ArchivDeutsches Ärzteblatt45/2003Transkranielle Magnet- und Gleichstromstimulation

MEDIZIN: Kongressberichte und -notizen

Transkranielle Magnet- und Gleichstromstimulation

Dtsch Arztebl 2003; 100(45): A-2960 / B-2455 / C-2304

Paulus, Walter

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LNSLNS Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein schmerzloses Verfahren, bei dem beim Menschen auf der Kopfoberfläche ein sehr kurzes Magnetfeld von < 1 ms über eine Spule appliziert wird. Die Intensität liegt in der Größenordnung des statischen Magnetfeldes eines Kernspintomographens von etwa 1 bis 2 Tesla. Im Gehirn, wie auch bei peripherer Stimulation in peripheren Nerven, wird hierdurch ein sehr kurzer Stromfluss induziert, der wiederum in der Lage ist, neuronale Entladungen vergleichsweise fokal in einem Areal von mehreren cm3 zu generieren. Hierüber wurde auf der 2. internationalen Konferenz für transkranielle Magnetstimulation und transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS), die im Juni 2003 in Göttingen stattfand, berichtet. Unterstützt wurde das Treffen durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Deutsche Gesellschaft für Klinische Neurophysiologie und funktionelle Bildgebung sowie durch das Land Niedersachsen.
Methodische Grundlagen
Die Einzelpuls-TMS hat seit 1985 einen festen Platz in der neurologischen Routinediagnostik, um zum Beispiel zentralnervöse Leitungszeiten im motorischen System zu erfassen und Verzögerungen, beispielsweise bei multipler Sklerose, in der induzierten EMG-Aktivität der Extremitätenmuskulatur zu objektivieren. Die repetitive TMS (rTMS) besteht aus einer meist regelmäßigen Abfolge von oft mindestens 1 000 Impulsen. Niedrige Impulsraten von 1 Hz hemmen eher, höhere dagegen bahnen kortikale Erregbarkeit. Kurze rTMS-Folgen erzeugen keine Nacheffekte, sie werden vorzugsweise bei neuropsychologischen Fragestellungen eingesetzt, um kurzzeitige reversible kortikale Funktionsstörungen, zum Beispiel bei der Wahrnehmung von Bewegungen, zu erreichen, erklärte Vincent Walsh, London. Auch das Gegenteil kann erzielt werden: Die Enthemmung von Projektionsarealen nach einem Schlaganfall kann vorübergehend vermindert werden. Hierbei erlaubt die gute räumliche und sehr gute zeitliche Auflösung die Zuordnung einzelner kortikaler Funktionen. Bei der transkraniellen Gleichstromstimulation wird ein Kontakt zur Kopfhaut durch zwei großflächige Elektroden hergestellt. Hier wird über einen sehr schwachen kontinuierlichen Stromfluss eine geringe Membranpotenzialverschiebung kortikaler Zellen induziert. Diese bewirkt wiederum, je nach Stromflussrichtung, eine Zunahme oder Hemmung der neuronalen Entladungsraten. Dieses einfache Verfahren datiert zurück in die 1960er-Jahre und wird, so Nils Birbaumer, Tübingen, mit sehr guten tierexperimentellen Daten und gelegentlichen Untersuchungen bei Menschen untermauert. Letztere waren fast wieder beendet worden, weil lange Zeit ein effizientes Validierungsinstrument fehlte, um intendierte plastische zerebrale Veränderungen auch zu belegen. Außerdem wurde nach dem heutigen Erkenntnisstand meist zu kurz stimuliert, um plastische Veränderungen zu induzieren. Erst im Jahre 2000 konnte mithilfe der TMS belegt werden, dass eine mehrminütige kontinuierliche Stimulationsdauer erforderlich ist, um überdauernde Erregbarkeitsveränderungen zu erreichen, betonte Michael Nitsche, Göttingen.
Klinische Einsatzmöglichkeiten
Vor allem am Motorkortex lassen sich eine Vielzahl pathologischer Befunde bei diversen Erkrankungen demonstrieren. So ist zum Beispiel bei Dystoniepatienten die so genannte „Umgebungshemmung“ in der Peripherie der Kortexareale, die agonistische Bewegungen koordinieren, gestört, was wahrscheinlich zu dem Übermaß an Bewegung beiträgt, erklärte Mark Hallett, Bethesda, USA. Durch positronenemissionstomographische (PET) Untersuchungen während rTMS mit einer Frequenz von 1 Hz über dem prämotorischen Kortex konnte, so Hartwig Siebner, Kiel, eine ausgedehntere und intensivere Aktivierung bei Patienten mit einer Armdystonie im Vergleich zu normalen Probanden gezeigt werden. Überhaupt stellt die Ergänzung und Validierung neurophysiologischer Daten durch bildgebende Verfahren wie PET und funktionelle Kernspintomographie einen weiteren wesentlichen Fortschritt dar, erläuterte Jürgen Bandewig, Göttingen. So schien es vor wenigen Jahren noch methodisch utopisch, Magnetstimulation innerhalb eines Kernspintomographiegerätes durchführen zu können.
Besonderes Interesse finden therapeutische Perspektiven. Bei der rTMS und der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) sind die Erregbarkeitsänderungen proportional zur Stimulationsdauer oder zur Anzahl der rTMS-Stimuli und bleiben über die Stimulationsdauer hinaus erhalten. Hieraus ergibt sich die potenzielle Anwendung, neurologische oder psychiatrische Erkrankungen, die mit Änderungen der kortikalen Exzitabilität verbunden sind, über längere Zeiträume zu beeinflussen. Vorrangig sind daher derzeit Sicherheitsstudien, die die Risikofreiheit der Anwendung beim Menschen auch für längere Stimulationsnacheffekte belegen.
Klinisch am greifbarsten ist der Einsatz der rTMS in der Psychiatrie. Bei schwerstkranken depressiven Patienten wird als Ultima Ratio eine Elektrokrampftherapie durchgeführt. Hier findet man positronenemissionstomographisch häufig eine Hypometabolisierung im linken dorsolateralen präfrontalen Kortex. Durch hochfrequente rTMS von 1 000 und mehr Impulsen täglich über eine bis mehrere Wochen wird beabsichtigt, diese Unterfunktion zu eliminieren und eine Besserung der depressiven Symptomatik zu erzielen. Frank Padberg, München, hob hervor, dass entsprechende klinische Studien an mehreren deutschen Universitätskliniken durchgeführt werden. Der Einsatz der rTMS zum Beispiel bei therapieresistenten Epilepsien oder bei chronischem Schmerz befindet sich in einem früheren experimentellen Stadium. Durch eine besonders niedrige Repetitionsfrequenz lässt sich überwiegend eine Hemmung induzieren. Eine randomisierte kontrollierte Studie bei Epilepsie wird, so Frithjof Tergau, Göttingen, derzeit in Deutschland multizentrisch durchgeführt.
Optimierung der Stimulationsparameter
Die Erforschung der physiologischen Grundlagen von rTMS und tDCS bildet die Grundlage, um entsprechende Stimulationsparameter weiter zu optimieren. So hat die physikalische Pulsform der rTMS Einfluss auf die Dauer der Nacheffekte. Die so genannte monophasische Stimulation induziert längere Nacheffekte als biphasische. Letztere führt zu einem symmetrischen Hin- und Herschwingen des Stromflusses im Gewebe, wohingegen eine monophasische Stimulation eine schnellere Anstiegsphase mit einer langsameren Abklingphase verknüpft. Durch weitere Modulation der Pulsform lassen sich wahrscheinlich durch TMS gleichstromähnliche Effekte erzielen, ergänzte Martin Sommer, Göttingen.
Die biologischen Effekte können nur in enger Anlehnung an die Erkenntnisse aus der neurophysiologischen Grundlagenforschung verstanden werden. Sowohl die Nacheffekte der rTMS als auch der tDCS finden ihr Korrelat möglicherweise in der Langzeitpotenzierung (LTP) oder Langzeithemmung (LTD), die in einzelnen Neuronen sehr gut untersucht wurden. LTP und LTD stützen sich auf die Aktivierung von glutamatergen NMDA-Rezeptoren (NMDA, N-Methyl-D-Aspartat). Analog lassen sich beim Menschen nach Applikation des NMDA-Antagonisten Dextromethorphan, der als Husten hemmendes Mittel im Handel ist, sowohl rTMS- als auch tDCS-Nacheffekte eliminieren.
In Untersuchungen mit Menschen wird das motorische System modellhaft verwendet, weil die durch TMS induzierten elektromyographischen Exzitabilitätsänderungen – meist an kleinen Handmuskeln gemessen – einfach erfasst werden können. Die Ausgangsantwort aus dem Motorkortex nach kurzem Reizimpuls besteht aus einer direkten (D-wave) und mehreren indirekten (I-waves) Antworten. Diese wurden erstmals vor 50 Jahren tierexperimentell von Vahe Amassian, New York, beschrieben. Insbesondere die späten I-waves wurden, so Amassian während des Symposiums, in Primatenexperimenten durch Stimulation prämotorischer Areale aktiviert. Informationen über die Modulation humaner I-waves konnten kürzlich durch Studien einer italienischen Arbeitsgruppe gewonnen werden.
Vincenzo Di Lazzaro, Rom, wies darauf hin, dass eine direkte Registrierung beim Menschen im zervikalen Spinalmark durch Elektroden vorgenommen wurde, die im Rahmen einer invasiven Schmerztherapie implantiert wurden. Daten deuten darauf hin, dass einzelne I-waves durch Variation physikalischer Parameter wie Spulenorientierung und Magnetfeldintensität gezielt beeinflusst werden können.
Weitere gezielte Aktivierungen sowohl hemmender als auch bahnender Mechanismen werden durch gepaarte Magnetreize unterschiedlicher Intervalle und Intensitäten ermöglicht und durch die Kombination von rTMS und tDCS mit Pharmaka, die im zentralen Nervensystem wirken. Es existieren viele Untersuchungen, die die Einflüsse von Neurotransmittern wie Acetylcholin, GABAA-, GABAB-Agonisten und NMDA-Antagonisten, von Neuromodulatoren wie Dopamin und Serotonin oder von Na+-/Ca2+-Membrankanalantagonisten aufzeigen, erklärte Ulf Ziemann, Frankfurt. Diese und weitere Pharmaka werden wahrscheinlich in Zukunft erlauben, aus allen im Bereich des induzierten Stromflusses aktivierten Neuronen zielgerichtet diejenigen pharmakologisch zu blockieren, deren Aktivierung unerwünscht ist.
Kortikale Plastizität
Die Dokumentation und Modulation kortikaler Plastizität, wie sie zum Beispiel nach Amputation oder Schlaganfall, aber auch bei motorischem Lernen auftritt, ist von zentralem Interesse. So konnte zum Beispiel Joseph Classen, Würzburg, besonders lang anhaltende Exzitabilitätsveränderungen aufzeigen, die sich nach gepaarter peripherer Nerv- mit kortikaler Magnetstimulation erzeugen ließen. Von der Gruppe um John Rothwell, London, wurde mehrfach gezeigt, dass Stimulation über prämotorische Areale die Erregbarkeit des Motorkortex nachhaltig verändern kann und damit auch die Funktion von Projektionsarealen beeinflusst, was möglicherweise ein große Rolle bei psychiatrischen oder neurologischen Erkrankungen spielen wird. Es wurde nachgewiesen, dass wiederholte rTMS am nächsten Tag bereits deutlich effizientere Nacheffekte aufweisen. Ferner wurden erste Ergebnisse präsentiert, die darauf hindeuten, dass sich motorisches Lernen besonders durch anodale tDCS bessern lässt.
Die besondere Plastizität des Gehirns ließ sich durch die Kombination von tDCS und rTMS belegen: Nach vorangehender Hemmung des Motorkortex durch kathodale tDCS wies nach Angaben von Nicolas Lang, Göttingen, und Hartwig Siebner, Kiel, die ansonsten eher hemmende 1-Hz-rTMS plötzlich bahnenden Charakter auf. Diese Bestandsaufnahme zeigte, dass die Zukunft in diesem faszinierenden Gebiet erst begonnen hat.


Ein Teil der Konferenzbeiträge ist im Elsevier-Verlag erschienen: Paulus W, Tergau F, Nitsche MA, Rothwell J, Ziemann U, Hallett M (eds): Transcranial magnetic stimulation and transcranial direct current stimulation. Clinical Neurophysiology 2003, Supplement 56.


Prof. Dr. med. Walter Paulus
Abteilung Klinische Neurophysiologie
Universität Göttingen
Robert Koch Straße 40
37075 Göttingen

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