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

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