Nicht-invasive Hirnstimulation (NIBS)

Welche NIBS-Verfahren gibt es?

Zu den bekanntesten NIBS-Methoden zählen Verfahren wie die Transkranielle Pulsstimulation (TPS), die Transkranielle Magnetstimulation (TMS), die Repetitive Transkranielle Magnetstimulation (rTMS), der Transkranielle fokussierte Ultraschall (tFUS) und die Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS).

Diese unterscheiden sich unter anderem im Hinblick auf ihren Einsatzbereich, das Behandlungsprotokoll und den physikalischen Mechanismus, den sie zur Modulation der neuronalen Aktivität im Gehirn nutzen: TMS und rTMS basieren auf magnetischen Feldern zur Stimulierung des Gehirns, tFUS verwendet fokussierte Ultraschallwellen für eine präzise tiefe Gehirnstimulation, tDCS nutzt elektrische Ströme, um die neuronale Erregbarkeit zu verändern, und TPS setzt akustische Stosswellen ein, um tiefere Gehirnstrukturen zu erreichen und neuronale Prozesse zu stimulieren.

Transkranielle Pulsstimulation

Bei der Transkraniellen Pulsstimulation (TPS) handelt es sich um ein Verfahren, das sogenannte Stosswellen (akustische Pulswellen) verwendet, um physikalische Energie auf lokal begrenzte Gewebebereiche abzugeben. Durch ein auf der Kopfhaut angesetztes Handstück werden Pulswellen erzeugt, die gezielt Energien in spezifische Gehirnregionen abgeben. Diese haben eine Fokuszone in Form einer gestreckten Ellipse von 3 bis 6 cm und setzen klinisch effektive Energien bis zu einer Eindringtiefe von bis zu 8 cm frei.

Vorteilhaft ist dabei die manuelle und äusserst kontrollierte Applikation der Pulse in die Zielregionen und das kompakte Behandlungsprotokoll, das aus nur sechs Sitzungen innerhalb von zwei Wochen besteht. Eine Sitzung dauert in der Regel etwa 30 Minuten und findet ambulant statt. Es ist keine Kopfhautrasur erforderlich.

TPS mit dem NEUROLITH®-System, das 2018 die CE-Kennzeichnung erhielt, ist eine begleitende Behandlungsoption für Patienten mit Alzheimer-Demenz.

Aktuelle Studien weisen auf gute Sicherheit[10] und mögliche neuroplastische[11] und morphologische[2] Veränderungen durch TPS sowie eine Verbesserung der globalen kognitiven Leistung und Funktion bei Patienten mit Alzheimer hin[12]. Neuere klinische Studien haben überdies eine signifikante Besserung von Depressionssymptomen bei Patienten mit Alzheimer-Demenz nachgewiesen[13, 14]. Es laufen weitere Forschungsprojekte zur Klärung der Langzeiteffekte, Wirkmechanismen und biologischen Wirkungen von TPS.

Transkranielle Magnetstimulation

Bei der transkraniellen und repetitiven transkraniellen Magnetstimulation (TMS bzw. rTMS) handelt es sich um nicht-invasive Verfahren, die in der Neurologie und Psychiatrie zur Behandlung verschiedener Erkrankungen eingesetzt werden. Bei der Magnetstimulation des Gehirns werden magnetische Felder verwendet, um Neuronen in spezifischen Hirnregionen zu stimulieren[1, 2]. So können gezielt Areale des Gehirns beeinflusst und die neuronale Aktivität verändert werden.

Bei TMS wird hierzu ein kurzer magnetischer Puls über die Kopfhaut erzeugt, der durch das Gewebe bis zum Gehirn dringt. Dieses Verfahren findet in der klinischen Praxis beispielsweise für die Behandlung von Depressionen, Schmerzstörungen oder bestimmten Arten von Bewegungsstörungen Anwendung[3, 4]. Darüber hinaus wird es häufig für Forschungszwecke eingesetzt, um die Funktion bestimmter Hirnareale zu untersuchen. Die Eindringtiefe beträgt in der Regel 2 bis 3 cm, bei der sogenannten Deep TMS Methode maximal 5 cm [5] [6].

Repetitive transkranielle Magnetstimulation

Repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS) stellt eine Erweiterung der TMS dar. Hierbei werden repetitive – also wiederholte – magnetische Pulse gesetzt, um die neuronale Aktivität über einen längeren Zeitraum zu beeinflussen. Eine über mehrere Sitzungen wiederholte Anwendung dient dazu, langfristige Veränderungen in der neuronalen Aktivität und Konnektivität herbeizuführen. rTMS wird vor allem in der Behandlung von schweren Depressionen eingesetzt, die auf herkömmliche Therapien nicht ansprechen[7]. Darüber hinaus gibt es Forschungen und klinische Studien zu weiteren potenziellen Anwendungsgebieten wie Angststörungen, Schizophrenie und der Rehabilitation nach einem Schlaganfall[8].

Sowohl TMS als auch rTMS greifen gezielt und ohne die Notwendigkeit einer Operation oder dauerhafter Implantate in die Hirnaktivität ein. Sie gelten als sicher und haben im Vergleich zu invasiven Methoden ein geringeres Risiko für Nebenwirkungen[2], wobei die genaue Wirkung sowie die optimale Anwendung weiterhin Gegenstand der wissenschaftlichen Forschung sind[1].

Je nach Anwendungsbereich kommen unterschiedliche Behandlungsprotokolle zum Einsatz. In der Regel umfassen TMS- sowie rTMS-Behandlungen jedoch 20-30 Sitzungen von 15 bis 40 Minuten Dauer. Die Sitzungen finden meist an 5 Tagen pro Woche über einen Zeitraum von 4 bis 6 Wochen statt.

Transkranielle Gleichstromstimulation

Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS )ist eine weitere nicht-invasive Hirnstimulationstechnik, die zur Modulation der neuronalen Aktivität eingesetzt wird. Bei dieser Methode werden schwache elektrische Ströme verwendet, um die neuronale Erregbarkeit und die Plastizität in spezifischen Bereichen des Gehirns zu beeinflussen. tDCS arbeitet mit Elektrodenpaaren, jeweils bestehend aus einer Anode und einer Kathode, die gezielt auf der Kopfhaut platziert werden, um einen kontinuierlichen, niedrigen Stromfluss durch bestimmte Teile des Gehirns (von einer Elektrode zur anderen) zu leiten.

Die Wirkweise von tDCS basiert auf der Annahme, dass die Anwendung eines schwachen Gleichstroms die Ruhe-Membranpotenziale von Neuronen verändern kann, was zu einer erhöhten oder verringerten neuronalen Aktivität führt. Die Anode soll dabei die neuronale Aktivität unter der Elektrode erhöhen (exzitatorisch wirken), während die Kathode sie verringert (inhibitorisch wirkt)[9].

tDCS wird in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen erforscht und eingesetzt, unter anderem zur Verbesserung kognitiver Funktionen wie Lernen, Gedächtnis und Konzentration, zur Behandlung von Depressionen, im Schmerzmanagement sowie zur Unterstützung der Rehabilitation nach Schlaganfällen[8]. Ein besonderer Vorteil der tDCS liegt in ihrer Einfachheit und Sicherheit, was die Methode für den Einsatz in klinischen und Forschungsumgebungen attraktiv macht.

Während tDCS vielversprechende Ergebnisse in verschiedenen Studien gezeigt hat, ist die genaue Effektivität und die optimale Anwendungsweise (wie Stromstärke, Dauer und Platzierung der Elektroden) in vielen Bereichen noch Gegenstand aktueller Forschung. Die individuelle Reaktion auf tDCS kann variieren, und es wird empfohlen, diese Technik nur unter Anleitung oder auf Empfehlung von Fachpersonal einzusetzen.

Ein typisches tDCS-Behandlungsprotokoll bei Depressionen oder zur Verbesserung kognitiver Symptome umfasst etwa 10 bis 20 Sitzungen von je 20 bis 30 Minuten Länge, die täglich oder fast täglich über einen Zeitraum von 2 bis 4 Wochen stattfinden.

Transkranieller fokussierter Ultraschall

Transkranieller fokussierter Ultraschall (tFUS) ist eine fortschrittliche, nicht-invasive Technologie, die Ultraschallwellen nutzt, um gezielt tiefe Gehirnregionen zu stimulieren. Im Gegensatz zu anderen Hirnstimulationsmethoden ermöglicht tFUS eine hochpräzise Fokussierung, sodass spezifische Hirnareale ohne chirurgischen Eingriff beeinflusst werden können.

Bei dieser Methode werden gebündelte Ultraschallwellen durch die Schädeldecke gesendet, die sich auf einen präzisen Punkt im Gehirn konzentrieren. Dieser fokussierte Energiepunkt kann neuronale Aktivitäten modulieren, entweder indem er die Zellen stimuliert oder deren Aktivität hemmt, je nach Ultraschalleinstellung. Ein wesentlicher Vorteil von tFUS ist dessen Fähigkeit, tiefere Gehirnstrukturen zu erreichen, die für andere nicht-invasive Methoden wie TMS oder tDCS schwer zugänglich sind.

tFUS wird in der klinischen Forschung für eine Reihe von potenziellen Anwendungen untersucht, einschliesslich der Behandlung von neurologischen und psychischen Erkrankungen wie Parkinson, Alzheimer, schweren Depressionen und chronischen Schmerzen. Darüber hinaus gibt es Forschungen, die sich mit der Möglichkeit beschäftigen, tFUS zur Verbesserung kognitiver Funktionen oder zur Modulation von Bewusstseinszuständen einzusetzen.

Die Sicherheit und Wirksamkeit von tFUS wird weiterhin gründlich erforscht, mit dem Ziel, die Technologie als eine präzise und wirksame Behandlungsmethode für eine Vielzahl von Gehirnerkrankungen zu etablieren.

Da die Forschung zu tFUS noch im Gange ist, gibt es keine standardisierten Behandlungsprotokolle. Frühe Ergebnisse lassen darauf schliessen, dass eine Behandlung in Form mehrerer Sitzungen über einige Wochen hinweg stattfinden könnte. Dabei kann die Sitzungsdauer 30 Minuten bis mehrere Stunden umfassen.

NIBS: Eine Technologie der Zukunft?

Da Signale im Gehirn vorwiegend durch elektrische Impulse übertragen werden, die von chemischen Prozessen unterstützt werden, kann die Gehirnfunktion durch verschiedene externe Verfahren beeinflusst werden, die schwache elektrische Felder erzeugen. Daher sind NIBS-Verfahren eine vielversprechende, schonende Behandlungsoption als Ergänzung der bestehenden medizinischen Versorgung bei Krankheiten, die primär das Gehirn betreffen. Diese Verfahren können oftmals ambulant durchgeführt werden und erfordern weder einen operativen Eingriff noch die Verabreichung zusätzlicher Medikamente. Somit haben sie keinen Einfluss auf laufende Therapien und eignen sich hervorragend als patientenfreundliche, begleitende Behandlungsoption.
In den letzten 20 Jahren ist die Zahl der Studien zur NIBS stark angestiegen[15], was auf die zunehmende Relevanz der Technologie hindeutet, die bei neurologischen und psychischen Erkrankungen eine gute Verträglichkeit aufweist[16]. Neuere Studien beschäftigen sich intensiver damit, welche Verfahren mit welchem Behandlungsprotokoll bei welchen Erkrankungen wirksam sind. Obwohl weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind, um die Wirksamkeit dieser Verfahren genauer zu belegen und einzugrenzen, bergen diese zukunftsweisenden Verfahren das Potenzial für einen künftigen breiteren Einsatz zur Verbesserung der Lebensqualität betroffener Menschen.

Referenzen

1. Jannati, A., et al., Assessing the mechanisms of brain plasticity by transcranial magnetic stimulation. Neuropsychopharmacology, 2023. 48(1): p. 191-208.
2. Rossi, S., et al., Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert Guidelines. Clin Neurophysiol, 2021. 132(1): p. 269-306.
3. McClintock, S.M., et al., Consensus Recommendations for the Clinical Application of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation (rTMS) in the Treatment of Depression. J Clin Psychiatry, 2018. 79(1).
4. Mutz, J., et al., Comparative efficacy and acceptability of non-surgical brain stimulation for the acute treatment of major depressive episodes in adults: systematic review and network meta-analysis. BMJ, 2019. 364: p. l1079.
5. Samoudi, A.M., et al., Deep Transcranial Magnetic Stimulation: Improved Coil Design and Assessment of the Induced Fields Using MIDA Model. Biomed Res Int, 2018. 2018: p. 7061420.
6. Kedzior, K.K., et al., Deep transcranial magnetic stimulation (DTMS) in the treatment of major depression: An exploratory systematic review and meta-analysis. J Affect Disord, 2015. 187: p. 73-83.
7. Ontario, H., Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation for People With Treatment-Resistant Depression: A Health Technology Assessment. Ont Health Technol Assess Ser, 2021. 21(4): p. 1-232.
8. Fregni, F., et al., Evidence-Based Guidelines and Secondary Meta-Analysis for the Use of Transcranial Direct Current Stimulation in Neurological and Psychiatric Disorders. Int J Neuropsychopharmacol, 2021. 24(4): p. 256-313.
9. Nitsche, M.A., et al., [Modulation of cortical excitability by transcranial direct current stimulation]. Nervenarzt, 2002. 73(4): p. 332-5.
10. Beisteiner, R., et al., Transcranial Pulse Stimulation with Ultrasound in Alzheimer's Disease-A New Navigated Focal Brain Therapy. Adv Sci (Weinh), 2020. 7(3): p. 1902583.
11. Chen, X., et al., Transcranial pulse stimulation in Alzheimer's disease. CNS Neurosci Ther, 2024. 30(2): p. e14372.
12. Menardi, A., et al., Toward noninvasive brain stimulation 2.0 in Alzheimer's disease. Ageing Res Rev, 2022. 75: p. 101555.
13. Matt, E., G. Dorl, and R. Beisteiner, Transcranial pulse stimulation (TPS) improves depression in AD patients on state-of-the-art treatment. Alzheimers Dement (N Y), 2022. 8(1): p. e12245.
14. Cheung, T., et al., Evaluating the efficacy and safety of transcranial pulse stimulation on adolescents with attention deficit hyperactivity disorder: Study protocol of a pilot randomized, double-blind, sham-controlled trial. Front Neurol, 2023. 14: p. 1076086.
15. Huang, Y.Z., et al., Plasticity induced by non-invasive transcranial brain stimulation: A position paper. Clin Neurophysiol, 2017. 128(11): p. 2318-2329.
16. Oberman, L.M. and P.G. Enticott, Editorial: The safety and efficacy of noninvasive brain stimulation in development and neurodevelopmental disorders. Front Hum Neurosci, 2015. 9: p. 544