ArchivDeutsches Ärzteblatt18/2021Innovative Aphasietherapie: Elektronischer Logopädieassistent gesucht

MEDIZINREPORT

Innovative Aphasietherapie: Elektronischer Logopädieassistent gesucht

Heim, Thomas M.

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Die hochfrequente Logopädie zur Therapie der Aphasie verlangt hohe Motivation und Übungsdisziplin. Dennoch gelingt es nicht immer, damit wieder vollständig oder teilweise flüssig sprechen zu lernen. Neurofeedback und Hirnstimulation könnten hier möglicherweise unterstützen.

Traditionelles Setting beim Aphasietraining: Die Logopädin hilft dem Patienten, mittels Bildmaterial Wörter und Redewendungen zu identifizieren und mit Sprachbausteinen neu einzuüben. Foto: picture alliance/Holger Hollemann
Traditionelles Setting beim Aphasietraining: Die Logopädin hilft dem Patienten, mittels Bildmaterial Wörter und Redewendungen zu identifizieren und mit Sprachbausteinen neu einzuüben. Foto: picture alliance/Holger Hollemann

Subjektiv belastet die Aphasie als Folge eines Schlaganfalls mit am stärksten: Ist das Broca-Areal geschädigt, können die Patienten und Patientinnen keine Worte und Sätze mehr bilden. Mit Abstand am häufigsten geschieht dies bei Verschluss der linken A. cerebri media, da die sprachdominante Hemisphäre meist die linke ist.

Ein vielversprechender Therapieansatz ist es, die logopädische Rehabilitation mit Gehirnstimulationsmethoden zu unterstützen. In den bisher relevanten Studien wurden 2 verschiedene nichtinvasive und schmerzlose Stimulationsverfahren verwendet: Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) und die repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS).

Bei der tDCS wird über Kopfhautelektroden Gleichstrom mit einer Stromdichte von circa 2 Milliampere (mA) über etwa 10–20 Minuten anhaltend appliziert. Dadurch werden die an Kortexoberfläche versammelten Nervenzellsomata in einem Bereich von wenigen Zentimetern polarisiert. Das heißt: die Ladung wird bei anodaler Stimulation in Richtung positiv, bei kathodaler Stimulation eher in Richtung negativ verschoben. Durch die Polarisierung wird die Bereitschaft der Nervenzellen zu „feuern“, also Aktionspotenziale zu bilden, verändert – beispielsweise im Motorkortex.

Dabei führt die anodale Stimulation in der Regel zur erhöhten, die kathodale zur verminderten neuronalen Erregbarkeit. Bei der rTMS appliziert man wiederholt über eine auf den Schädel aufgelegte Spule (Bild) magnetische Impulse (Stärke bis zu 3 Tesla), die einige 100 Mikrosekunden dauern. Diese starken Magnetfeldpulse können die Schädelkalotte leicht durchdringen und rufen im Kortex einen kurzen Induktionsstrom hervor. Bei konventioneller TMS reichen diese Impulse 1,5–2 cm tief. Eine ausreichender Reizstärke kann in den Axonen Aktionspotenziale induzieren, wie, ist jedoch weitgehend ungeklärt.

Ob dies unter TMS gelingt, hängt unter anderem von der räumlichen Ausrichtung der Axone in Bezug zum elektrischen Feld ab. Die Aktionspotenziale können wiederum über synaptische Verbindungen nachgeschaltete Neuronen aktivieren oder hemmen. Da das Gehirn hoch vernetzt ist, werden also immer gleich ganze Neuronenverbände aktiviert, die sich über das gesamte Gehirn erstrecken können.

Stimulationsfrequenzen von > 1 Hz wirken in der Summe exzitatorisch auf das stimulierte Areal, diejenigen < 1 Hz inhibitorisch. Die TMS selbst ist nicht neu und findet seit etwa 30 Jahren breiten Einsatz in der Diagnostik und zur Erforschung neurologischer Erkrankungen. So kann – beispielsweise bei Menschen mit Paresen – durch Stimulation des Motorkortex geprüft werden, ob dieser und die Weiterleitung motorischer Efferenzen über den Tractus corticospinalis noch funktionieren. Ist die Pyramidenbahn intakt, löst man mit TMS Kontraktionen in der nachgeschalteten Muskulatur aus – etwa in der Gliedmaße, die im stimulierten Kortexareal repräsentiert ist.

Was den Einsatz nichtinvasiver Hirnstimulationsverfahren zur Aphasiebehandlung nach ischämischem Schlaganfall angeht, sind sind jedoch noch viele Fragen offen. Sie waren auch Thema auf dem diesjährigen Online-Kongress der Deutschen Gesellschaft für Klinische Neurophysiologie (DGKN).

Inhibition versus Disinhibition

Unklar ist beispielsweise, welche Gehirnregionen stimuliert werden sollten und ob die inhibitorische oder die exzitatorische Neuronenaktivität verstärkt werden soll. Dabei dürfte unter anderem eine Rolle spielen, dass auf der vom Schlaganfall betroffenen Seite – bei Aphasie meist die linke Hemisphäre mit dem dort gelegen Broca-Sprachzentrum – eine verminderte Gehirnaktivität gemessen wird, im korrespondierenden Areal der kontralateralen Hemisphäre, dem Broca-Homolog, aber oft eine pathologisch erhöhte.

Grund dafür ist vermutlich eine maladaptive transkallosale Disinhibition über den Balken als Verbindung beider Gehirnhälften (1). Die Mehrzahl der neueren tDCS-Studien waren auf die Stimulation der linken Hemisphäre und dort auf die an die Läsion angrenzenden Areale fokussiert. In den meisten rTMS-Studien wiederum wurde das Broca-Homolog rechtshemisphärisch gehemmt – mit dem Ziel, über die transkallosale Inhibition die Exzitabilität der geschädigten – linken, sprachrelevanten – Hirnregion zu erhöhen. An gesunden Versuchspersonen bewirkte eine Stimulation des rechten posterolateralen Zerebellums bessere Sprachflüssigkeit und neuronale Konnektivität in sprachrelevanten motorischen Regionen. Allerdings handelt es sich um unbestätigte, vorläufige Beobachtungen (2, 3).

PD Dr. phil. Gesa Hartwigsen erklärte auf dem DGKN-Kongress, dass bei der Frage, ob zur sprachrelevanten Reorganisation nach Schlaganfall eher periläsionale Anteile der betroffenen oder kontraläsionale Anteile der nicht betroffenen Hirnhälfte rekrutiert werden, vermutlich die Größe der Läsion entscheidend ist. Bei kleinen Läsionen werde eher periläsional rekrutiert, bei großen zusätzlich kontralateral (4). Auch auf den Zeitpunkt komme es wahrscheinlich an, so die Forscherin vom Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig. In der akuten und frühen subakuten Insultphase könne eine Hochregulation der exzitatorischen Aktivität kontraläsional die Spracherholung eher begünstigen. Später seien eher eine Inhibition der kontraläsionalen und eine Hochregulation der periläsionalen Areale von Vorteil (5). Weitere Einflussfaktoren sind unter anderem Aphasietyp und Art der sprachbezogenen Defizite sowie Zeitpunkt, Protokoll und Intensität der Stimulation.

Zum Einsatz von tDCS und rTMS in der Aphasiebehandlung nach Schlaganfall wurden in den letzten fünf Jahren mehr als 30 klinische Studien publiziert, die meisten davon randomisiert doppelblind und plazebokontrolliert. In den jeweiligen Studien wurden unterschiedliche Stimulationsorte und Zielparameter verwendet. Registrierte positive Effekte bezogen sich unter anderem auf die Wortfindung, die Sprachflüssigkeit und die Fähigkeit, gezeigte Gegenstände zu benennen (3).

Die gemessenen Effektstärken sind allerdings nach Abzug des Plazeboeffekts moderat. „Letzterer ist bei einer solchen auf das Gehirn abzielenden High-Tech-Methode besonders ausgeprägt“, erklärt Dr. med. Christoph Zrenner, Hertie-Institut für klinische Hirnforschung, Tübingen, im Gespräch mit dem Deutschen Ärzteblatt. Bisher erlauben die bisherigen klinischen Daten noch keine abschließende Beurteilung der insgesamt sehr unterschiedlichen methodischen Varianten von tDCS und rTMS .

rTMS „wahrscheinlich wirksam“

In den evidenzbasierten Leitlinien einer europäischen Expertengruppe zum therapeutischen Einsatz der rTMS wird die niedrigfrequente – also inhibitorische – rTMS des kontralateralen Broca-Homologs bei Aphasie mit eingeschränktem Sprachfluss (nonfluent aphasia) als „wahrscheinlich wirksam“ bezeichnet. Dies basiert auf vier randomisiert kontrollierten Studien mit allerdings eingeschränkter Qualität (6). Ziemann hat als Chef der neurologischen Uniklinik in Tübingen eine bundesweit einmalige TMS-Ambulanz eingerichtet. Auf dem DGKN-Kongress 2021 berichtete Dr. med. Brigitte Zrenner, die diese Ambulanz leitet, seit deren Gründung in 2018 hätten sich 134 Schlaganfallbetroffene dort vorgestellt, und 45 wurden in insgesamt über 800 Therapiesitzungen mit TMS behandelt.

Die durchschnittliche Zeit seit der Diagnose des Schlaganfalls betrug 5 Jahre. In rund einem Viertel der Fälle war der Behandlungsgrund eine Aphasie, bei allen anderen Behandelten eine Parese. Praktisch lief dies so ab, dass vor jeder Logopädie- oder Physiotherapiesitzung eine 30-minütige TMS durchgeführt wurde – 3-mal wöchentlich über insgesamt 6 Wochen. Bei den Aphasiepatienten besserten sich die Sprachfunktionen unter der TMS-Behandlung um 15,5 Punkte, gemessen im Vergleich zum Ausgangswert auf einer 210-Punkteskala der Aphasie-Checkliste.

Bei schwerwiegender Sprechapraxie war der Effekt allerdings eher klein. Die Apraxie betrifft die motorische Handlungsplanung – die spielt sich maßgeblich im präfrontal gelegenen motorischen Assoziationskortex ab, der bei ausgedehnten Schädigungen des Broca-Areals häufig mitbetroffen ist. Bei der Sprechapraxie ist das die koordinierte Aktivierung der sprechrelevanten Muskulatur. Sie kommt bei chronischer Aphasie nach Schlaganfall in etwa einem Drittel vor (7).

Möglicherweise könnten selbstlernende Systeme die Effekte von Hirn-Computer-Schnittstellen oder Brain-Computer-Interfaces (BCI) bei der Aphasietherapie künftig erheblich steigern. Beim BCI-gesteuerten Biofeedback ohne Hirnstimulation korreliert der Computer während der Logopädiesitzung in Echtzeit EEG-Daten mit den synchron dazu eintretenden Lernerfolgen. Nach und nach erkennt er immer besser, welche Hirnaktivierungsmuster mit erfolgreichem Sprachlernen einhergehen.

Ebenfalls in Echtzeit bekommt die übende Person das Feedback, wie „lernfreundlich“ ihr Hirnaktivierungsmuster gerade ist, etwa in unterschiedlich großen Balken oder in Form akustischer Signale. Erste Erfahrungen mit diesem Ansatz konnten beispielsweise bereits am Forschungszentrum BrainLinks–BrainTools an der Universität in Freiburg gesammelt werden (8).

Laut Ziemann sind die Ergebnisse mit solchen biofeedbackgesteuerten Aphasiebehandlungen ersten Pilotstudien zufolge sehr ermutigend. Manchen Aphasiepatienten, die nach längerer und teilweise erfolgreicher Logopädie schließlich keine weiteren Fortschritte mehr erzielten, gelang mithilfe der BCI-gestützten Logopädie noch einmal ein beachtlicher Sprung in Richtung flüssige Sprache.

Training mit rTMSStimulationsspule links am Kopf: Beim Neurofeedback meldet der Computer die richtige Wahl zwischen rot oder grün zurück. Der Closed- Loop-Ansatz nutzt die Auswahl zusätzlich, um die Stimulation nach und nach zu optimieren. Foto: MPI CBS
Training mit rTMSStimulationsspule links am Kopf: Beim Neurofeedback meldet der Computer die richtige Wahl zwischen rot oder grün zurück. Der Closed- Loop-Ansatz nutzt die Auswahl zusätzlich, um die Stimulation nach und nach zu optimieren. Foto: MPI CBS

Die mehr als 80 Milliarden ZNS-Neurone sind so stark untereinander vernetzt, dass jedes einzelne über maximal sechs Zwischenschritte mit jedem anderen in Kontakt steht. Störungen der Gehirnfunktion sind daher immer komplexe Netzwerkstörungen. Will man unterbrochene Verbindungen wiederherstellen und entsprechende Reorganisationsprozesse unterstützen, dann ist nach Ziemanns Einschätzung die Stimulation mehrerer, unter Umständen weit voneinander entfernter Gehirnareale am erfolgversprechendsten.

Darauf setzt das EU-geförderte Projekt ConnectToBrain, das derzeit an der Universität Tübingen, der Aalto-Universität in Finnland und der Universität Chieti-Pescara in Italien umgesetzt wird. Herzstück des Projekts ist die Entwicklung eines 50 TMS-Spulen-Helms, dessen überlappende Stimulationsfelder die gesamte Großhirnrinde abdecken.

Eine weitere Besonderheit von ConnectToBrain ist der sogenannte Closed-Loop-Ansatz: Die Stimulation, also Zahl und Stärke der TMS-Pulse, wird – anders als bei den meisten bisherigen Studien – nicht nach einem festgelegten Protokoll appliziert, sondern berücksichtigt die aktuelle neuronale Aktivität, die mittels Echtzeit-Analyse von EEG-Daten beurteilt wird. „In Studien konnten wir zeigen, dass der therapeutische Effekt der Stimulation größer ist, wenn eine Netzwerkverbindung ohnehin schon aktiv ist“, erläutert Ziemann.

Closed-Loop-Stimulation

Das Prinzip von Closed Loop ist dem des beschriebenen Neurofeedbacks ähnlich. EEG-Daten und erfolgreiches Lernen werden auch dabei in Echtzeit miteinander korreliert. Der Zustand der Gehirnaktivität wird aber – anders als beim Biofeedback – nicht der übenden Person visuell oder akustisch zurückgemeldet, sondern moduliert räumliche Verteilung, Intensität und Timing der Hirnstimulations-Impulse.

Dabei lernt der Computer nach und nach, wie er „lerngünstige“ neuronale Netzwerkaktivierungsmuster durch die Stimulation gezielt begünstigen oder verstärken kann. Die hohe Zahl der bei ConnectToBrain über die gesamte Schädelkonvexität verteilten Spulen scheint für eine solche hochflexible Stimulation besonders geeignet zu sein. Es wird zwar noch mehrere Jahre dauern, bis erste klinische Daten aus dem Forschungsprojekt generiert werden können, und da an erster Stelle Schlaganfallbetroffene mit Paresen rekrutiert werden, werden Daten zur Aphasiebehandlung noch etwas später verfügbar sein. Da die herkömmliche hochfrequente logopädische Behandlung allein oft nur Teilerfolge erzielt und den von Aphasie Betroffenen eine sehr hohe Motivation und Übungsdisziplin abverlangt, sieht Ziemann jedoch ein großes Potenzial für selbstlernende Stimulationssysteme beim Aphasietraining und hier insbesondere den Closed-Loop-Ansatz. Er ist überzeugt, dass solche Technologien in den kommenden 10 Jahren die Therapie der Folgen eines Schlaganfalls und anderer neurologischen Netzwerkerkrankungen revolutionieren werden. Dr. med. Thomas M. Heim

Literatur im Internet:
www.aerzteblatt.de/lit1821
oder über QR-Code.

1.
Darkow R, Martin A, Würtz A, et al.: Transcranial direct current stimulation effects on neural processing in post-stroke aphasia. Hum Brain Mapp 2017; 38: 1518–31 CrossRef MEDLINE PubMed Central
2.
Turkeltaub PE, Swears MK, D’Mello AM, Stoodley CJ: Cerebellar tDCS as a novel treatment for aphasia? Evidence from behavioral and resting-state functional connectivity data in healthy adults. Restor Neurol Neurosci 2016; 34: 491–505 CrossRef MEDLINE PubMed Central
3.
Breining BL, Sebastian R: Neuromodulation in post-stroke aphasia treatment. Curr Phys Med Rehabil Rep 2020; 8: 44–56 CrossRef MEDLINE
4.
Hartwigsen G, Siebner HR: Novel methods to study aphasia recovery after stroke. Front Neurol Neurosci 2013; 32: 101–11 CrossRef MEDLINE
5.
Hartwigsen G: Adaptive Plasticity in the Healthy Language Network: Implications for Language Recovery after Stroke. Neural Plast 2016; 2016: 9674790 CrossRef MEDLINE PubMed Central
6.
Lefaucheur JP, Aleman A, Baeken C, et al.: Evidence-based guidelines on the therapeutic use of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS): An update (2014–2018). Clin Neurophysiol 2020; 131: 474–528 CrossRef CrossRef MEDLINE
7.
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