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Transkranielle Magnetstimulation

Einleitung

Die TMS ist ein Standardverfahren der kognitiven Neurowissenschaften. Während „Transkranielle“ „durch den Schädel hindurch“ bedeutet meint eine Magnetstimulation eine durch ein Magnetfeld induzierte Reizung der Nerven. Mittels dieses Magnetfeldes werden bestimmte Hirnbereiche kurzzeitig stimuliert oder gehemmt. Eine Hemmung wird auch als virtuelle Läsion bezeichnet.

Echte vs. virtuelle Läsion

Echte Läsion

Durch die Läsion entstandene Defizite führen zu einer Reorganisation bzw. Kompensation durch andere Hirnareale. Die Läsion ist nur eingeschränkt, also an Tieren und erkrankten Menschen durchführbar. Das Verhalten ist oft stark beeinträchtigt. Eine Lokalisation der Läsion ist durch bildgebende Verfahren jedoch sehr genau möglich.

⇒ Es wird also nicht der Ausfall direkt, sondern eher die Kompensation gemessen.

Virtuelle Läsion

Durch die Läsion entstandene Defizite führen nicht zu einer Reorganisation bzw. Kompensation. Es können Zeitabschnitte der Kognition untersucht werden. Eine Läsion kann an unterschiedlichen Stellen präzisen bzw. fokussiert gesetzt werden.

Direkte Messung des Ausfalls möglich, Vergleich mit Kontrollbedingung

TMS und Bildgebung

Durch die Kombination aus TMS und einem bildgebendem Verfahren kann eine virtuelle Läsion lokalisiert werden. Bei der Bildgebung ist jedoch unklar ob es sich um hemmende oder stimulierende Areale handelt.

Rückschlüsse auf funktionale Bedeutung des Gehirnbereichs möglich.

Inferenzmechanismus

Wenn das Gehirn in einem bestimmten Areal mit TMS stimuliert wird, dann treten in diesem Bereich Inferenzen auf. Das induzierte Aktivitätsmuster überlagert das aktuell natürliche Aktivitätsmuster. Die Wahrscheinlichkeit exakt das aktuell natürliche Aktivitätsmuster zu induzieren ist quasi nicht gegeben. Es wird also generell „verwirrt“ (→ virtuelle Läsion).

Technische Grundlage

Silvanus P. Thompson stimulierte mit 140mT und 50Hz das Gehirn bereits im 19. Jhd. Die Probanden nahmen schwache flackernde Lichtreize wahr.

Elektromagnetische Induktion

Das TMS basiert auf dem Faraday'schen Prinzip (→ Michaeli Faraday) der elektromagnetischen Induktion. Durch Änderung des magnetischen Flusses entlang einer Leiterschleife werden Ladungen verschoben und es entsteht eine Spannung.

⇒ Magnetfeld ruft eine Bewegung elektrischer Ladungen hervor (→ Strom)
⇒ Bewegte elektrische Ladungen (→ Strom) erzeugen ein Magnetfeld

Induktion an der Nervenzelle

Eine künstliche Potentialveränderung einer Nervenzelle kann nur über einen elektrischen Impuls erfolgen. Da Strom jedoch nur in leitender Umgebung fließt ist dies direkt nicht möglich. Möglich ist es jedoch ein Magnetfeld zu anzulegen, welches ein elektrisches Feld an der Zelle induziert.

Das Magnetfeld muss entlang der longitudinalen Achse der Zelle angebracht werden, damit sich das elektrische Feld entlang der Zelle ausbreiten kann.

⇒ Es werden Aktionspotentiale ausgelöst (neuronales Rauschen)

Zwischen verschiedenen Orten der Axone entstehen Potentialdifferenzen. Am Stärksten sind die Effekte nahe und parallel zur Schädeloberfläche. Allgemein können dabei sowohl inhibitorische, als auch exzitatorische Wirkungen ausgelöst werden.

Stärke der Induktion

Die Stärke der Induktion hängt stark von der Stärke des Gewebes ab. Eine Induktion kann bis in eine Tiefe von ca. 2cm ausgelöst werden.

Neben der Stärke des Gewebes gibt es weitere Faktoren, die die Stärke der Magnetinduktion beeinflussen:

  • Zeitliche Änderung der Stromstärke
  • Änderungsgeschwindigkeit des magn. Feldes
  • Spulenaufbau → Radius und Windungszahl
  • Spuleneigenschaft → Induktivität der Spule
  • Induktionswinkel → Zwischen Magnetfeld und induziertem Gewebe
  • Spulenabstand → Abstand Spule / Gewebe

Spulentypen

Im TMS befindet sich eine Spule, welche das magnetische Feld außerhalb des Schädels induziert.

Rundspule

Rundspulen werden inzwischen nicht mehr verwendet, da diese ein sehr großes magnetisches Feld erzeugen und damit sehr unpräzise in der Handhabung sind.

Schmetterlingsspule

Heute werden meist Schmetterlingsspulen (figure of 8 coil) verwendet. Diese haben nur am Schnittpunkt der zwei Kreise eine Wirkung, an den anderen Stellen hebt sich die Wirkung auf. Am Schnittpunkt ist die Wirkung stärker und fokossierter.

Geräte

Es gibt verschiedene Geräte von verschiedenen Hersteller. Ein Beispiel ist Magstim „Rapid²“ mit folgenden Werten:

  • Spitzenwert der Induktion → Bis zu 3,5T
  • Wiederholungsfrequenz25Hz bis 100Hz
  • Pulslänge → ca. 400μs
  • Auflösung → ca. 5mm

Reizimpulse

Der Impuls steigt zunächst sehr schnell an, in weniger als 10μs und fällt dann in den nächsten 300μs bis 500μs wieder langsam ab. Während der Anstiegsphase wird ein erregender Induktionsstrom generiert.

Einzelimpuls

Motorischer Kortex

Der Einzelimpuls ist ein Standardverfahren um die Funktionen des motorischen Kortex zu überprüfen. Dabei wird über dem motorischen Kortex ein Impuls abgegeben. An der Hand werden anschließend magnetoelektrisch evozierte Potentiale (→ MEP) mit Hilfe des Elektromyogramms gemessen, da sich die Hand bei Stimulation des motorischen Kortex bewegt. Mit Hilfe dieser Messung (Amplitude, Latenz, etc.) können Rückschlüsse auf das motorische System gemacht werden.

Bei der Messung der MEP muss zuvor jedoch psychophysikalisch eine Reizschwelle festgelegt werden. Dabei müssen in mind. 50% der Fälle bei einer Spannung von mind. 50μV eine Reaktion auftreten (→ Schwellwert). Gemessen wird dabei der Musculus abductor pollicis brevis (→ APB) am Daumen.

Somatosensorischer Kortex

Angewendet über dem somatosensorischen Kortex führt eine Stimulation zu Parästhesie.

Okzipitalkortex

Eine Stimulation des Okziptialkortex mit Hilfe des TMS führt zu Phosphenen (→ Wahrnehmung von schwachen Lichtblitzen).

Repetitive TMS

Bei der repetitiven Impulsmethode werden bis zu 60 Impulse pro Sekunde (60Hz) erzeugt.

Niedrige Frequenz

Werden niedrige Frequenzen im Bereich von 1Hz bis 2Hz langanhaltend angelegt, so ensteht eine long term depression (→ virtuelle Läsion). Die Hemmung bleibt für ca. 15min bestehen.

Höhere Frequenzen

Werden höhere Frequenzen im Bereich ab 4Hz angelegt ensteht ein fazilitierender Effekt. Die Effizienz der exzitatorischen Zellen wird verbessert und es kommt zu einer long term potentiation. Diese Verstärkung bleibt für mehrere Minuten bestehen.

Paradigmen

Grundsätzlich kann sich eine Stimulation sowohl förderlich als auch hinderlich auf die Leistung auswirken.

Online

Beim Online-Verfahren wird der Impuls während des Experimentes gegeben. Die Impulse werden jedoch nur für einige Millisekunden ausgelöst (50μs bis 300μs).

Offline

Beim Offline-Verfahren wird der Impuls vor dem Experiment gegeben. Die Impulse werden über einen längeren Zeitraum ausgelöst (10min bis 30min). Über wenige Minuten hinweg ist nun ein bestimmter Bereich des Gehirns außer Funktion.

Platzierung der Spulen

Das korrekte Platzieren der Spulen auf der Schädeloberfläche stellt ein Grundproblem der TMS-Anwendung dar.

Iterativen Suche

Für die korrekte Platzierung gibt es die Methode der iterativen Suche (am Beispiel des Motorkortex):

  1. Mittellinie auf Schädelkalotte (= Schädeldach)
  2. Position des Motorkortex abschätzen
  3. Tangentiale Anbringung
  4. Sendung eines Impulses und Messung des MEP
  5. Eventuelle Korrektur
  6. Markierung der korrekten Position

⇒ Bei Regionen, welche weniger gut abgrenzbar sind von anderen ist dieses Verfahren schwieriger anzuwenden.

10-20-System

Das 10-20-System ist das Elektroden-Platzierungssystem des EEG. Es gibt gefertigte Karten bestimmter normalisierter Hirnareale. Diese Karten verwenden als „Koordinatensystem“ das 10-20-System. Die Genauigkeit liegt im Bereich von ca. 2cm, dies ist aber für die Anwendung des TMS ausreichend.

Neuronavigation

Eine weitere Methode ist es die Position des TMS mit Hilfe eines standardisierten Normalgehirns oder eines MRT-Bildes zu bestimmen. Dabei wird ein Analysesystem verwendet, welches zur richtigen Position navigiert.

⇒ Dieses Verfahren ist sehr präzise aber noch sehr teuer.

Anwendung

Neurophysiologie

In der Neurohysiologie kann es für die Stimulation von Muskeln, also die Auslösung motorisch evozierter Potentiale (→ MEP) verwendet werden. Es kann z.B. helfen zwischen demyelinisierenden und axonalen Krankheiten zu unterscheiden.

Experimentell - Klinisch

Für klinische Zwecke kann und wird es in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Z.B. für die Erforschung von:

  • Morbus Parkinson
  • Endogene Depression
  • Zwangsstörung
  • Schizophrenie

Kognititve Neurowissenschaften

Veränderung der Leistungsfähigkeit durch Stimulation durch TMS bietet die Möglichkeit zwischen Experimentalbedingung und Kontrollbedingung zu vergleichen. Dabei können bestimmte Hirnareale relativ präzise bezüglich ihrer Aufgabenbereiche beschrieben werden.

Der große Vorteil der TMS für die kognitiven Neurowissenschaften ist, dass die virtuelle Läsion einen eindeutigen Ausfall simuliert. Es gibt innerhalb dieser kurzen Zeit keine Kompensation (wie bei einer echten Läsion).

Beispielstudien

In den beiden Studien wurde das Online-Paradigma angewendet.

Corthout et al., 1999

In einer Studie von Corthout et al. wurden für 10ms Buchstaben präsentiert. Die Probanden sollten den Buchstaben anschließend erkennen und benennen. Dabei wurde ein TMS über dem visuellen Kortex abgewendet. Der Zeitpunkt der Anwendung wurde von 100ms vor Präsentation des Targets bis 190ms nach Präsentation des Targets variiert.

Dabei konnten zwei Phasen ausgemacht werden, an denen die Verarbeitung deutlich schlechter wird. Die erste Phase ist um ca. 0ms, die zweite Phase um ca. 100ms. Es scheint also zwei Zeiträume zu geben, die im visuellen Kortex wichtig sind für die Identifikation eines Objektes.

Beckers und Zeki, 1995

In dieser Studie wurde der visuelle Kortex im Bereich von V1 bis V5 untersucht. Ziel war es Verarbeitung von Bewegung zu untersuchen. Für die Bewegungswahrnehmung ist eigentlich V5 (bzw. MS) zuständig.

  • Stimulation von V1 → Im Bereich von 60ms bis 70ms nach Reizpräsentation war eine Erkennung erschwert
  • Stimulation von V2 bis V4 → Kein Effekt
  • Stimulation von V5 (bzw. MS) → Im Bereich von -20ms bis 10ms nach Reizpräsentation war eine Erkennung erschwert

Bisher war man davon ausgegangen, dass alle Informationen zunächst durch V1 kommen und die anderen Bereiche erst später angesteuert werden. Dies würde jedoch bedeuten, dass eine Stimulation in V1 früher eine Beeinträchtigung zeigen müsste als in V5.

Die Hypothese der Autoren ist, dass V5 seine Informationen aus zwei Quellen erhält:

  • Wie bereits bekannt aus V1
  • Direkt vom Corpus geniculatum laterale

Siebner et al., 1998 (TMS und PET)

In dieser Studie wurden TMS und PET parallel eingesetzt. Dabei wurde ein TMS-Impuls ausgelöst um eine Armbewegung zu induzieren. In einer zweiten Bedingung sollte eine Armbewegung imitiert werden.

Es konnte herausgefunden werden, dass die selben motorischen Areale in beiden Bedingungen aktiv waren.

Bei einer dritten willkürlichen Bedingung war zusätzlich ein Areal im vorderen Teil der supplementär-motorischen Rinde (→ SMA) aktiv.

 
uni-leipzig/psychologie/module/methoden2neuro/11.txt · Zuletzt geändert: 2011/08/01 18:58 von carlo
 
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