Neuartige Techniken könnten die Behandlungslandschaft für Hirnerkrankungen verändern

Die Anpassungsfähigkeit des menschlichen Gehirns an innere und äußere Veränderungen, bekannt als neuronale Plastizität, bildet die Grundlage für das Verständnis kognitiver Funktionen wie Gedächtnis und Lernen sowie verschiedener neurologischer Störungen. Neue Forschungen, die von einem Team unter der Leitung von Dr. PARK Joo Min vom Center for Cognition and Sociality des Institute for Basic Science (IBS) durchgeführt wurden, enthüllen eine neuartige Technik, die die Behandlungslandschaft für Hirnstörungen verändern könnte. Das Team entwickelte eine nicht-invasive Hirnstimulationsmethode namens Patterned Low-Intensity Low-Frequency Ultrasound (LILFUS), die ein enormes Potenzial für die Herbeiführung langfristiger Veränderungen der Gehirnfunktion birgt.

Traditionell werden magnetische und elektrische Hirnstimulationsmethoden zur Modulation der Gehirnfunktion eingesetzt. Diese Methoden weisen jedoch inhärente Einschränkungen auf, die ihre räumliche Auflösung und Eindringtiefe einschränken, was es schwierig macht, bestimmte Gehirnregionen präzise und mit optimaler Wirksamkeit zu stimulieren. Invasivere Methoden, beispielsweise solche, die chirurgische Eingriffe erfordern, bieten bei der spezifischen Tiefenhirnstimulation eine bessere Kontrolle und therapeutische Wirkung, sind jedoch mit Risiken wie Gewebeschäden, Entzündungen und Infektionen verbunden. Diese Einschränkungen haben die Suche nach alternativen Ansätzen vorangetrieben, die diese Einschränkungen überwinden und eine effizientere und präzisere Modulation der Gehirnfunktion ermöglichen können.

In der neuesten vom IBS vorgestellten Studie verwendeten Forscher Ultraschall, um eine präzise Stimulation bestimmter Gehirnbereiche zu ermöglichen. Im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen hat Ultraschall den Vorteil, dass er tief in das Gehirngewebe eindringen kann. Die Forscher entdeckten, dass Ultraschallstimulation die neuronale Plastizität – die Fähigkeit des Gehirns, sich neu zu verdrahten – durch die Aktivierung wichtiger molekularer Signalwege modulieren kann. Die Studie untersuchte insbesondere die Wirkung des Ultraschalls auf mechanosensitive Kalziumkanäle in Astrozyten, die die Fähigkeit der Zellen steuern, Kalzium aufzunehmen und Neurotransmitter freizusetzen.

LILFUS wurde auf der Grundlage spezifischer Ultraschallparameter entwickelt, die die Gehirnwellenmuster von Theta- (5 Hz) und Gamma-Schwingungen (30 Hz) nachahmen, die während Lern- und Gedächtnisprozessen beobachtet werden. Das neue Tool ermöglichte es den Forschern, bestimmte Gehirnregionen nach Belieben zu aktivieren oder zu deaktivieren. Es wurde festgestellt, dass die intermittierende Ultraschallabgabe langfristige Potenzierungseffekte hervorruft, während kontinuierliche Muster zu langfristigen Depressionseffekten führen.

Einer der vielversprechendsten Aspekte dieser neuen Technologie ist ihre Fähigkeit, den Erwerb neuer motorischer Fähigkeiten zu erleichtern. Als die Forscher die motorische Großhirnrinde von Mäusen mit Ultraschall stimulierten, beobachteten sie signifikante Verbesserungen beim Erlernen motorischer Fähigkeiten und der Fähigkeit, Nahrung zu finden. Interessanterweise konnten die Forscher sogar die Präferenz der Vorderbeine der Mäuse verändern. Dies deutet auf mögliche Anwendungen in Rehabilitationstherapien für Schlaganfallüberlebende und Personen mit motorischen Beeinträchtigungen hin.

Die Implikationen dieser Forschung gehen weit über die motorische Funktion hinaus. Es kann zur Behandlung von Erkrankungen wie Depressionen eingesetzt werden, bei denen eine veränderte Erregbarkeit und Plastizität des Gehirns im Vordergrund stehen. Mit weiteren Untersuchungen könnte LILFUS für verschiedene Hirnstimulationsprotokolle angepasst werden, was Hoffnung für verschiedene Erkrankungen bietet, die von sensorischen Beeinträchtigungen bis hin zu kognitiven Störungen reichen.

Diese Studie hat nicht nur eine neue und sichere Technologie zur neuronalen Regulierung mit lang anhaltender Wirkung entwickelt, sondern auch die molekularen Mechanismusänderungen aufgedeckt, die bei der neuronalen Regulierung durch Ultraschall mit Gehirnwellenmuster eine Rolle spielen. Wir planen, Folgestudien fortzusetzen, um diese Technologie zur Behandlung von Hirnstörungen im Zusammenhang mit abnormaler Gehirnerregung und -hemmung sowie zur Verbesserung kognitiver Funktionen einzusetzen.“

Dr. Park Joo Min vom Center for Cognition and Sociality, Institute for Basic Science