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 vielfÀltiger 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 fĂŒr neue innovative Therapien. Voraussetzung fĂŒr das Funktionieren solcher Therapien ist es zunĂ€chst, entscheidenden neuronale bzw. behaviorale (also verhaltensgesteuerte) Biomarker zu ermitteln, aus denen sich der aktuelle Zustand des Patienten ablesen lĂ€sst. Anschließend muss aus diesen Daten die StĂ€rke der erforderlichen therapeutischen Stimulation ermittelt werden.

Einige Beispiele fĂŒr solche Therapien beschreiben wir im Folgenden.

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

Die Parkinson-Erkrankung betrifft weltweit ĂŒber eine Million Menschen. Das macht sie nach der Alzheimer-Krankheit zur zweithĂ€ufigsten 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, vornĂŒber gebeugter Gang und maskenhafter Gesichtsausdruck.

Das Potential der Neurotechnologie

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

In diesem Stadium kann vielen Patienten mit einer Behandlung durch Hirnstimulation ĂŒber 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 einzudĂ€mmen. Das Zittern wird unterdrĂŒckt und die BewegungsfĂ€higkeit 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).

Stand der Forschung und Technik

Vor ca. 20 Jahren wurden die ersten Stimulationssysteme zur Behandlung der fortgeschrittenen Parkinson-Krankheit fĂŒr 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. DarĂŒber hinaus kann die gleichmĂ€ĂŸige Stimulation Nebenwirkungen produzieren oder manchmal auch bestimmte Symptome nicht ausreichend verbessern (HĂžjlund et al., 2016; Nassery et al., 2016). All dies beeintrĂ€chtigt den Behandlungserfolg und damit die Zufriedenheit und LebensqualitĂ€t 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 nĂ€chste 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.

Lösungen auf Basis von CorTec-Technologie

Um die QualitĂ€t der Stimulationstherapie zu verbessern und mehr am Bedarf des Patienten auszurichten, ist zum einen eine zuverlĂ€ssige Detektion von Hirnsignalen erforderlich, die Auskunft ĂŒber den aktuellen Zustand des Patienten gibt. HierfĂŒr 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 FunktionalitÀt des Systems demonstrieren sollen.

– fĂŒr Anfallskontrolle in der Epilepsie

Epilepsie ist eine der hĂ€ufigsten neurologischen Erkrankungen. Ca. 1 % aller Menschen erleidet im Laufe ihres Lebens einen oder mehrere epileptische AnfĂ€lle. Die Symptome dieser AnfĂ€lle sind vielfĂ€ltig und reichen von kurzen mentalen „Abwesenheiten“ (sogenannten „Absencen“) bis hin zu den gefĂŒrchteten „Grand Mal“-AnfĂ€llen, begleitet von StĂŒrzen und unkontrollierten Zuckungen.

Da die AnfĂ€lle in der Regel nicht vorhersehbar sind, leben die Betroffenen in stĂ€ndiger Angst und sind in ihrem Alltag erheblich beeintrĂ€chtigt. Viele Epilepsie-Patienten dĂŒrfen z.B. wegen der stĂ€ndigen Gefahr eines Anfalls nicht Auto fahren oder bestimmte Maschinen bedienen.

Ursache der Epilepsie sind ĂŒbersteigerte ErregungszustĂ€nde im Gehirn, die sich gegenseitig verstĂ€rken, 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.

Das Potential der Neurotechnologie

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 mĂŒssen, meist mit Nebenwirkungen verbunden.

Mit Hilfe gezielter elektrischer Stimulation lĂ€sst sich die Ausbreitung von unkontrollierten ErregungszustĂ€nden im Gehirn eindĂ€mmen. Ein sich anbahnender epileptischer Anfall kann dadurch unterbrochen oder sogar verhindert werden (Hartshorn & Jobst 2018). Entscheidend dafĂŒr ist die rechtzeitige und zuverlĂ€ssige Detektion eines aufkommenden Anfalls, die als Auslöser fĂŒr die Stimulation dienen soll.

Stand der Forschung und Technik

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

FĂŒr eine bedarfsabhĂ€ngige Stimulation der Hirnrinde, die sich anbahnende AnfĂ€lle 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 KanĂ€len und kann nur sehr einfache Auswertungen der HirnaktivitĂ€t ausfĂŒhren, so dass eine prĂ€zise 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.

Lösungen auf Basis von CorTec-Technologie

Die flachen °AirRay Grid-Elektroden von CorTec können GehirnaktivitĂ€t messen und stimulieren. Sie sind fĂŒr 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 dafĂŒr eingesetzt werden, aufkommende epileptische AnfĂ€lle 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 FlexibilitĂ€t. Somit ist das System dafĂŒr 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 FunktionalitÀt des Systems demonstrieren sollen.

– fĂŒr die Therapie von chronischen Schmerzen

Bestimmte Arten von chronischen Schmerzen haben physiologisch keine behandlungsbedĂŒrftige Ursache, beeintrĂ€chtigen die Betroffenen aber aufgrund ihrer IntensitĂ€t dennoch enorm. Derartige Schmerzen können zentralnervösen Ursprungs sein, z.B. nach SchlaganfĂ€llen. Ebenso können sie als Folgen von Neuropathien, etwa des Trigeminus Nervs, auftreten.

Das Potential der Neurotechnologie

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

Hierzu werden gitterartige Folien-Elektroden (auch Grid-Elektroden genannt) ĂŒber dem Motorcortex auf der Ă€ußeren Hirnhaut fixiert und mit einem Neurostimulator verbunden. Die elektrischen Stimulationspulse, die an das Gewebe abgegeben werden, sorgen fĂŒr eine Linderung des SchmerzgefĂŒhls.

Stand der Forschung und Technik

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

Lösungen auf Basis von CorTec-Technologie

Die flachen °AirRay Grid-Elektroden von CorTec eignen sich grundsĂ€tzlich fĂŒr 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 grĂ¶ĂŸtmögliche FlexibilitĂ€t fĂŒr 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 FunktionalitÀt des Systems demonstrieren sollen.

WeiterfĂŒhrende Links und Literatur

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