlung von Epilepsie existieren seit langer Zeit, jedoch wirken sie bei ca. einem Drittel der Epilepsie-Patienten nicht oder nur unzureichend (Pohlmann-Eden & Weaver, 2013). Zudem sind die Medikamente, die dauerhaft genommen werden müssen, meist mit Nebenwirkungen verbunden.

Mit Hilfe gezielter elektrischer Stimulation lässt sich die Ausbreitung von unkontrollierten Erregungszuständen im Gehirn eindämmen. Ein sich anbahnender epileptischer Anfall kann dadurch unterbrochen oder sogar verhindert werden (Hartshorn & Jobst 2018). Entscheidend dafür ist die rechtzeitige und zuverlässige Detektion eines aufkommenden Anfalls, die als Auslöser für die Stimulation dienen soll.

Konstante tiefe Hirnstimulation wird bereits bei einigen Epilepsietypen mit entsprechend zugelassenen Systemen eingesetzt (z.B. Krishna et al., 2016). Diese sind allerdings nicht anpassungsfähig an den Therapie-Bedarf des Patienten.

Für eine bedarfsabhängige Stimulation der Hirnrinde, die sich anbahnende Anfälle auf Basis einer Closed-Loop Interaktion mit dem Gehirn unterbinden soll, existiert bislang nur ein einziges System (Geller et al., 2017). Dieses agiert jedoch mit einer kleinen Anzahl an Kanälen und kann nur sehr einfache Auswertungen der Hirnaktivität ausführen, so dass eine präzise auf den Behandlungsbedarf des Patienten ausgerichtete Therapie damit noch nicht möglich ist.

Eine flexiblere, hochkanalige Closed-Loop Interaktion mit dem Gehirn, in der auch komplexere Hirnsignale online ausgewertet werden können, könnte den Therapieerfolg entscheidend verbessern.

Die flachen °AirRay Grid-Elektroden von CorTec können Gehirnaktivität messen und stimulieren. Sie sind für diesen Einsatzbereich besonders gut geeignet, weil sie – insbesondere als Komponenten von Gesamt-Systemen – individualisiert und in hochauflösenden Designs genau auf den einzelnen Patienten und die Anwendung optimiert werden können.

Die Kombination der °AirRay Elektroden mit dem Brain Interchange System bietet zudem die Option, speziell ausgelegte Elektroden-Designs mit einer langfristigen Closed-Loop Therapie zu verbinden: Die Brain Interchange Technologie ist in der Lage, auf den physiologischen Zustand des Patienten zu reagieren und die Stimulation entsprechend anzupassen. Sie könnte somit dafür eingesetzt werden, aufkommende epileptische Anfälle zu erkennen und mit rechtzeitigen Stimulationsimpulsen zu mildern oder gar zu verhindern.

Durch seine hohe Kanalzahl, zusammen mit der Möglichkeit, an allen Kontakten sowohl abzuleiten als auch zu stimulieren, bietet das Brain Interchange System bislang unerreichte technische Flexibilität. Somit ist das System dafür geeignet eine individuelle Therapie zu ermölichen, die sich jederzeit genau an den Bedarf des Patienten anpassen kann.

Die °AirRay Elektroden von CorTec können in unterschiedlichsten Designs im Rahmen wissenschaftlicher Studien wie auch als Komponenten von therapeutischen Komplett-Systemen zum Einsatz kommen. Das Brain Interchange System befindet sich derzeit noch in der Entwicklung. Erste klinische Pilotstudien sind in Vorbereitung, die die Sicherheit und Funktionalität des Systems demonstrieren sollen.

– für die Therapie von chronischen Schmerzen

Bestimmte Arten von chronischen Schmerzen haben physiologisch keine behandlungsbedürftige Ursache, beeinträchtigen die Betroffenen aber aufgrund ihrer Intensität dennoch enorm. Derartige Schmerzen können zentralnervösen Ursprungs sein, z.B. nach Schlaganfällen. Ebenso können sie als Folgen von Neuropathien, etwa des Trigeminus Nervs, auftreten.

Medikamente bringen den Betroffenen in diesen Fällen keine Erleichterung. Hingegen kann die elektrische Stimulation der motorischen Großhirnrinde in manchen Fällen Linderung bringen (Ostergard et al., 2014).

Hierzu werden gitterartige Folien-Elektroden (auch Grid-Elektroden genannt) über dem Motorcortex auf der äußeren Hirnhaut fixiert und mit einem Neurostimulator verbunden. Die elektrischen Stimulationspulse, die an das Gewebe abgegeben werden, sorgen für eine Linderung des Schmerzgefühls.

Die Motorcortex-Stimulation mit Elektroden und Stimulatoren, die bereits zur klinischen Nutzung zugelassenen sind, hat bereits breiten Einzug in die klinische Praxis gehalten.

Die flachen °AirRay Grid-Elektroden von CorTec eignen sich grundsätzlich für die Stimulation des Gehirngewebes. Insbesondere als Komponenten von Gesamt-Systemen können sie individualisiert und in hochauflösenden Designs genau auf die Anwendung optimiert werden.

Die Kombination der °AirRay Elektroden mit dem Brain Interchange System bietet zudem die Option, speziell ausgelegte Elektroden-Designs mit einer langfristigen Closed-Loop Therapie zu verbinden: Die Brain Interchange Technologie ist in der Lage, auf den physiologischen Zustand des Patienten zu reagieren und die Stimulation entsprechend anzupassen.

Durch seine hohe Kanalzahl zusammen mit der Möglichkeit, reaktiv an allen Kontakten sowohl abzuleiten als auch zu stimulieren, bietet das Brain Interchange System technisch die größtmögliche Flexibilität für eine Therapie, die sich jederzeit genau an den Bedarf des Patienten anpassen kann.

Die °AirRay Elektroden von CorTec können in unterschiedlichsten Designs im Rahmen wissenschaftlicher Studien wie auch als Komponenten von therapeutischen Komplett-Systemen zum Einsatz kommen. Das Brain Interchange System befindet sich derzeit noch in der Entwicklung. Erste klinische Pilotstudien sind in Vorbereitung, die die Sicherheit und Funktionalität des Systems demonstrieren sollen.

Weiterführende Links und Literatur

Fachliteratur

Morbus Parkinson

Systems for deep brain stimulation: review of technical features.

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Toward adaptive deep brain stimulation in Parkinson’s disease: a review.

Mohammed A, Bayford R, Demosthenous A.Neurodegener Dis Manag. 2018 Apr;8(2):115-136. doi: 10.2217/nmt-2017-0050. Epub 2018 Apr 25.

 

Epilepsie

A novel neural prosthesis providing long-term electrocorticography recording and cortical stimulation for epilepsy and brain-computer interface
Romanelli, Pantaleo et al.; J Neurosurg May 11, 2018

 

The puzzle(s) of pharmacoresistant epilepsy.

Pohlmann-Eden B, Weaver DF.

Epilepsia. 2013 May;54 Suppl 2:1-4. doi: 10.1111/epi.12174.

 

Kontinuierliche Tiefenhirnstimulation bei Epilepsie

Anterior Nucleus Deep Brain Stimulation for Refractory Epilepsy: Insights Into Patterns of Seizure Control and Efficacious Target.

Krishna V, King NK, Sammartino F, Strauss I, Andrade DM, Wennberg RA, Lozano AM.

Neurosurgery. 2016 Jun;78(6):802-11. doi: 10.1227/NEU.0000000000001197.

 

Bedarfsgerechte Stimulation der Hirnrinde mit kommerziell erhältlichem System

Brain-responsive neurostimulation in patients with medically intractable mesial temporal lobe epilepsy.

Geller EB, et. al.

Epilepsia. 2017 Jun;58(6):994-1004. doi: 10.1111/epi.13740. Epub 2017 Apr 11.

 

Brain-responsive neurostimulation in patients with medically intractable seizures arising from eloquent and other neocortical areas.

Jobst BC, et. al.

Epilepsia. 2017 Jun;58(6):1005-1014. doi: 10.1111/epi.13739. Epub 2017 Apr 7.

 

Responsive brain stimulation in epilepsy.

Hartshorn A, Jobst B.

Ther Adv Chronic Dis. 2018 Jul;9(7):135-142. doi: 10.1177/2040622318774173. Epub 2018 May 7. Review.

 

Neuropace study

Brain-responsive neurostimulation in patients with medically intractable mesial temporal lobe epilepsy.

Geller EB, Skarpaas TL, Gross RE, Goodman RR, Barkley GL, Bazil CW, Berg MJ, Bergey GK, Cash SS, Cole AJ, Duckrow RB, Edwards JC, Eisenschenk S, Fessler J, Fountain NB, Goldman AM, Gwinn RP, Heck C, Herekar A, Hirsch LJ, Jobst BC, King-Stephens D, Labar DR, Leiphart JW, Marsh WR, Meador KJ, Mizrahi EM, Murro AM, Nair DR, Noe KH, Park YD, Rutecki PA, Salanova V, Sheth RD, Shields DC, Skidmore C, Smith MC, Spencer DC, Srinivasan S, Tatum W, Van Ness PC, Vossler DG, Wharen RE Jr, Worrell GA, Yoshor D, Zimmerman RS, Cicora K, Sun FT, Morrell MJ.

Epilepsia. 2017 Jun;58(6):994-1004. doi: 10.1111/epi.13740. Epub 2017 Apr 11.

 

Chronische Schmerzen

Motor cortex stimulation for chronic pain.

Ostergard T, Munyon C, Miller JP.

Neurosurg Clin N Am. 2014 Oct;25(4):693-8. doi: 10.1016/j.nec.2014.06.004. Epub 2014 Aug 3. Review.

 

Motor cortec stimulation for Refractory Benign Pain

Clinical Neurosurgery 54, Chapter 12, 2007

Machado A, Azmi H, Rezai A