Was Magnetfelder im Gehirn verändern

Tübinger Neurowissenschaftler haben eine Methode entwickelt, mit der sich die Gehirnaktivität während einer transkraniellen Magnetstimulation (TMS) messen lässt.

Es klingt wie Science Fiction: Die Gehirnaktivität eines Menschen lässt sich ohne Berührung verändern, indem man eine Drahtspule über den Kopf hält ‒ und dadurch bewegen sich beispielsweise Arme oder Beine. Diese Technik, die transkranielle Magnetstimulation (TMS), wird in der Forschung und zur Behandlung vieler Hirnerkrankungen verwendet. Die TMS sendet ein starkes gepulstes Magnetfeld aus, das winzige elektrische Ströme im Hirngewebe darunter erzeugt. Diese können Neuronen aktivieren.

In der Medizin wird TMS bei Störungen motorischer Funktionen (z. B. bei Multipler Sklerose oder nach einem Schlaganfall) diagnostisch eingesetzt. Therapeutisch kommt sie beispielsweise bei Tinnitus, bei Depressionen, bei Schmerz- und neuerdings auch Suchtpatienten zum Einsatz. In Europa ist die TMS allerdings noch keine etablierte Behandlungsmethode.

Denn was mit den Neuronen genau passiert, wenn das Magnetfeld eingeschaltet wird, verstehen Forscher bis heute nicht wirklich: Denn Mikroelektroden, mit denen die elektrische Aktivität einzelner Neurone im Gehirn erfasst wird, werden durch die starken Magnetfelder der TMS massiv gestört und die abgeleiteten Signale der Nervenzellen maskiert.

Forscher mehrerer Arbeitsgruppen aus drei Tübinger Instituten haben nun gemeinsam eine Abschirmung der Mikroelektroden gegen die starken Magnetfelder der TMS entwickelt. So können sie die Veränderungen in einzelnen Hirnzellen mit nur einer Millisekunde Verzögerung nach dem Magnetimpuls messen.

Die Forscher bewiesen in ihrer Studie, dass ihre Abschirmungstechnik verwendbare Daten liefert. Dazu stimulierten sie mit TMS die Region im Motorkortex von Ratten, die die Vordergliedmaßen steuert. Während die Tiere durch die Stimulation ihre Vorderpfoten bewegten, maßen die Forscher die Aktivität der Neuronen. Zum ersten Mal konnten sie so direkt beobachten, wie die für die Vordergliedmaßen verantwortlichen Kortexneuronen auf TMS reagierten.

Sie stellten fest, dass die neuronale Aktivität auch nach Ende des TMS-Pulses anhielt. Außerdem änderte sich die neuronale Aktivität abhängig von der Richtung des Stromflusses, den die TMS im Hirngewebe erzeugte. Diese Ergebnisse passen verblüffend genau zu Beobachtungen in der klinischen Forschung beim Menschen, bei denen Neuronenaktivität statt im Gehirn im Rückenmark und in den Muskeln aufgezeichnet wurde.

„Nur zwei Arbeitsgruppen weltweit haben Ähnliches vor uns geschafft“, sagte Dr. Alia Benali, die die Studie geplant und durchgeführt hat. Die Methoden dieser Vorgängerstudien sind technisch äußerst anspruchsvoll; außerdem sind sie spezifisch für Primatengehirne entwickelt: Einschränkungen, die für viele Laboratorien ein Hindernis darstellen. „Uns ging es darum, eine einfache Methode zur Untersuchung neuronaler Aktivität bei TMS zu entwickeln. Sie soll für jedes Labor ohne spezielles Know-how zugänglich sein“, erklärte Doktorand Bingshuo Li.

Originalpublikation:
Li B et al.: eLife 2017;6:e30552.