DE10018518A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Induktion von Erregbarkeitsänderungen des Gehirns eines Lebewesens - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Induktion von Erregbarkeitsänderungen des Gehirns eines Lebewesens wird das Gehirn durch Gleichstrom stimuliert. Die Stromstärke und/oder die Zeitdauer des Stromflusses wird so groß gewählt, dass sich ein Neuroplastizitätseffekt einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Induktion von Erreg­ barkeitsänderungen des Gehirns eines Lebewesens nach dem O­ berbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Induktion von Erregbarkeitsänderungen des Gehirns eines Lebewesens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Aus der Veröffentlichung Priori, A., Berardelli, A., Accorne­ ro, N. und Manfredi, M. Neuroreport 9, 2257-2260 (1998) ist eine Studie bekannt, durch Stimulation des menschlichen Mo­ tor-Cortex mit Gleichstrom einer Stromstärke kleiner 0,5 mA und einer Zeitdauer von 7 sec sowie einer Stimulation durch magnetische Felder eine Erregbarkeitsänderung hervorzurufen. Dabei wurde herausgefunden, dass eine Stromstärke kleiner 0, 5 mA mit wechselnder anodischer und kathodischer Polarität zu einer wesentlichen Verminderung der Erregbarkeit des mensch­ lichen Motor-Cortex führt.

Die Veränderung der Erregbarkeit ist auf eine Verschiebung des Ruhemembranpotentials der Nervenzellen zurückzuführen. Dieses beträgt in der Regel etwa -70 mV. Durch Erhöhung des Ruhemembranpotentials wird eine Hemmung der Erregbarkeit, durch eine Verminderung des Potentials eine Steigerung der Erregbarkeit erzielt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Erregbarkeitsände­ rungen zu erzielen, die über die Dauer der Stimulation hinaus anhalten.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale dieses Anspruchs und bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 durch die Merkmale jenes Anspruchs gelöst.

Weiterbildung und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bisher konnten lediglich anhaltende neuronale Veränderungen an Nervenzellen des zentralen Nervensystems festgestellt wer­ den, die durch länger andauernde Nervenreize, chemische Sub­ stanzen oder auch durch elektrische Stimulation ausgelöst wurden. Überraschend wurde nun herausgefunden, daß sich auch im Bereich des Gehirns eines Lebewesens Erregbarkeitsänderun­ gen erzielen lassen, die über die Dauer der Stimulation durch einen elektrischen Stromes hinausgehen können. Während bei der bekannten vorerwähnten Studie dieser Effekt jedoch nicht nachgewiesen werden konnte, wurde herausgefunden, daß bei ei­ ner deutlich längeren Applikationsdauer als 7 sec und beson­ ders auch einer höheren Stromstärke als < 0,5 mA eine Verlän­ gerung der Erregbarkeit erzielt werden kann. Diese Verlänge­ rung der Erregbarkeit übersteigt die Applikationsdauer um ein Vielfaches. Es konnten bisher Neuroplastizitätseffekte von mehreren Stunden bis zu mehreren Tagen nachgewiesen werden.

Erfindungsgemäß wird ein Gleichstrom einer Stromstärke die weder einen dauerhaft schädigenden Einfluß auf das Gewebe ausübt, noch vom Lebewesen als Belästigung empfunden wird, über einen ausreichend langen Zeitraum appliziert, worauf hin der Neuroplastizitätseffekt eintritt. Als Neuroplastizität wird allgemein eine anhaltende neuronale Veränderung, hier eine Veränderung der Erregbarkeit bezeichnet.

Damit eröffnen sich Möglichkeiten, bei einem gesunden Lebe­ wesen Lern- und Reaktionsvorgänge zu beeinflussen, z. B. in Grenzen zu steigern, oder zu reduzieren oder auch bei kranken Lebewesen Fehlfunktionen zumindest vorübergehend zu dämpfen, zu korrigieren oder auch zu beseitigen.

So lassen sich bei gesunden Lebewesen in psychologischen An­ sätzen Hirnfunktionen beeinflussen und unter Ausschaltung o­ der Aktivierung ausgewählter Hirnregionen Verhaltensuntersu­ chungen vornehmen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht in der Entwicklung und der Erprobung der Wirksamkeit von neu­ en Medikamenten. Schließlich sind auch Einsatzmöglichkeiten im Bereich der Stützung des Gedächtnisses gegeben.

Als behandelbare Störungen können z. B. Epilepsie, Schlagan­ fall oder Bewegungsstörungen angesehen werden.

Die Anwendung von elektrischen Reizen ermöglicht eine lokale Anwendung und vermeidet damit Nebenwirkungen, wie sie Medika­ mente in den meisten Fällen zeigen, die über das Gefäßsystem des Lebewesens zugeführt werden. Darüber hinaus kommt die An­ wendung von elektrischen Reizen auch ohne oder mit nur gerin­ gen und selten vorzunehmenden Eingriffen in den Körper des Lebewesens aus.

Vorzugsweise wird die Stromstärke zwischen 0,2 mA und 4 mA und die Zeitdauer < 1 min bemessen. Diese Bemessungsangaben wurden durch Testreihen ermittelt, bei denen sich ein Neuro­ plastizitätseffekt einstellte. In der Praxis werden Bereiche bevorzugt, die zwischen 0,5 mA und 3 mA Stromstärke liegen und eine Zeitdauer von < 3 min umfassen.

Es handelt sich hier um Werte, die auch bei mehrfacher Anwen­ dung keine Schäden des Gewebes erwarten lassen und außerdem auch nicht eine direkte Nervenreizung auslösen oder als unan­ genehm empfunden werden.

Die Stimulation mit Gleichstrom kann im Inneren des Gehirns, unter dem Schädelknochen, unter der Kopfhaut oder außen an der Kopfhaut vorgenommen werden. Je nach der Art der Zufüh­ rung ergibt sich eine eher globale oder eher lokale Einfluß­ nahme auf die Gehirnregionen.

Die Stimulation kann lokal an einer Gehirnregion oder an meh­ reren Gehirnregion vorgenommen werden, deren Erregbarkeit ge­ dämpft oder gesteigert werden soll. Zur Behandlung einer Stö­ rung kann dies diejenige Hirnregion sein, die in einer vorangegangenen Untersuchung als Ursprung einer zu behandelnden Störung identifiziert wurden.

Es ist dann eine lokal sehr begrenzte Stimulation möglich, die für die Zielregion hochwirksam ist, benachbarte Regionen aber weitgehend unbeeinflusst lässt und schont.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Stimulation zur Blockade eines epileptischen Anfalls vorgenommen und ab­ hängig vom Ergebnis einer Prognose eines bevorstehenden An­ falls gesteuert werden.

Durch die Stimulation lassen sich Hemmungen der Erregbarkeit von regionalen Gehirnregionen erzielen, in denen anfallartige Zustände als Folge synchronisierter neuronaler Entladungen in kortikalen zerebralen Strukturen ihren Ursprung haben. Der Vorteil der Stimulation mit Gleichstrom besteht in einer so­ fort einsetzenden Wirkung durch die Verschiebung des Ruhe­ membranpotentials der beteiligten Gehirnzellen, die auch nach Abschalten der Stimulation noch eine Zeit andauert.

Vorzugsweise wird die Prognose eines bevorstehenden Anfalls durch Auswertung von Hirnstromkurven vorgenommen. Hier zeigt sich nämlich eine Zunahme der Korrelation der an unterschied­ lichen Regionen gemessenen Hirnstromkurven als Vorbote eines epileptischen Anfalls, wodurch eine Auswertekriterium gegeben ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Die Zeichnung zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung. Diese umfasst eine steuerbaren Stromquelle 10 mit Elektroden 12, 14, 16 und eine Steuervorrichtung 18. Die Elektroden 12, 14, 16 sind am Kopf 20 eines Menschen auf der Kopfhaut befestigt. Eine gemeinsame Basiselektrode 12 be­ findet sich über einem Auge, zwei als Kathoden dienende E­ lektroden 14, 16 befinden sich über den Hirnlappen.

Die steuerbare Stromquelle 10 liefert bei Ansteuerung einen Gleichstrom, der zwischen 0,5 mA und 3 mA variiert werden kann. Die Zeitdauer der Applikation von vorzugsweise < 3 min und die gewählte Höhe der Stromstärke wird durch die Steuer­ vorrichtung 18 bestimmt.

Durch die Zuordnung der Polarität der Elektroden 14, 16 als Kathoden wird eine Verminderung der Erregbarkeit der betref­ fenden Bereiche des Gehirns erreicht. Diese Wirkung kann aus­ genutzt werden, um einem sich anbahnenden Epilepsieanfall zu begegnen.

Für diesen Anwendungsfall kann die Vorrichtung durch eine Auswertevorrichtung 22 für Hirnstromkurven ergänzt werden. Bei Auftreten eines Kriteriums als Vorbote eines epilepti­ schen Anfalls kann dann gezielt die Steuervorrichtung 18 zur Abgabe entsprechender Signale an die steuerbare Stromquelle 10 veranlasst werden, während in einem anderen anfalllosen Zeitraum keine Stimulierung erforderlich wird.

Claims (16)

1. Verfahren zur Induktion von Erregbarkeitsänderungen des Gehirns eines Lebewesens durch Stimulation mit Gleichstrom, der dem Gehirn appliziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke und/oder die Zeitdauer des Stromflusses so groß gewählt wird, dass sich ein Neuroplastizitätseffekt ein­ stellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke zwischen 0,2 mA und 4 mA und die Zeitdauer < 1 min bemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke zwischen 0,5 mA und 3 mA und die Zeitdauer < 3 min bemessen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Stimulation mit Gleichstrom im inneren des Gehirns, unter dem Schädelknochen, unter der Kopfhaut o­ der außen an der Kopfhaut vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Stimulation lokal an einer Gehirnregi­ on oder an mehreren Gehirnregion vorgenommen wird, deren Er­ regbarkeit gedämpft oder gesteigert werden soll.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zur stimulierende Gehirnregion in einer vorangegangenen Untersuchung als Ursprung einer zu behandelnden Störung iden­ tifiziert wurde.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Stimulation zur Blockade eines epilep­ tischen Anfalls vorgenommen wird und abhängig vom Ergebnis einer Prognose eines bevorstehenden Anfalls gesteuert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Prognose eines bevorstehenden Anfalls durch Auswertung von Hirnstromkurven vorgenommen wird.

9. Vorrichtung zur Induktion von Erregbarkeitsänderungen des Gehirns eines Lebewesens durch Stimulation mit Gleich­ strom, bestehend aus einer steuerbaren Stromquelle (10) sowie Elektroden (12, 14, 16), über die eine galvanische Verbindung mit dem Gehirn herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuervorrichtung (18) die Stromstärke und/oder die Zeitdauer des Stromflusses der steuerbaren Stromquelle (10) so wählbar ist, dass sich ein Neuroplastizitätseffekt einstellt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke zwischen 0,2 mA und 4 mA und die Zeit­ dauer < 1 min wählbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke zwischen 0,5 mA und 3 mA und die Zeit­ dauer < 3 min wählbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (12, 14, 16) im inneren des Gehirns, unter dem Schädelknochen, unter der Kopfhaut o­ der außen an der Kopfhaut angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (12, 14, 16) lokal an ei­ ner Gehirnregion oder an mehreren Gehirnregion angeordnet sind, deren Erregbarkeit gedämpft oder gesteigert werden soll.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (12, 14, 16) an derjenigen zur stimulie­ rende Gehirnregion angeordnet sind, die in einer vorangegan­ genen Untersuchung als Ursprung einer zu behandelnden Störung identifiziert wurde.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14 zur Blo­ ckade eines epileptischen Anfalls, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (18) ihrerseits abhängig vom Er­ gebnis einer Prognose eines bevorstehenden Anfalls steuerbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (18) mit einer Auswertevorrichtung (22) für Hirnstromkurven gekoppelt ist.