Die Kartierung von Hirnschaltkreisen zeigt potenzielle Behandlungsziele für Hirnerkrankungen auf – Physics World

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/mapping-brain-circuits-reveals-potential-treatment-targets-for-brain-disorders-physics-world-3.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/mapping-brain-circuits-reveals-potential-treatment-targets-for-brain-disorders-physics-world-3.jpg" data-caption="Krankheitsspezifische Straffungen Die Tiefenhirnstimulation zeigte die Faserbündel auf, die mit einer Symptomverbesserung bei Parkinson-Krankheit (grün), Dystonie (gelb), Tourette-Syndrom (blau) und Zwangsstörungen (rot) verbunden sind. (Mit freundlicher Genehmigung von Barbara Hollunder)“>

Die frontalen Schaltkreise des Gehirns spielen eine entscheidende Rolle bei der Steuerung motorischer, kognitiver und Verhaltensfunktionen. Eine Störung der fronto-subkortikalen Schaltkreise, die den frontalen Kortex im Vorderhirn mit den tiefer im Inneren liegenden Basalganglien verbinden, kann zu einer Reihe neurologischer Störungen führen. Es ist jedoch nicht klar, welche Zusammenhänge mit welchen Funktionsstörungen verbunden sind. Um Licht in dieses Problem zu bringen und potenzielle Behandlungsziele zu identifizieren, hat ein internationales Forschungsteam mithilfe der Tiefenhirnstimulation (DBS) die Schaltkreise kartiert, die mit vier verschiedenen Hirnstörungen verbunden sind.

DBS ist eine invasive Therapie, bei der chirurgisch implantierte Elektroden Gehirnnetzwerke durch elektrische Stimulation von Zielregionen modulieren. Ein solches Ziel – der Nucleus subthalamicus – ist von besonderem Interesse, da er Input vom gesamten frontalen Kortex an die Basalganglien erhält. Tatsächlich hat sich gezeigt, dass die elektrische Stimulation des Nucleus subthalamicus die Symptome verschiedener Hirnerkrankungen lindert.

Das Forschungsteam – geleitet von Andreas Hörn von dem Zentrum für Hirnkreislauftherapie an der Harvard Medical School und Charité - Universitätsmedizin Berlin, und Ningfei Li von der Charité – untersuchten insgesamt 534 DBS-Elektroden, die zur Behandlung von vier Hirnerkrankungen implantiert wurden: Parkinson-Krankheit (PD), Dystonie, Zwangsstörung (OCD) und Tourette-Syndrom (TS).

Erster Autor Barbara Hollunder und Kollegen untersuchten zunächst Daten von 197 Patienten, denen zur Behandlung dieser Störungen bilateral DBS-Elektroden in den Nucleus subthalamicus implantiert wurden, darunter 70 mit Dystonie, 94 mit PD, 19 mit Zwangsstörung und 14 mit TS.

Für jede Störung kartierten sie die Stimulationseffekte auf der subthalamischen Ebene in der gesamten Kohorte, um die Stellen zu identifizieren, die mit der vorteilhaftesten Stimulation verbunden sind. Diese DBS-„Sweet Spots“ unterschieden sich bei den vier Erkrankungen in ihrer Lage auf dem Nucleus subthalamicus.

<a data-fancybox data-src="https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/03/DBS-brain-map-OCD.jpg" data-caption="Kartierung von Gehirnschaltkreisen Faserbündel im Zusammenhang mit einer Symptomverbesserung nach THS bei Zwangsstörungen. Neben dem Trakt ist ein beispielhafter Satz bilateraler Elektroden dargestellt, die zur Behandlung dieser Erkrankung bei einem einzelnen Patienten implantiert wurden. (Mit freundlicher Genehmigung von Barbara Hollunder)“ title=“Klicken Sie hier, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/03/DBS-brain-map-OCD.jpg“>

Als nächstes kartierten die Forscher die Stimulationseffekte auf die fronto-subkortikalen Schaltkreise und konnten so identifizieren, welche Schaltkreise im Gehirn bei den einzelnen Störungen gestört waren (und gezielt behandelt werden könnten). Zu den Schaltkreisen, die am meisten von der Stimulation profitierten (sogenannte „Sweet Streamlines“), gehörten Projektionen des sensomotorischen Kortex bei Dystonie, des primären motorischen Kortex bei TS, des ergänzenden motorischen Bereichs bei Parkinson und des ventromedialen präfrontalen und anterioren cingulären Kortex bei Zwangsstörung.

„Mit Hilfe der Hirnstimulation konnten wir Schaltkreise präzise identifizieren und gezielt ansteuern, um vier verschiedene Erkrankungen optimal zu behandeln“, sagt Horn in einer Pressemitteilung. „Vereinfacht ausgedrückt: Wenn Gehirnschaltkreise nicht mehr funktionieren, können sie als Bremsen für die spezifischen Gehirnfunktionen wirken, die der Schaltkreis normalerweise ausführt. Durch die Anwendung von DBS kann die Bremse gelöst und die Funktionalität teilweise wiederhergestellt werden.“

Klinisches Potenzial

Diese krankheitsspezifischen Rationalisierungsmodelle bergen Potenzial für die Steuerung zukünftiger klinischer Behandlungen. Um diese Fähigkeit zu bestätigen, führten die Forscher weitere Experimente mit unabhängigen Daten durch. Sie validierten die PD- und OCD-Streamline-Modelle (ausgewählt aufgrund der Patientenverfügbarkeit) in zwei weiteren retrospektiven Gruppen von 32 bzw. 35 Patienten.

Bei diesen zusätzlichen Patienten nutzten die Forscher den Grad der Überlappung zwischen Stimulationsvolumina und dem jeweiligen Streamline-Modell, um die klinischen Ergebnisse abzuschätzen. Bei beiden Erkrankungen beobachteten sie eine gute Übereinstimmung zwischen den Schätzungen und den Verbesserungen der Symptome.

Die Forscher führten außerdem drei prospektive Experimente mit den identifizierten Schaltkreisen durch, um den Behandlungsnutzen zu verbessern. Bei zwei Patienten programmierten sie ihre DBS-Implantate neu, um die Überlappung der Stimulationsvolumina mit dem jeweiligen Streamline-Modell zu maximieren. Der erste Patient, ein 67-jähriger Mann mit Parkinson-Krankheit, hatte durch die konventionelle klinische Behandlung mit DBS von einer 60-prozentigen Verringerung der Symptome profitiert. Eine optimierte Stimulation basierend auf stromliniengesteuerten Parametern verbesserte diesen Behandlungsvorteil weiter und führte zu einer Reduzierung der Symptome um 71 %.

Im zweiten Fall, einer 21-jährigen Frau mit schwerer behandlungsresistenter Zwangsstörung, erlebte sie einen Monat nach der Streamline-basierten DBS-Neuprogrammierung eine Reduzierung der globalen Zwangssymptome um 37 %, verglichen mit einer Symptomreduzierung um 17 % unter klinischer Stimulation Parameter.

Schließlich implantierte das Team ein Paar subthalamischer Elektroden, um einen 32-jährigen Mann zu behandeln, der seit seinem 18. Lebensjahr an einer behandlungsresistenten Zwangsstörung litt. Vier Wochen nach der Operation meldete er mit DBS-Informationen durch die Streamline-Modelle eine 77 % Reduktion der globalen Zwangssymptome, mit Verbesserungen innerhalb eines Tages nach Einschalten des DBS.

Die Forscher gehen davon aus, dass ihre erfolgreichen Validierungen der OCD- und PD-Streamline-Ziele erste Belege für klinische Anwendungen im Rahmen prospektiver Validierungsstudien liefern könnten. Sie stellen fest, dass die identifizierten Schaltkreise – sofern sie weiter bestätigt werden – therapeutische Ziele darstellen könnten, die auch für stereotaktisches Targeting in der Neurochirurgie und möglicherweise nicht-invasive transkranielle Magnetstimulation verwendet werden könnten.

Li erzählt Physik-Welt dass die Forscher in Zukunft „planen, das Modell zu verfeinern, sich stärker auf feinkörnige dysfunktionale Gehirnschaltkreise zu konzentrieren und unsere Ergebnisse durch prospektive klinische Studien zu validieren“.

Die Forscher beschreiben ihre Ergebnisse in Nature Neuroscience.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/mapping-brain-circuits-reveals-potential-treatment-targets-for-brain-disorders/