Neuromodulation in der neuropsychologischen Rehabilitation: Anwendungen, Vorteile und Zukunft der nichtinvasiven Hirnstimulation

Der klinische Neuropsychologe Gabriel Perea Guzmán analysiert, wie die nichtinvasive Neuromodulation (tDCS, tACS, tRNS, TMS) die neuropsychologische Rehabilitation stärkt, welche klinischen Anwendungen sie hat und welche Zukunftsperspektiven sie für das kognitive Training bietet.

Einleitung

Seit Hunderten von Jahren verändert die Menschheit ihre Gehirnaktivität mithilfe verschiedener Methoden und zu unterschiedlichen Zwecken, beispielsweise durch den rituellen Gebrauch von Meskalin und Ayahuasca, den Freizeitkonsum von Opium oder die therapeutische Anwendung von Cannabis. Die Geschichte der Nutzung von Pflanzen zu rituellen, medizinischen oder freizeitbezogenen Zwecken ist umfangreich. 

Die Menschheit hat jedoch auch versucht, die Gehirnaktivität mithilfe von Elektrizität zu verändern. Die Ägypter kannten die elektrischen Eigenschaften des Welses, doch erst bei Aristoteles und Platon wurde die medizinische Nutzung des Zitterrochens dokumentiert, der zur Behandlung von Migräne, Gichtanfällen und anderen Beschwerden eingesetzt wurde. Ja, die erste Elektrizitätsquelle für die Neuromodulation war ein Fisch. 

Es vergingen mehrere Jahrhunderte, bis Otto von Guericke 1660 den elektrostatischen Generator baute, der als erster elektrischer Stimulator nichttierischen Ursprungs gilt. Von diesem Zeitpunkt an verlief die Geschichte der Neuromodulation rasant, in manchen Epochen stärker als in anderen. 

Was ist Neuromodulation in der Neurorehabilitation? 

Ein Teil der Funktionsweise des zentralen und peripheren Nervensystems beruht auf zwei Subsystemen: einem elektrischen und einem chemischen. Beide sind voneinander abhängig; verändert man eines, verändert man auch das andere. Epilepsie ist das beste Beispiel dafür, wie eine hyper synchronisierte Erregung die Glutamat- und Dopaminspiegel verändert. 

Natürlich gehen auch andere neuropsychiatrische Krankheitsbilder mit einer tiefgreifenden elektrochemischen Veränderung verschiedener Gehirnnetzwerke einher, die sich in kognitiven und verhaltensbezogenen Beeinträchtigungen äußert.

Definition der Neuromodulation

Die Fähigkeit, die Gehirnaktivität zu therapeutischen Zwecken zu verändern, wird als Neuromodulation bezeichnet. Der Begriff bezieht sich auf die Herbeiführung von Veränderungen der neuronalen Aktivität durch die Anwendung elektrischer oder magnetischer Reize in mehr oder weniger spezifischen Bereichen, um Veränderungen der Kognition sowie der emotionalen und verhaltensbezogenen Regulation zu bewirken. 

Arten der Neuromodulation: invasiv und nichtinvasiv

Man unterscheidet zwei Arten der Neuromodulation: die invasive und die nichtinvasive. 

Zur invasiven Neuromodulation gehört die Tiefe Hirnstimulation oder DBS (Deep Brain Stimulation), eine Technik, die seit Jahrzehnten bei Erkrankungen wie Parkinson oder Zwangsstörungen eingesetzt wird. Dabei werden in einem chirurgischen Eingriff ein oder mehrere Stimulatoren implantiert, die elektrische Impulse abgeben und dadurch die Gehirnaktivität verändern. 

Wenn wir dagegen von nichtinvasiver Neuromodulation sprechen, beziehen wir uns hauptsächlich auf die transkranielle Magnetstimulation (TMS) und die transkranielle elektrische Stimulation (tES).

Beide nutzen ein elektrisches Feld, um die Aktivität von Schaltkreisen und Netzwerken im Gehirn zu regulieren oder zu verändern, tun dies jedoch auf unterschiedliche Weise. 

Transkranielle Magnetstimulation (TMS)

Bei der TMS wird durch eine Spule, durch die ein Strom hoher Intensität geleitet wird und die ein Magnetfeld erzeugt, ein Reiz appliziert. Die Spule wird so auf dem Kopf positioniert, dass der primäre Vektor senkrecht auf den zu stimulierenden Bereich gerichtet ist. 

Dieses Magnetfeld durchdringt Haut, Knochen und Hirnhäute und wird, sobald es die Neuronen erreicht, in ein sekundäres elektrisches Feld umgewandelt. Dadurch entstehen Aktionspotenziale, die sich über Schaltkreise oder Netzwerke ausbreiten. Je nach bestimmten Parametern wie der Frequenz kann eine stärkere oder geringere Erregbarkeit induziert werden.

Die TMS erhielt 2008 die erste Zulassung der Food and Drug Administration (FDA) zur Behandlung von Depressionen und wird im psychiatrischen Bereich am häufigsten eingesetzt. 

Sie wurde jedoch auch im Bereich der klinischen Neurologie zur Rehabilitation von Aphasien und sekundären motorischen Störungen nach zerebrovaskulären Ereignissen eingesetzt. 

Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS)

Die transkranielle elektrische Stimulation (tDCS) verwendet eine Elektrodenanordnung, die einen Stromkreis bildet, über den ein elektrischer Reiz zu den Neuronen der Großhirnrinde geleitet wird. Ihr wichtigster Wirkmechanismus ist die unterschwellige Modulation der Ruhemembranpotenziale. 

Im Gegensatz zur TMS, die Veränderungen der Aktionspotenziale hervorruft, moduliert die transkranielle elektrische Stimulation (tDCS) die spontane neuronale Aktivität; sie verändert also die Auslöseschwelle und damit die Wahrscheinlichkeit einer Entladung. Der physiologische Mechanismus, der der Induktion von Plastizität zugrunde liegt, ist hauptsächlich ein glutamaterger Prozess, an dem NMDA-Rezeptoren beteiligt sind. 

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Transkranielle Wechselstromstimulation (tACS)

Darüber hinaus gibt es verschiedene Möglichkeiten, das elektrische Feld zu applizieren, was der Technik eine größere Vielseitigkeit verleiht. 

Die am häufigsten eingesetzte transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) appliziert einen kontinuierlichen Strom geringer Intensität, der die Membranpotenziale moduliert – erregend oder hemmend, abhängig von der Polarität der Elektroden. 

Die Wechselstromstimulation (tACS) verwendet einen oszillierenden elektrischen Strom beziehungsweise eine Sinuswelle, die beeinflusst, wie die Oszillationen verschiedener Gehirnfrequenzen (Beta, Alpha, Theta usw.) synchronisiert werden.

Transkranielle Stimulation mit Zufallsrauschen (tRNS)

Schließlich verwendet die Stimulation mit Zufallsrauschen (tRNS) einen Strom, dessen Amplitude und Frequenz zufällig variieren.

Von den drei Verfahren ist die tRNS am wenigsten untersucht, während für die tDCS die umfangreichste Evidenz vorliegt. Die tACS gewinnt jedoch in der neuropsychologischen Rehabilitation zunehmend an Bedeutung, da sie Gehirnoszillationen modulieren kann. Alle stimulierten Bereiche – zumindest jene zwischen den beiden Elektroden – werden in ähnlicher Weise moduliert.

Integration der Neuromodulation in Rehabilitationsaufgaben

Bei der transkraniellen elektrischen Stimulation (tES) ist es entscheidend, die Anwendung der Technik durch Rehabilitationsaufgaben oder -paradigmen zu ergänzen. 

Wie wir wissen, zeigen ein oder mehrere Netzwerke bei der Bewältigung einer Aufgabe Veränderungen ihrer Aktivität; diese Veränderungen werden in räumlichen und zeitlichen Parametern kodiert. Mithilfe der genannten Techniken ist es möglich, die Erregung oder Hemmung eines oder mehrerer Knoten dieser Netzwerke zu modulieren, während die Person gleichzeitig die kognitiven Anforderungen einer Aufgabe bewältigt. Dadurch steigt oder sinkt die Wahrscheinlichkeit eines Verhaltens. 

Ein Beispiel ist die Durchführung eines tDCS-Protokolls mit anodischer Stimulation des linken präfrontalen Kortex bei 1,5 mA. Über fünfzehn 20-minütige Sitzungen werden dabei parallel Go/no-Go-Aufgaben eingesetzt, um die Inhibitionskontrolle bei Personen mit Aufmerksamkeitsdefizit mit vorwiegend hyperaktiv-impulsiver Ausprägung zu verbessern.

Wir dürfen nicht vergessen, dass tDCS, tACS und tRNS lediglich die Wahrscheinlichkeit einer Entladung verändern. Das Endergebnis hängt jedoch vom vorherigen physiologischen Zustand des Zielnetzwerks sowie von der Art der gleichzeitig stattfindenden Stimulation ab.

Parameter der kognitiven Neuromodulation

Das Ergebnis eines Neuromodulationsprogramms hängt von den folgenden Parametern ab:

• Montage: Darunter versteht man die Anordnung der Elektroden auf der Arbeitsfläche; üblicherweise wird das Internationale 10/20-System für EEG verwendet. Die Polarität der Elektroden bestimmt die Wahrscheinlichkeit einer Erregung (Anode) oder Hemmung (Kathode). 
• Elektrode: Elektroden sind elektrische Leiter, die den Kontakt mit dem nicht elektrischen Teil eines Stromkreises herstellen. Es gibt verschiedene Größen und Formen, was die Stromdichte beeinflusst; Ringelektroden ermöglichen dabei die stärkste Fokussierung der Intensität. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit wird stets eine Kochsalzlösung oder ein leitfähiges Gel verwendet.
• Ampere: Dies ist die Einheit zur Messung der Energiemenge, die pro Sekunde durch einen Stromkreis fließt. mA entsprechen einem Tausendstel Ampere; üblicherweise werden Stimulationsstärken von 1, 1,5 oder 2 mA verwendet. Im Allgemeinen werden in der pädiatrischen Neuromodulation 1 oder 1,5 mA eingesetzt, bei Erwachsenen dagegen 2 mA.
• Stromart: Es gibt drei Arten, den elektrischen Strom zu applizieren: Gleichstrom (tDCS), Wechsel- oder Sinusstrom (tACS) sowie Zufallsrauschen beziehungsweise zufälliger Stromfluss (tRNS).
• Gleichzeitige Stimulation: Damit ist das Vorhandensein oder Fehlen eines Paradigmas zur kognitiven Stimulation gemeint, beispielsweise Benennungsübungen während der anodischen Stimulation linker anteriorer Bereiche. Sie kann online erfolgen (gleichzeitig mit der Neuromodulation) oder offline (vor oder nach der Neuromodulation).
• Sitzungsdauer: Die meisten Sitzungen im klinischen Kontext dauern 20 bis 30 Minuten.
• Anzahl und Häufigkeit der Sitzungen: In nahezu allen klinischen Anwendungsprotokollen werden 15 bis 20 Sitzungen durchgeführt, höchstens zwei Sitzungen pro Tag, mit einer Ruhepause von zwei bis drei Stunden.

Diese Variablen werden miteinander kombiniert, um ein Protokoll zu strukturieren, das den Bedürfnissen der Patientinnen und Patienten sowie den therapeutischen Zielen entspricht.

Es ist dringend zu empfehlen, vor und nach der Durchführung des Protokolls eine Untersuchung vorzunehmen. Unsere Empfehlung lautet, dass diese Untersuchung eine physiologische Ebene mit EEG oder evozierten kognitiven Potenzialen, eine Verhaltensebene mit Skalen und Selbstauskünften sowie die kognitive Ebene mithilfe neuropsychologischer Tests oder Testbatterien umfasst.

Fazit

Die Kombination aus traditioneller neuropsychologischer Rehabilitation und nichtinvasiver Neuromodulation beginnt, therapeutische Ansätze zu verändern, und eröffnet ein chancenreiches Feld. Immer mehr Krankenhäuser und spezialisierte Zentren integrieren diese Techniken in ihre Programme, gestützt durch eine wachsende wissenschaftliche Evidenz und empirische Ergebnisse, die auf einen schnelleren Genesungsverlauf der Patientinnen und Patienten hindeuten.

Bei Kindern und Jugendlichen ist die transkranielle elektrische Stimulation die am häufigsten eingesetzte Technik. Ihr nichtinvasiver Charakter, ihre Mobilität und ihre einfache Anwendung machen sie zu einer zugänglichen und sicheren Alternative, insbesondere im Vergleich zur transkraniellen Magnetstimulation, die eine stärkere motorische Kontrolle seitens der Patientinnen und Patienten erfordert. Die elektrische Stimulation hat sich zudem zu spezifischeren Varianten wie der tACS weiterentwickelt. Diese verspricht positive Effekte auf die Kognition, da sie aufgrund ihres Potenzials, die Synchronisation von Oszillationen zwischen verschiedenen Netzwerken zu induzieren, bestimmte kognitive Prozesse stärken kann.

Um diese Fortschritte zu festigen, ist es jedoch unerlässlich, über strenge Evaluationssysteme zu verfügen, mit denen sich die tatsächlichen Auswirkungen der Interventionen messen lassen. Dazu müssen Veränderungen auf mehreren Ebenen bewertet werden: auf der Verhaltensebene mithilfe von Skalen wie BRIEF oder SENA, auf der elektrophysiologischen Ebene durch EEG-Aufzeichnungen und auf der kognitiven Ebene durch neuropsychologische Tests und Aufgaben. Nur so lässt sich die Reichweite der Neuromodulation in der klinischen Praxis klar bestimmen.

Es ist wichtig, daran zu denken, dass diese Techniken für sich genommen keine Therapie darstellen. Ihr tatsächliches Potenzial entfaltet sich, wenn sie in umfassende und koordinierte Rehabilitationsprogramme integriert werden, in denen die Zusammenarbeit multidisziplinärer Teams eine ganzheitliche Behandlung sicherstellt. So zeichnet sich die nichtinvasive Neuromodulation als wertvolle Ressource ab – nicht isoliert, sondern im Zusammenspiel mit anderen Strategien – und markiert den Beginn einer neuen Ära in der neuropsychologischen Rehabilitation.

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