DE102009025407B4

DE102009025407B4 - Vorrichtung zur Stimulation von neuronalem Gewebe mittels optischer Reize

Info

Publication number: DE102009025407B4
Application number: DE102009025407.2A
Authority: DE
Inventors: Peter A. Tass; Marcus Götz; Bernhard Pelz; Stefan Fischer; Jean-Christophe Roulet; Urban Schnell
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: US8721695B2; DE102009025407A1; US20100324631A1

Abstract

Vorrichtung (100 - 800) umfassend:eine Steuereinheit (10), undeine Mehrzahl von N Stimulationseinheiten (11), die in den Körper eines Patienten implantiert sind und optische Reize (12) erzeugen,wobei die optischen Reize (12) bei der Stimulation von Neuronen, die eine krankhaft synchrone und oszillatorische neuronale Aktivität aufweisen, die Phase der neuronalen Aktivität der Neuronen zurücksetzen,wobei die Steuereinheit (10) die Stimulationseinheiten (11) derart ansteuert, dass mindestens zwei der Stimulationseinheiten (11) die Phasen der jeweils stimulierten Neuronen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zurücksetzen, undwobei über die j-te Stimulationseinheit das optische Stimulationssignal S(t)=Ax(t)θ[x(t)] am entsprechenden Stimulationsort j=1, 2, ..., N appliziert wird, wobei Adie Amplitude ist, x(t)=sin[ωt+(j-1)2π/N] ist, ω die Stimulationsfrequenz ist und θ[ξ]=0 für ξ ≤0 und θ[ξ]=1 für ξ>0.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stimulation von neuronalem Gewebe mittels optischer Reize.
Bei zahlreichen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen kommt es im Gehirn zu übermäßig starken Synchronisationsvorgängen neuronaler Aktivität. Dabei sind Nervenzellverbände in umschriebenen Bereichen des Gehirns, z.B. des Thalamus und der Basalganglien, krankhaft, z.B. übersteigert synchron, aktiv. In diesem Fall bildet eine große Anzahl von Neuronen synchron Aktionspotentiale aus, d.h. die beteiligten Neuronen feuern übermäßig synchron, wodurch die Gehirnfunktion massiv beeinträchtigt wird. Beim Gesunden hingegen feuern die Neuronen in diesen Hirngebieten qualitativ anders, z.B. auf unkorrelierte Weise.
Neurologische und psychiatrische Erkrankungen mit übermäßig stark ausgeprägter neuronaler Synchronisation werden bis jetzt - bei Versagen einer medikamentösen Therapie - durch elektrische Hirnstimulation behandelt, wie sie z.B. in der Schrift EP 1 613 394 Bl beschrieben ist. Die Stimulation von Hirngewebe mittels optischer Reize ist aus den Schriften US 2006/0155348 A1 und US 7 288 108 B2 bekannt.
Vor diesem Hintergrund wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur optischen Stimulation gemäß einem Ausführungsbeispiel während des Betriebs;
2A bis 2W schematische Darstellungen von verschieden ausgestalteten Einzelreizen zur optischen Stimulation;
3 eine schematische Darstellung eines periodischen Pulszugs endlicher Länge zur optischen Stimulation;
4 eine schematische Darstellung einer Applikation von optischen Makroreizen mittels einer Mehrzahl von Stimulationseinheiten;
5 eine schematische Darstellung einer Variation der in 4 gezeigten Reizapplikation;
6 eine schematische Darstellung einer weiteren Variation der in 4 gezeigten Reizapplikation;
7 eine schematische Darstellung der Desynchronisation einer Neuronenpopulation mittels der Vorrichtung 100;
8 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 200 zur optischen Stimulation gemäß einem Ausführungsbeispiel während des Betriebs;
9 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 300 zur optischen Stimulation gemäß einem Ausführungsbeispiel während des Betriebs;
10 eine schematische Darstellung der Vorrichtung 300 als Vollimplantat;
11 bis 17 schematische Darstellungen verschiedener Ausgestaltungen zur Einkopplung von optischen Reizen in Glasfasern;
18 bis 21 schematische Darstellungen verschiedener Ausgestaltungen zur Auskopplung von optischen Reizen aus Glasfasern;
22 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 400 zur optischen Stimulation gemäß einem Ausführungsbeispiel während des Betriebs;
23 eine schematische Darstellung einer Schaltung zur Pulsweitenmodulation von optischen Reizen;
24 eine schematische Darstellung einer Verteilung von Lichtpulsen auf verschiedene Glasfasern;
25 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 500 zur optischen Stimulation gemäß einem Ausführungsbeispiel während des Betriebs;
26 eine schematische Darstellung einer Stimulationseinheit zur flächigen optischen Stimulation;
27 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 600 zur optischen Stimulation gemäß einem Ausführungsbeispiel während des Betriebs;
28 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 700 zur optischen Stimulation gemäß einem Ausführungsbeispiel während des Betriebs; und
29 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 800 zur optischen Stimulation gemäß einem Ausführungsbeispiel während des Betriebs.

In 1 ist schematisch eine Vorrichtung 100 zur optischen Stimulation von neuronalem Gewebe dargestellt. Die Vorrichtung 100 besteht aus einer Steuereinheit 10 und einer Mehrzahl von Stimulationseinheiten 11. Während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Vorrichtung 10 sind zumindest die Stimulationseinheiten 11 in den Körper eines Patienten implantiert und erzeugen dort optische Reize 12, mit denen neuronales Gewebe 13 des Patienten stimuliert wird.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Vorrichtung 100 erläutert. Die Funktion der Vorrichtung 100 wird auch anhand von Verfahrensschritten beschrieben. Die Vorrichtung 100 ist mit Mitteln ausgestattet, die alle Schritte der beschriebenen Behandlungsverfahren durchführen können. Mit den offenbarten Verfahrensschritten sollen daher implizit auch Mittel zur Durchführung der Verfahrensschritte offenbart sein. Die Verfahrensschritte stellen somit auch gleichzeitig die funktionalisierten Vorrichtungsmerkmale dar.
Die von den jeweiligen Stimulationseinheiten 11 applizierten optischen Reize 12 können Einzelreize 20 sein, wie sie beispielhaft in den 2A bis 2W gezeigt sind, oder aus derartigen Einzelreizen 20 zusammengesetzt sein. In den 2A bis 2W ist jeweils die Intensität (y-Achse) der Einzelreize 20 gegen die Zeit t (x-Achse) aufgetragen. Die Dauer eines Einzelreizes 20 kann im Bereich von 1 ps bis zu 200 µs oder mehr liegen. Die elektromagnetische Strahlung, aus der die optischen Reize 12 bestehen, kann sichtbares Licht mit Wellenlängen im Bereich von 380 bis 780 nm oder Infrarotstrahlung mit Wellenlängen im Bereich von 780 bis 3000 nm (oder bis zu 10000 nm oder mehr) sein. Elektromagnetische Strahlung mit anderen Wellenlängen für die optischen Reize 12 einzusetzen, ist auch denkbar.
Die Einzelreize 20 können unterschiedliche Formen haben. Als elementare Einzelreize 20 können beispielsweise Rechteckpulse (vgl. 2A) und entsprechende Derivate (vgl. 2B bis 2G) verwendet werden. Dabei können die Ecken des Rechteckpulses 20 (vgl. 2B) oder der Mittelteil (vgl. 2C) abgeschrägt bzw. abgerundet sein oder aber der Mittelteil kann symmetrisch dachförmig ausgebildet sein (vgl. 2D). Ferner können die Anstiegs- und/oder Abstiegsflanken des Rechteckpulses abgeschrägt sein (vgl. 2E), oder aber die Anstiegs- bzw. Abstiegsflanke können höher ausgeführt sein als die jeweils andere Flanke des Pulses 20 (vgl. 2F bzw. 2G) .
Des Weiteren können die Einzelreize 20 beispielsweise als dreieckförmige Pulses ausgeführt sein. Dabei kann die Anstiegs- bzw. Abstiegsflanke steil ausgeführt sein (vgl. 2H bzw. 21) oder der Dreieckspuls kann symmetrisch sein (vgl. 2J). Darüber hinaus kann der Puls 20 eine steile Anstiegsflanke und eine geschwungene, z.B. exponentiell abfallende Abstiegsflanke aufweisen (vgl. 2K), wobei die beiden Flanken auch vertauscht werden können (vgl. 2L). Ebenso kann auch der Mittelteil des Pulses geschwungen sein (vgl. 2M).
Die Einzelreize 20 müssen aber nicht die vorstehend beschriebenen einfachen geometrischen Formen haben. Vielmehr können die Einzelreize 20 aber auch aus verschiedenen Einzelpulsen elementarer geometrischer Form und derselben Lichtwellenlänge zusammengesetzt sein. Ein Einzelreiz 20 kann z.B. aus einem kürzeren, stärkeren und einem schwächeren, längeren Puls zusammengesetzt sein (vgl. 2N). Ferner kann beispielsweise ein Einzelreiz 20 aus unmittelbar aufeinander folgenden Einzelpulsen, wie sie z.B. in den 2D und 2M gezeigt sind, zusammengesetzt sein (vgl. 20). Oder aber ein Einzelreiz 20 kann aus drei aufeinander folgenden Einzelreizen unterschiedlicher Intensität aufgebaut sein (2P). Einzelreize 20 können auch kontinuierliche Wellenformen derselben Lichtfrequenz sein (vgl. 2Q).
Die Einzelreize 20 können auch aus Einzelpulsen unterschiedlicher Lichtfrequenz bestehen (vgl. 2R bis 2U). Die Einzelpulse unterschiedlicher Lichtfrequenz können z.B. zeitlich nacheinander appliziert werden. So kann ein Einzelreiz 20 z.B. aus zwei Rechteckpulsen unterschiedlicher Lichtfrequenz f₁ und f₂ sowie unterschiedlicher Intensität bestehen (vgl. 2R). Des Weiteren können die Formen der Pulsanteile unterschiedlicher Frequenz f₁, f₂ bzw. f₃ unterschiedlich sein (vgl. 2S und 2T), wobei die gestrichelten Linien in den 2S und 2T anzeigen, zu welchem Zeitpunkt die Lichtfrequenz umgeschaltet wird.
Die Einzelpulse unterschiedlicher Frequenz müssen nicht notwendigerweise nacheinander appliziert werden, sondern können auch gleichzeitig oder zeitlich überlappend appliziert werden (vgl. 2U). Der Gesamtreiz ergibt sich bei dem in 2U gezeigten Beispiel als Summe der Einzelpulse zum jeweiligen Zeitpunkt, d.h. für jeden Zeitpunkt wird das Gemisch vertikal summiert.
Des Weiteren kann es sich bei den Einzelreizen 20 auch um Negativ-Impulse handeln, bei denen das Gewebe mit einer optischen DC-Leistung bestrahlt wird und mit Negativimpulsen einer gegebenen Frequenz und Form stimuliert wird (vgl. 2V) .
Die Einzelreize 20 können auch mit einem optischen Offset appliziert werden, was bedeutet, dass das Gewebe mit einer konstanten optischen DC-Leistung bestrahlt wird, welche mit Positiv-Impulsen einer gegebenen Frequenz und Form überlagert wird (vgl. 2W).
Unterschiedliche Frequenzen des zur Stimulation verwendeten Lichts können unterschiedliche Wirkungen im Nervengewebe auslösen, wodurch der Kontrolleffekt der Lichtstimulation noch verbessert werden kann. Auch kann durch die unterschiedliche Eindringtiefe des Lichts unterschiedlicher Frequenz Nervengewebe in unterschiedlichen Tiefen (d.h. in unterschiedlicher Entfernung vom jeweiligen Stimulationsort) relativ selektiv angesteuert werden. Z.B. kann mit Laserlicht einer günstigen Frequenz eine besonders große Eindringtiefe erzielt werden. Mit Laserlicht einer weniger günstigen Frequenz kann bei vergleichbarer Intensität keine so große Eindringtiefe erzielt werden, so dass z.B. nur ein Teil der neuronalen Population bzw. ein Teil des Faserbündels in der Nähe des Stimulationsortes gereizt werden kann. Ferner kann mit einer höheren Lichtintensität in der Regel auch eine größere Eindringtiefe in das Gewebe erzielt werden. D.h. mittels der Parameter Frequenz und Intensität lassen sich unterschiedliche Stimulationswirkungen erzielen.
Die vorstehend beispielhaft aufgeführten Einzelreize 20 können entweder als einzelne Reize 20 oder als Abfolge 30 (bzw. Gruppe) von Einzelreizen 20 verabreicht werden, z.B. als ein wie in 3 dargestellter periodischer Pulszug 30 endlicher Länge, wobei der Pulszug 30 über ein oder mehrere Stimulationseinheiten 11 verabreicht wird. Beispiele für einen solchen periodischen Pulszug 30 sind:

(i) Dauer der Einzelreize 20 im Bereich von einer bis wenigen Pikosekunden (z.B. bis zu 10 ps). Frequenz f₂₀ des periodischen Pulszugs 30, d.h. Wiederholrate der Einzelreize 20 innerhalb des Pulszugs 30, im Bereich von 1 bis mehreren Gigahertz (z.B. bis zu 100 GHz). Dauer Δt₃₀ des einzelnen periodischen Pulszugs 30 im Bereich von 1 bis mehreren Mikrosekunden (z.B. bis zu 100 µs).
(ii) Dauer der Einzelreize 20 im Bereich von 1 bis 200 Mikrosekunden. Frequenz des periodischen Pulszugs 30 im Bereich von 100 bis 200 Hertz. Länge des periodischen Pulszugs im Bereich von 2 bis 20 Einzelreizen.

Statt des in 3 gezeigten periodischen Pulszugs 30 können auch Varianten davon verwendet werden:

(i) Es können andere Einzelreize 20, z.B. die in den 2A bis 2W gezeigten Einzelreize 20 verwendet werden.
(ii) Es kann die Frequenz f₂₀ innerhalb des periodischen Pulszugs 30 variiert werden. Z.B. kann die Frequenz f₂₀ innerhalb des periodischen Pulszugs 30 ansteigen oder abfallen.
(iii) Statt eines (streng) periodischen Pulszugs 30 kann auch die Abfolge der Pausen zwischen den Einzelreizen 20 innerhalb des Pulszugs 30 stochastisch und/oder deterministisch (z.B. chaotisch) variiert werden.

Im Folgenden wird eine wie oben erläuterte und in 3 beispielhaft dargestellte Abfolge 30 von Einzelreizen 20 als Makroreiz 30 bezeichnet. Hinsichtlich der zeitlichen Struktur der Reizapplikation können die Makroreize 30 periodisch oder anderweitig deterministisch (z.B. chaotisch) oder stochastisch oder gemischt deterministisch-stochastisch über die unterschiedlichen Stimulationseinheiten 11 appliziert werden.
Die Vorrichtung 100 kann insbesondere zur Behandlung von neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen, z.B. Morbus Parkinson, essentiellem Tremor, Dystonie, Spastik, Epilepsie, Tremor bei Zustand nach Schädel-Hirn-Trauma, Morbus Alzheimer, spinozerebelläre Ataxie, Schmerzbehandlung, Depression, Bewegungsstörungen, Kleinhirnerkrankungen, Zwangserkrankungen, Tourette-Syndrom, Funktionsstörungen nach Schlaganfall, Spastik, Tinnitus, Schlafstörungen, Schizophrenie, Suchterkrankungen, Persönlichkeitsstörungen, Aufmerksamkeits-Defizit-Syndrom, Aufmerksamkeits-Defizit-Hyperaktivitäts-Syndrom, Spielsucht, Neurosen, Borderline-Persönlichkeitsstörung, Fresssucht, Burnout-Syndrom, Fibromyalgie, Migräne, Cluster-Kopfschmerz, allgemeiner Kopfschmerz, Neuralgie, Ataxie, Tic-Störung oder Hypertonie, aber auch anderen Krankheiten verwendet werden.
Die vorstehend genannten Krankheiten können durch eine Störung der bioelektrischen Kommunikation von Neuronenverbänden, die in spezifischen Schaltkreisen zusammengeschlossen sind, verursacht werden. Hierbei generiert eine Neuronenpopulation anhaltend krankhafte neuronale Aktivität und möglicherweise eine damit verbundene krankhafte Konnektivität (Netzwerkstruktur). Dabei bilden eine große Anzahl von Neuronen synchron Aktionspotentiale aus, d.h. die beteiligten Neuronen feuern übermäßig synchron. Hinzu kommt, dass die kranke Neuronenpopulation eine oszillatorische neuronale Aktivität aufweist, d.h. die Neuronen feuern rhythmisch. Im Fall von neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen liegt die mittlere Frequenz der krankhaften rhythmischen Aktivität der betroffenen Neuronenverbände etwa im Bereich von 1 bis 30 Hz, kann aber auch außerhalb dieses Bereichs liegen. Bei gesunden Menschen feuern die Neuronen hingegen qualitativ anders, z.B. auf unkorrelierte Weise.
Bei der Parkinsonschen Erkrankung findet sich im Bereich der Basalganglien (z.B. STN = Nucleus subthalamicus) und des Thalamus (z.B. VIM = ventrointermediärer Kern des Thalamus) übermäßig synchrone, rhythmische neuronale Aktivität, d.h. Peaks im Frequenzspektrum des lokalen Feldpotentials (LFP), im Bereich um ca. 5 Hz (im Tremor-Frequenzbereich) sowie im Alphabereich (7 bis 12 Hz) und Betabereich (13 bis 30 Hz).
Um gezielt einen krankhaften Rhythmus zu desynchronisieren, kann die Frequenz f₃₀ , mit welcher die Makroreize 30 über eine einzelne Stimulationseinheit 11 verabreicht werden, an die Frequenz des krankhaften Rhythmus angepasst werden, d.h. die Frequenz f₃₀ entspricht der pathologischen Peakfrequenz im LFP ± 25 %. Die Frequenz f₃₀ kann beispielsweise im Bereich von 1 bis 30 Hz liegen und insbesondere im Bereich von 1 bis 20 Hz oder im Bereich von 5 bis 20 Hz oder im Bereich von 10 bis 30 Hz, kann aber auch kleinere oder größere Werte annehmen.
Es kann aber auch ohne eine genaue Anpassung stimuliert werden, da die Stimulationswirkung robust ist bzgl. einer Vertrimmung dieses Parameters. Die Stimulationsperiode T = 1/f₃₀ bildet quasi das periodische Gerüst für die Applikation der Makroreize 30 (vgl. 4 bis 6).
Ein für die oben beschriebenen Zwecke geeignetes Stimulationsverfahren, das beispielsweise mit der Vorrichtung 100 durchgeführt werden kann, ist in 4 schematisch dargestellt. Dort sind untereinander die über die einzelnen Stimulationseinheiten 11 applizierten optischen Reize 12 gegen die Zeit t aufgetragen. In dem in 4 gezeigten Beispiel werden optische Reize mit Hilfe von elf Stimulationseinheiten 11 verabreicht. Die dargestellten schwarzen Balken stehen jeweils für einen Makroreiz 30.
Beispielsweise werden in k aufeinander folgenden Stimulationsperioden T optische Reize appliziert, dann werden in m aufeinander folgenden Stimulationsperioden T keine Reize appliziert (k, m sind natürliche Zahlen). Dieses zeitliche Muster kann periodisch wiederholt werden: k Zyklen (= Stimulationsperioden T) ON (= mit Stimulation), m Zyklen OFF (= ohne Stimulation), k Zyklen ON, m Zyklen OFF usw. In den in 4 und 5 gezeigten Beispielen ist das Stimulationsmuster 3 Zyklen ON, 2 Zyklen OFF. In 6 ist das Stimulationsmuster 4 Zyklen ON, 3 Zyklen OFF. In einer anderen Ausführungsform können die Parameter k und m auch zeitlich variiert werden, z.B. periodisch, chaotisch oder anderweitig deterministisch oder aber stochastisch oder gemischt deterministisch/stochastisch.
Es kann vorgesehen sein, dass mittels aller vorhandener Stimulationseinheiten 11 der Vorrichtung 100 oder über eine Untermenge davon optische Reize 12 applizieren werden. Die Untermenge der zur Reizung verwendeten Stimulationseinheiten 11 kann aufgrund von Vorinformation, z.B. mittels bildgebender Verfahren erhaltener anatomischer Information und/oder mittels über (separater, mit einem anderen Gerät durchgeführter) Mirkoableitungen erzielter funktioneller Information, selektiert werden. Die Untermenge der zur Reizung verwendeten Stimulationseinheiten 11 kann aber auch über funktionelle Tests (Testreizungen über eine im Rahmen des Selektionsverfahrens wechselnde Untermenge von Stimulationsorten) und/oder Messungen elektrophysiologischer Parameter über baulich vereint untergebrachte Messkontakte bestimmt werden.
Die Gesamtzahl der schließlich für die optische Stimulation verwendeten Stimulationseinheiten 11 (= Stimulationsorte) soll mit N bezeichnet werden. Die Stimulationsperiode T wird durch die Anzahl N der Stimulationseinheiten 11 dividiert, so dass die Stimulationsperiode T in gleiche Teile T/N unterteilt wird. Zu Beginn eines jeden solchen Teils kann beispielsweise an jeweils einem anderen Stimulationsort ein Makroreiz 30 appliziert werden, wie es in 6 dargestellt ist. Es können aber auch Abweichungen von diesem zeitlichen Schema von bis zu ± 10 % oder ± 25 % und mehr erfolgen. Die Stimulation verliert hierdurch nicht ihre Wirksamkeit.
Gemäß der in 4 gezeigten Ausführungsform werden in jeder Stimulationsperiode T die Makroreize 30 sequentiell in immer derselben Reihenfolge über die N Stimulationseinheiten 11 appliziert.
Wie in 5 gezeigt ist, kann die Reihenfolge der Makroreize 30 in jeder Stimulationsperiode auch stochastisch variiert werden.
Die Selektion der Reihenfolge der Stimulationseinheiten 11 innerhalb einer Stimulationsperiode T kann auch mit komplexeren, z.B. deterministischen (z.B. chaotischen) sowie gemischt deterministisch/stochastischen Algorithmen erfolgen.
Gemäß einer weiteren beispielhaft in 6 dargestellten Ausführungsform werden N Stimulationseinheiten 11 zur optischen Stimulation selektiert. Von diesen N zur Stimulation selektierten Stimulationseinheiten 11 wird pro Stimulationsperiode T nur über eine Untermenge von M Stimulationseinheiten 11 stimuliert (M < N). Hierzu wird die Stimulationsperiode T durch die Anzahl der aktivierten Lichtwellenleiter M dividiert, so dass die Stimulationsperiode T in gleiche Teile T/M unterteilt wird. Da der Stimulationseffekt robust ist, kann von diesem zeitlichen Muster mit bis zu ± 10 % oder ± 25 % und mehr abgewichen werden.
Die Selektion der in der jeweiligen Stimulationsperiode T aktivierten M Stimulationsorte und insbesondere ihre Reihenfolge kann stochastisch oder deterministisch oder gemischt stochastisch/deterministisch erfolgen. Z.B. werden in 6 pro Stimulationsperiode T an 5 (von insgesamt 11) Stimulationsorten Makroreize 30 appliziert, d.h. M = 5, N = 11. Die Auswahl dieser 5 Stimulationsorte und deren Reihenfolge innerhalb einer Stimulationsperiode T erfolgt periodisch.
Des Weiteren kann die Stimulation über eine zeitlich variable Untermenge der selektierten Stimulationseinheiten 11 erfolgen. Dazu werden zunächst wie oben beschrieben N Stimulationseinheiten 11 zur optischen Stimulation selektiert. Von diesen N zur Stimulation selektierten Stimulationseinheiten 11 wird pro Stimulationsperiode T nur über eine Untermenge von im zeitlichen Mittel M Stimulationseinheiten 11 stimuliert (M < N). Hierzu wird die Stimulationsperiode T durch die Anzahl M der aktivierten Stimulationseinheiten 11 dividiert: Die Stimulationsperiode T wird in gleiche Teile T/M unterteilt. In der jeweiligen Stimulationsperiode T kann an genau M oder mehr als M oder weniger als M Stimulationsorten stimuliert werden.
Bei einer Stimulation über eine zeitlich variable Untermenge der selektierten Stimulationseinheiten 11 können zu einem Zeitpunkt mindestens zwei Stimulationsorte gleichzeitig aktiviert werden, wenn in einer Stimulationsperiode T mehr als M Stimulationsorte aktiviert werden. Es kann aber auch mindestens ein überzähliger Stimulationsort außer der Reihe des zeitlichen Aktivierungsschemas aktiviert werden. Werden in einer Stimulationsperiode T weniger als M Stimulationsorte aktiviert, so wird die Aktivierung von mindestens einem Stimulationsort übergangen. Die Selektion der in der jeweiligen Stimulationsperiode T aktivierten Stimulationsorte erfolgt mit deterministischen oder stochastischen oder gemischt deterministisch-stochastischen Algorithmen.
Des Weiteren kann die zeitliche Abfolge an die variable Untermenge der selektierten Stimulationsorte angepasst werden. Die Anzahl, der in der j-ten Stimulationsperiode aktivierten Stimulationseinheiten 11 soll als M_j bezeichnet werden. Die Selektion der Zahlen M₁, M₂, M₃ usw. erfolgt über einen deterministischen oder stochastischen oder gemischt deterministisch-stochastischen Algorithmus. Innerhalb der j-ten Stimulationsperiode werden die M_j Stimulationseinheiten 11 zeitlich äquidistant aktiviert, d.h. mit einer Pause von T/M_j jeweils sukzessive aktiviert. Von diesem zeitlichen Muster kann aber auch bis zu ± 10 % oder ± 25 % abgewichen werden.
Anstelle der vorstehend beschriebenen periodischen Applikation von Makroreizen 30 können diese auch nicht-periodisch appliziert werden. Für die folgende Betrachtung sei angenommen, dass insgesamt N Stimulationsorte für die optische Stimulation ausgewählt seien. Am j-ten Stimulationsort wird zu den Zeitpunkten $τ_{1}^{(j)}, τ_{2}^{(j)}, τ_{3}^{(j)}, τ_{4}^{(j)}, \dots$
ein Makroreiz 30 appliziert. Es kann dabei immer derselbe Makroreiz 30 appliziert werden. Es können aber auch die Parameter der verwendeten Makroreize 30 nach einem deterministischen oder stochastischen oder gemischt deterministisch-stochastischen Algorithmus variiert werden.
Des Weiteren können die zeitlichen Abfolgen $τ_{1}^{(j)}, τ_{2}^{(j)}, τ_{3}^{(j)}, τ_{4}^{(j)}, \dots$
deterministisch oder stochastisch oder gemischt deterministisch-stochastisch sein. Die zeitlichen Abfolgen $τ_{1}^{(j)}, τ_{2}^{(j)}, τ_{3}^{(j)}, τ_{4}^{(j)}, \dots$
können zwischen den unterschiedlichen Stimulationsorten jeweils unkorreliert oder aber statistisch korreliert sein. Außerdem kann diese Korrelation über die Zeit variiert werden.
Bei den Zeitpunkten $τ_{1}^{(j)}, τ_{2}^{(j)}, τ_{3}^{(j)}, τ_{4}^{(j)}, \dots$
kann es sich beispielsweise um gleichverteilte oder Poisson-verteilte oder Gaussverteilte Zufallsprozesse handeln, wobei ein zeitlicher Mindestabstand und ein Maximalabstand zwischen aufeinander folgenden Makroreizen 30 als Nebenbedingung eingehalten wird. Die zu den jeweiligen Stimulationselementen j = 1, 2, 3,..., N gehörenden Zufallsprozesse sind unkorreliert.
Zur Verbesserung der Stimulationswirkung können Pausen eingefügt werden, z.B. nach dem oben beschriebenen Schema k Zyklen ON, m Zyklen OFF. Z.B. können während k Stimulationsperioden T die nicht-periodischen optischen Reize appliziert werden. Dann erfolgt eine Pause von m Zyklen. Danach wiederholt sich der Ablauf wieder.
Es ist auch denkbar, durch die geeignete Verwendung von entsprechenden Einzelreizen Makroreize so zu konstruieren, dass sich zeitlich kontinuierliche Reizformen ergeben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden über N Stimulationseinheiten 11 zeitlich äquidistant versetzte Sinushalbschwingungen appliziert. D.h. über die j-te Stimulationseinheit 11 wird das optische Stimulationssignal S_J(t)=A_Jx_J(t)θ[x_J(t)] appliziert, wobei A_J die Amplitude ist. x_J(t)=sin[ωt+(j-1)2π/N] ist die dem Stimulationssignal zugrunde liegende Sinusschwingung. θ bezeichnet die Heaviside-Funktion, d.h. θ[ξ] = 0 für ξ≤0 und θ[ξ]=1 für ξ>0. Durch die Heaviside-Funktion werden negative Werte des Stimulationssignals auf Null gesetzt. j=1,2,3,...,N bezeichnet den zum Stimulationsort gehörenden Index. Die Amplituden können für alle Stimulationsorte gleich stark gewählt werden, d.h. $A_{1} = A_{2} = A_{3} = \dots A_{N} .$
Die Amplituden können aber auch (i) zeitlich konstant und räumlich verschieden gewählt werden oder (ii) nach deterministischen oder stochastischen oder gemischt deterministisch-stochastischen Algorithmen zeitlich langsam variierend gewählt werden.
Die Stimulationsfrequenz ω kann optimalerweise an die Frequenz des krankhaften neuronalen Rhythmus angepasst werden, wobei sie aber auch bis zu ± 10 % oder ± 25 % und mehr davon abweichen kann.
Ferner können Pausen zwischen die Stimulationssegmente eingeschoben werden, z.B. ganz analog zur pulsförmigen Stimulation nach dem oben beschriebenen Schema k Zyklen ON, m Zyklen OFF.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden über verschiedene Untermengen von Stimulationseinheiten 11 jeweils die Stimulationssignale aus dem vorstehenden Ausführungsbeispiel, aber mit für die jeweiligen Untermengen unterschiedlichen Frequenzen ω₁,ω₂,ω₃,... appliziert. Innerhalb einer Untermenge sind die Stimulationssignale bevorzugt zeitlich äquidistant phasenverschoben. Pausen können dann für die einzelnen Untermengen separat (nach dem Schema k Zyklen ON, m Zyklen OFF) oder für alle N Stimulationsorte eingeschoben werden.
Der einzelne Makroreiz muss nicht überschwellig sein. D.h. ein Makroreiz muss - allein verabreicht - im stimulierten Neuron noch kein Aktionspotential auslösen. Es ist für die erfolgreiche Stimulationswirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schon ausreichend, dass durch das raumzeitliche Muster der Reizapplikation die Erregungsschwelle der einzelnen Neuronen direkt oder indirekt (über Stimulation eines zuführenden Faserbündels) so moduliert wird, dass insgesamt ein desynchronisierender Effekt in der Neuronenpopulation bewirkt wird. Hierdurch wird dann die Koinzidenzrate der stimulierten Neuronenpopulation abgesenkt. Im Ergebnis können krankhaft hochgeregelte synaptische Verbindungsstärken verlernt werden, wodurch sich ein lang anhaltender synaptischer Umbau in den betroffenen Nervenzellverbänden ergeben kann.
Gemäß einer in 7 schematisch dargestellten Ausgestaltung werden einer Neuronenpopulation 40, die eine krankhaft synchrone und oszillatorische Aktivität aufweist, mittels der Stimulationseinheiten 11 optische Reize 12 verabreicht, welche in der Neuronenpopulation 40 ein Zurücksetzen, einen sogenannten Reset, der Phase der neuronalen Aktivität der stimulierten Neuronen bewirken. Durch das Zurücksetzen wird die Phase der stimulierten Neuronen unabhängig von dem aktuellen Phasenwert auf einen bestimmten Phasenwert, z.B. 0°, gesetzt. Somit wird die Phase der neuronalen Aktivität der krankhaften Neuronenpopulation 40 mittels einer gezielten Stimulation kontrolliert. Ferner ist es aufgrund der Mehrzahl von Stimulationseinheiten 11, die separat angesteuert werden können, möglich, die krankhafte Neuronenpopulation 40 an unterschiedlichen Stellen zu stimulieren. Dies ermöglicht es, die Phase der neuronalen Aktivität der krankhaften Neuronenpopulation 40 an den unterschiedlichen Stimulationsstellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zurückzusetzen. Im Ergebnis wird dadurch die krankhafte Neuronenpopulation 40, deren Neuronen zuvor synchron und mit gleicher Frequenz und Phase aktiv waren, in mehrere Subpopulationen aufgespalten. In 7 sind beispielhaft vier solcher Subpopulationen dargestellt (entspricht den vier dargestellten Stimulationseinheiten 11) und mit den Bezugszeichen 41, 42, 43 und 44 gekennzeichnet. Innerhalb einer der Subpopulationen 41 bis 44 sind die Neuronen nach einem Zurücksetzen der Phase weiterhin synchron und feuern auch weiterhin mit derselben pathologischen Frequenz, aber jede der Subpopulationen 41 bis 44 weist bezüglich ihrer neuronalen Aktivität die Phase auf, die ihr durch den optischen Stimulationsreiz aufgezwungen wurde. Dies bedeutet, dass die neuronalen Aktivitäten der einzelnen Subpopulationen 41 bis 44 nach dem Zurücksetzen ihrer Phasen weiterhin einen oszillatorischen oder rhythmischen Verlauf mit derselben pathologischen Frequenz haben, aber unterschiedliche Phasen.
Bedingt durch die krankhafte Interaktion zwischen den Neuronen ist der durch die Stimulation erzeugte Zustand mit mindestens zwei Subpopulationen instabil, und die gesamte Neuronenpopulation 40 nähert sich schnell einen Zustand kompletter Desynchronisation, in welchem die Neuronen unkorreliert feuern. Der gewünschte Zustand, das heißt die komplette Desynchronisation, ist somit nach der Applikation der optischen Reize über die Stimulationseinheiten 11 nicht sofort vorhanden, sondern stellt sich meist innerhalb weniger Perioden oder gar in weniger als einer Periode der pathologischen Frequenz ein.
Eine Theorie zur Erklärung des Stimulationserfolgs basiert darauf, dass die letztlich gewünschte Desynchronisation durch die krankhaft gesteigerte Interaktion zwischen den Neuronen erst ermöglicht wird. Hierbei wird ein Selbstorganisationsprozess ausgenutzt, der für die krankhafte Synchronisation verantwortlich ist. Derselbe bewirkt, dass auf eine Aufteilung einer Gesamtpopulation 40 in Subpopulationen 41 bis 44 mit unterschiedlichen Phasen eine Desynchronisation folgt. Im Gegensatz dazu würde ohne krankhaft gesteigerte Interaktion der Neuronen keine effektive Desynchronisation erfolgen.
Darüber hinaus kann durch die optische Stimulation mit der Vorrichtung 100 eine Neuorganisation der Konnektivität der gestörten neuronalen Netzwerke erzielt werden, so dass lang anhaltende therapeutische Effekte bewirkt werden können. Der erzielbare synaptische Umbau ist von großer Bedeutung für die wirksame Behandlung neurologischer oder psychiatrischer Erkrankungen.
Die krankhafte Neuronenpopulation 40 und insbesondere die einzelnen Subpopulationen 41 bis 44 können auch indirekt stimuliert werden, indem die optischen Reize 12 zuleitenden Nervenfasern zu diesen Populationen verabreicht werden. Beispielsweise können die optischen Reize 12 im Innenohr an verschiedenen Stellen appliziert werden. Die Stimulationsstellen werden dabei so gewählt, dass die Reize von den jeweiligen Stimulationsstellen über zuleitende Fasern an jeweils eine der Subpopulationen 41 bis 44 weitergeleitet werden.
Um durch zeitversetztes Zurücksetzen der Phasen der Subpopulationen 41 bis 44 der krankhaft synchronen Neuronenpopulation 40 eine Desynchronisation der gesamten Neuronenpopulation 40 zu erzielen, kann auf verschiedene Weisen vorgegangen werden. Beispielsweise können optische Makroreize 30 über die verschiedenen Stimulationseinheiten 11 appliziert werden, wie dies oben beschrieben wurde und beispielhaft in den 4, 5 und 6 gezeigt ist.
Die Vorrichtung 100 kann beispielsweise in einem sogenannten „open loop“-Modus betrieben werden, bei welchem vorgegebene optische Reize 12 von den Stimulationseinheiten 11 an das Nervengewebe abgegeben werden. Des Weiteren kann die Vorrichtung auch zu der in 8 gezeigten Vorrichtung 200 weitergebildet werden, welche ein sogenanntes „closed loop“-System darstellt. Die Vorrichtung 200 enthält zusätzlich noch die Messeinheit 15, welche ein oder mehrere Messsignale 16 am Patienten misst und diese an die Steuereinheit 10 weiterleitet. Mit Hilfe der Messsignale 16 kann eine bedarfsgesteuerte Stimulation durchgeführt werden. Die bedarfsgesteuerte Stimulation wird von der Steuereinheit 10 gesteuert. Als optische Stimulationsreize 12 können grundsätzlich alle oben im Zusammenhang mit der Vorrichtung 100 beschriebenen optischen Reize 12 eingesetzt werden.
Die Bedarfssteuerung der Stimulation bringt u.a. die folgenden Effekte mit sich:

(i) Senkung des Energiebedarfs für die Stimulation.
(ii) Senkung des Ladungseintrags und somit Senkung der Nebenwirkungsrate der Stimulation.
(iii) Effektive Stimulation bei optimal geringer Stimulationsintensität. Hierdurch kann insbesondere das Nervengewebe die physiologische (gesunde) Informationsverarbeitung möglichst ungestört wieder aufnehmen, so dass sich die hierzu nötigen synaptischen Vernetzungen wieder ausbilden.
(iv) Nach dem Verlernen der krankhaften neuronalen Dynamik durch die optische Stimulation wird durch die Bedarfssteuerung eine Wächterfunktion ermöglicht, d.h. die Stimulation beginnt erst wieder, sobald sich erneut krankhaft rhythmische neuronale Aktivität ausgebildet hat.

Für die Bedarfssteuerung können folgende Signale verwendet werden:

(i) Elektrische Signale, die an elektrischen Kontaktstellen im Gehirn und/oder Rückenmark aufgenommen werden und die elektrische Aktivität im Gehirn und/oder Rückenmark widerspiegeln. Die Kontaktstellen können baulich vereint mit den optischen Stimulationsorten untergebracht werden und/oder in einer separaten Elektrode untergebracht werden, welche an einer anderen Stelle im Gehirn bzw. Rückenmark implantiert wird. Als invasive Sensoren können beispielsweise Tiefenhirnelektroden, sub- oder epidurale Hirnelektroden, subkutane EEG-Elektroden und sub- oder epidurale Rückenmarkselektroden dienen. Des Weiteren können an peripheren Nerven zu befestigende Elektroden als Sensoren eingesetzt werden. Zusätzlich zu den invasiven Sensoren oder alternativ dazu können auch ein oder mehrere nicht-invasive Sensoren eingesetzt werden, wie z.B. Elektroenzephalographie (EEG)-Elektroden, Magnetenzephalographie (MEG)-Sensoren und Elektromyographie (EMG)-Elektroden.
(ii) Signale, die nicht im Gehirn gemessen werden, aber mit der krankhaften neuronalen Aktivität in einem hinreichend engen oder kausalen Zusammenhang stehen, z.B. die Messung krankhafter motorischer Aktivität mittels z.B. Beschleunigungsmesser oder die Messung vegetativer Parameter wie z.B. Herzfrequenz oder Hautleitwiderstand.

Zur Ermittlung der Bedarfssteuerung können beispielsweise die folgenden Verfahren eingesetzt werden:

(i) Univariate Datenanalyse:
- Einzelne Signale werden ausgewertet. Z.B. wird ein Frequenzspektrum berechnet oder es wird die Amplitude in einem bestimmten Frequenzbereich ermittelt.
(ii) Bi- und multivariate Datenanalyse:
- Zur Steuerung werden nicht einzelne Signale verwendet, vielmehr werden aus zwei oder mehr Signalen relevante Quantitäten ermittelt. Z.B. wird die Phasensynchronisation oder Kohärenz oder Direktionalität der Kopplung (d.h. die Stärke der Beeinflussung: Welcher Prozess treibt den jeweils anderen stärker an?) zwischen zwei Signalen ermittelt (z.B. zwischen einem lokalen Feldpotential, gemessen über elektrische Kontakte im Gehirn, und peripherer Tremoraktivität, gemessen über ein Akzelerometer) .

Das bedarfsgesteuerte Anschalten der optischen Stimulation kann mittels eines oder mehrerer der im Folgenden beschriebenen Verfahren erfolgen:

(i) Detektion pathologischer Aktivität (Bedarfssteuerung im engeren Sinne):
- Dabei wird die Ausprägung des für die Erkrankung relevanten pathologischen Merkmals bzw. der pathologischen Merkmale ermittelt und bei einer bestimmten Ausprägung, z.B. bei Überschreiten eines Schwellwerts, mit der Stimulation begonnen. Ein Beispiel für solch ein pathologisches Merkmal ist z.B. bei einem akinetischen Parkinson-Patienten die Amplitude der krankhaften Aktivität im Beta-Frequenzbereich (zwischen 13 und 30 Hz). Bei Überschreiten der Amplitude über einen Schwellenwert wird die Stimulation aktiviert. Sobald die Amplitude wieder unter den Schwellenwert fällt, wird die Stimulation wieder abgestellt. Alternativ hierzu kann die Stimulation auch während einer Mindestzeitdauer durchgeführt werden. Nach Ablauf dieser Mindestzeitdauer wird ermittelt, ob die Amplitude unter den Schwellenwert gesunken ist.
(ii) Detektion von Vorboten krankhafter neuronaler Aktivität (quasi prophylaktische Stimulation):
- Dabei werden dynamische Prozesse detektiert, welche bei der jeweiligen Erkrankung Vorboten krankheitsspezifischer Vorgänge sind. Beispiele derartiger Vorboten sind z.B. bei Epilepsien krankhafte Synchronisationsvorgänge zwischen verschiedenen Messorten des Gehirns, d.h. zwischen verschiedenen Messkontakten.
(iii) Detektion von neuronalen Zuständen, in denen die desynchronisierende Stimulation besonders stark ausgeprägte, lang anhaltende therapeutische Effekte erzielt. Werden solche neuronalen Zustände detektiert, wird mit der Stimulation begonnen.

Gemäß einer Ausführungsform der bedarfsgesteuerten Stimulation werden die Stimulationsparameter bedarfsgesteuert variiert. Hierzu wird die Stärke der pathologischen Aktivität detektiert. Das Ausmaß der pathologischen Aktivität wird verwendet, um einen oder mehrere Stimulationsparameter, z.B. die Amplitude der optischen Reize, die Länge der Makroreize, die Dauer der Einzelreize, die Form und Frequenz der Einzelreize, die Frequenz innerhalb der Makroreize, die Stimulationsfrequenz, mit welcher die Makroreize appliziert werden, oder die Pausen, mit welchen innerhalb einer Stimulationsperiode die Makroreize appliziert werden usw., zu steuern.
Ferner können die Pausen zwischen der Applikation der optischen Reize 12 bedarfsgesteuert variiert werden. In Abhängigkeit vom Ausmaß der pathologischen Aktivität werden bei der Applikation von Makroreizen nach dem oben beschriebenen Modus k Zyklen ON, m Zyklen OFF die Parameter k und/oder m aktivitätsabhängig variiert. Z.B. können die Pausen (Parameter m) beim Absinken der pathologischen Aktivität verlängert werden.
Es kann ferner eine bedarfsgesteuerte Anpassung der Untermenge der aktivierten Stimulationsorte vorgesehen sein. In Abhängigkeit von der räumlichen Verteilung der pathologischen Aktivität kann die Untermenge der für die Stimulation verwendeten Stimulationsorte variiert werden. Z.B. kann diese Untermenge so angepasst werden, dass nur im Bereich krankhafter Aktivität stimuliert wird.
Bei einzelnen Erkrankungen und auch bei einzelnen Patienten sind die oben aufgeführten Stimulationsmodi unterschiedlich geeignet. Zur Optimierung des therapeutischen Effekts kann die Steuereinheit 10 auch beim einzelnen Patienten abgestimmt auf dessen Bedarf von einem Stimulationsmodus zum anderen wechseln. Z.B. kann die Steuereinheit 10 zuerst eine „starre“, periodische Reizabfolge wie in 4 wählen, um möglichst schnell die krankhaften Symptome zu unterdrücken. Sobald die krankhafte Aktivität nachgelassen hat, kann die Steuereinheit 10 z.B. nach mehreren Tagen zur Erzielung eines umfangreichen Umbaus krankhafter synaptischer Vernetzungen auf den Stimulationsmodus wie in 5 umschalten.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die von der Messeinheit 15 aufgenommenen Messsignale 16, welche das Ausmaß der krankhaften neuronalen Aktivität adäquat repräsentieren, direkt oder gegebenenfalls nach einem oder mehreren Verarbeitungsschritten als optische Stimulationsreize 14 von den Stimulationseinheiten 11 appliziert werden (Feedback-Stimulationsverfahren). Als Messeinheiten 15 können die oben im Zusammenhang mit der Bedarfssteuerung genannten Messeinheiten verwendet werden. Ein einzelnes Messsignal 16 oder eine Mehrzahl von Messsignalen 16 wird nach linearer oder nichtlinearer Verrechnung über alle Stimulationsorte oder über eine Untermenge von Stimulationsorten appliziert. Alternativ hierzu kann das Stimulationssignal auch mit einer Zeitverzögerung bzw. einer Phasenverschiebung über die einzelnen Stimulationsorte appliziert werden.
Für den Fall, dass die am Patienten aufgenommenen Messsignale 16 wieder in den Körper des Patienten eingespeist werden, muss die Vorrichtung 200 nicht notwendigerweise mehrere Stimulationseinheiten 11 enthalten, es könnte grundsätzlich nur eine Stimulationseinheit 11 genügen.
Bei einer linearen Verarbeitung der Messsignale 16 können diese beispielsweise gefiltert und/oder verstärkt und/oder mit einer Zeitverzögerung beaufschlagt werden, bevor die so verarbeiteten Signale mit Hilfe der Stimulationseinheiten 11 verabreicht werden. Im Folgenden wird anhand von Beispielen erläutert, wie aus den Messsignalen 16 durch lineare öder nicht-lineare Verarbeitung optische Stimulationsreize 12 generiert werden können.

(i) Beispiel 1:
- Ein lokales Feldpotential wird gemessen, verstärkt, zur Extraktion der relevanten pathologischen Aktivität bandpassgefiltert und überall, wo dessen Werte negativ sind, auf Null gesetzt. Das so vorverarbeitete Signal wird mit einer Zeitverzögerung von Δt+(j-1)T/M über den j-ten Stimulationsort appliziert (d.h. die Laseramplitude wird beispielsweise mit diesem Signal moduliert), wobei insgesamt M verschiedene Stimulationsorte (= Stimulationseinheiten 11) verwendet werden, Δt eine Zeitverzögerung bezeichnet, welche zur Erzielung der optimalen Stimulationswirkung an den individuellen Patienten angepasst werden kann, und T die Stimulationsperiode ist.
(ii) Beispiel 2:
- Ein lokales Feldpotential x(t) wird gemessen, verstärkt und zur Extraktion der relevanten pathologischen Aktivität bandpassgefiltert. Als nächstes wird das zu x(f) gehörende komplexe analytische Signal z(t) gebildet. Hieraus wird das Stimulationssignal S₁(t)=Cz²(t)z*(t-τ) gebildet. Hierbei ist C ein Verstärkungsfaktor, τ ist eine Zeitverzögerung, die z.B. im Bereich der halben mittleren Periode der krankhaften oszillatorischen Aktivität gewählt werden kann; die Stimulation ist aber durch die spezielle Wahl des Stimulationssignals auch für andere Werte und insbesondere über nahezu den gesamten Bereich von z.B. einem Viertel bis zum Dreifachen und mehr der mittleren Periode der krankhaften oszillatorischen Aktivität effektiv (im Sinne einer Desynchronisation der krankhaften neuronalen synchronen Aktivität). Überall, wo dieses Stimulationssignal negative Werte hat, werden diese auf Null gesetzt, d.h. es ergibt sich das Stimulationssignal S₂(t)=θ[S₁(t)]. θ bezeichnet die Heaviside-Funktion, d.h. θ[ξ]=0 für ξ≤0 und θ[ξ]=1 für ξ > 0 . Das Stimulationssignal S₂(t) wird über alle Stimulationsorte appliziert. Alternativ hierzu können für unterschiedliche Stimulationsorte auch unterschiedliche Zeitverzögerungen gewählt werden.
(iii) Beispiel 3:
- Anstatt des nichtlinearen Stimulationssignals S₁(t) aus obigem Beispiel 2 kann auch ein proportio-integro-differential (PID) Feedback verwendet und - wie unter Beispiel 2 erklärt - weiter verwendet werden (d.h. alle negativen Werte von S₁(t) werden auf Null gesetzt).
(iv) Beispiel 4:
- Aus zwei oder mehr unterschiedlichen Bereichen des Gehirns, welche jeweils von einer Untermenge von Stimulationsorten erfasst werden und deren zugehörige neuronale Aktivität mit Messkontakten registriert werden, werden Stimulationssignale wie in den oben angeführten Beispielen beschrieben kalkuliert. Anders als in den oben angeführten Beispielen werden diese Stimulationssignale dann aber nicht über die Stimulationsorte im Herkunftsbereich appliziert, sondern in einem anderen Bereich. Hier können sich unterschiedliche Kombinationen, die jeweils von der Steuereinheit 10 automatisch ausgetestet werden können, als besonders wirksam erweisen.

Unter anderem bei den im Folgenden genannten Erkrankungen können die Vorrichtungen 100 und 200 erfolgreich eingesetzt werden, wobei hinter den jeweiligen Krankheiten in Klammern Beispiele für effektive Zielpunkte (ZP) genannt sind:
Neurologische Krankheiten:
Parkinsonsche Erkrankung (ZP: Nucleus subthalamicus (STN), ventrointermediärer (VIM) Kern des Thalamus und darunter liegende subthalamische Faserbündel, Globus pallidus internus), essentieller Tremor (ZP: VIM und subthalamische Fasern), Dystonie (ZP: Globus pallidus internus), Spastik (ZP: Nucleus subthalamicus, ventrointermediärer (VIM) Kern des Thalamus und darunter liegende subthalamische Faserbündel, Globus pallidus internus), Tremor bei Zustand nach Schädel-Hirn-Trauma (ZP: VIM und darunter liegende subthalamische Faserbündel, STN), Epilepsie (ZP: STN, Nervus vagus, epileptische Herde u.a. im Cortex, Hippocampus), Morbus Alzheimer (ZP: Hippocampus, Nucleus basalis Meinert), spinozerebelläre Ataxie (ZP: ventrointermediärer (VIM) Kern des Thalamus und darunter liegende subthalamische Faserbündel), Schmerzbehandlung (ZP: Thalamus, Motor cortex) und Cluster-Kopfschmerzen.
Psychiatrische Krankheiten:
Depression (ZP: Nucleus accumbens, subgenual cingulate [Cg25], inferior thalamic peduncle, lateral habenula, Vagus-Nerv), Zwangserkrankung (ZP: Nucleus accumbens, inferior thalamic peduncle) und Tourette-Syndrom (ZP: centromedianparafasciculärer und ventral-oraler Komplex des Thalamus, Substantia periventricularis, Nucleus accumbens, Capsula interna, Globus pallidus internus).
Die Lichtstimulation mittels der Vorrichtungen 100 und 200 erfordert den Einsatz einer Lichtquelle mit ausreichender Energie und geeigneter Signalform. Beispielsweise sind (z.B. durchstimmbare) Laser mit Wellenlängen im Bereich von 1 bis 1,6 um und einer Energie zwischen 200 µJ und 5 mJ oder gepulste Laser mit Wellenlängen zwischen 1 und 8 um und Pulsenergien zwischen 150 µJ und 5 mJ geeignet, beim Auftreffen auf Nervengewebe Aktionspotentiale auszulösen. Diese Laser sind noch vergleichsweise groß und können momentan nur außerhalb des Körpers eingesetzt werden. Es ist aber zu erwarten, dass die Laserentwicklung insbesondere im Bereich der Diodenlaser in absehbarer Zeit derart kleine Geräte ermöglicht, dass diese auch innerhalb des Körpers als Implantate eingesetzt werden können. Die Modulation einzelner Neuronenpopulationen gemäß dieser Erfindung erfordert aber nicht unbedingt die Auslösung von Aktionspotentialen. Vielmehr kann eine Sensibilisierung der entsprechenden Neuronenpopulationen auch über eine unterschwellige Stimulation erfolgen. Hierfür können neben Lasern und Laserdioden auch andere Lichtquellen, wie z.B. lichtemittierende Dioden (LED), eingesetzt werden.
Das Licht wird dann mittels geeigneter Komponenten in eine oder mehrere Lichtleitfasern, die zu einem Faserbündel zusammengefasst sein können, eingekoppelt. Entsprechende Komponenten werden weiter unten vorgestellt.
Die unterschwellige Stimulation hat den Vorteil, dass die Laserenergie relativ niedrig gewählt werden kann und das Risiko der Gewebeschädigung bei zu hohen Pulsenergien oder durch lange einwirkende Lichtenergie entfällt.
Lichtleitfasern und Faserbündel können sehr dünn angefertigt werden, so dass es möglich ist, mit sehr vielen Fasern (z.B. mehr als hundert oder gar mehreren hundert Fasern) in ein Zielgebiet einzudringen. Weiter unten werden auch kompakte Anordnungen zur Auskopplung des Lichts dargestellt, die eine hohe Anzahl von Kontaktstellen des Lichtaustritts mit dem Zielgebiet erlauben. Eine hohe Anzahl von Kontaktstellen ist insbesondere bei desynchronisierenden Stimulationsverfahren und Feedback-Stimulationsverfahren von großem Interesse, da eine große Anzahl der Kontaktstellen bei diesen Verfahren einen besonders effizienten therapeutischen Umbau der betroffenen Nervennetzwerke ermöglicht.
Die Eindringtiefe des Lichts kann bei Wahl bestimmter Wellenlängen zudem deutlich kleiner als die Ausdehnung üblicher Stromverteilungen bei der elektrischen Stimulation gewählt werden. Auf diese Weise ist eine genauere räumliche Begrenzung der Stimulationswirkung möglich. Insbesondere benötigt die Lichtstimulation auch keine Gegenelektrode, so dass die Wirkung tatsächlich auf einen definierten Ort beschränkt werden kann.
Da die Lichtstimulation keine elektrischen Ladungsflüsse verursacht, kann gleichzeitig mit der Stimulation eine elektrische Ableitung von Hirnströmen oder Potentialen ohne gegenseitige Beeinflussung erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass Ableitungen, d.h. die Aufnahme der Messsignale 16, kontinuierlich auch während der Stimulation erfolgen können. Insbesondere entstehen keine Totzeiten, wenn die abgeleiteten Signale entweder unmittelbar oder nach einer weiteren Bearbeitung als Feedback-Signale, d.h. als Stimulationssignale verwendet werden sollen.
Bei der Lichtstimulation werden keine Ladungen in das Gewebe oder die Zellen transportiert. Demnach sind auch keine aufwendigen Maßnahmen oder elektrischen Schaltungen für die Ladungsbalancierung erforderlich. Ladungsbalancierung bedeutet, dass innerhalb kurzer Zeitintervalle genauso viele Ladungen in das Zielgebiet hinein wie aus ihm heraus fließen. Bei kontinuierlichen elektrischen Signalen ist eine derartige Ladungsbalancierung problematisch. Die Lichtstimulation ist demnach von großem Vorteil für Feedback-Stimulationsverfahren, bei denen wünschenswerterweise kontinuierliche Stimulationssignale verwendet werden.
Da die Lichtleitfasern aus Glas oder Kunststoff ohne jegliches Metall gefertigt werden können, sind sie weder stromleitend noch magnetisch. Demnach kann die Lichtstimulation ohne gegenseitige Beeinflussung gleichzeitig mit bildgebenden oder diagnostischen Verfahren wie Magnetenzephalographie (MEG), Elektroenzephalographie (EEG) und Kernspintomographie (MRT) erfolgen.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele für die Vorrichtungen 100 und 200 vorgestellt. Einzelne im Zusammenhang mit bestimmten Ausführungsbeispielen genannte Merkmale können auch mit anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
In 9 ist eine Vorrichtung 300 als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Mittels einer Lichtquelle 50, die ein Laser, eine Laserdiode, eine LED oder eine andere Lichtquelle sein kann, wird ein Lichtstrahl 51 erzeugt, der mit Hilfe einer flexiblen Lichteinkopplung 52 auf mehrere Eingänge eines aus mehreren Lichtleitern 11 bestehenden Faserbündels 53 verteilt wird. Eine Steuereinheit 10 gibt dabei vor, zu welchem Zeitpunkt das Licht, ein einzelner Lichtpuls oder ein Zug von Lichtpulsen in welche Faser 11 des Faserbündels 53 eingekoppelt wird. Die Auskopplungspunkte 54 der einzelnen Fasern 11 des Fasernbündels 53, d.h. die Enden der Fasern 11, liegen an verschiedenen Stellen im Zielgebiet 55, hier einem Areal im Gehirn. Das Licht stimuliert somit unterschiedliche Orte des Zielgebiets 55 in einer durch die Steuereinheit 10 vorgegebenen zeitlichen Abfolge.
10 zeigt die Vorrichtung 300 in einer Form, bei der die Lichtquelle 50, die Fasereinkopplung 52 und die Steuereinheit 10 sich als implantierte Geräte im Körper des Patienten befinden. Bei dieser Ausführung ist es zweckmäßig, die Lichtquelle 50, die Lichteinkopplung 52 und die Steuereinheit 10 in einem gemeinsamen implantierbaren Gehäuse 56 mit einem Anschluss für das Faserbündel 53 unterzubringen.
Für die Erfindung ist es zweckmäßig, dass Licht aus der Lichtquelle 50 in eine oder mehrere Lichtleitfasern 11 eingekoppelt wird. Dabei ist auch möglich, dass ein Lichtstrahl auf mehrere benachbarte dünne Fasern 11 verteilt wird, die dann das Licht gemeinsam transportieren. Im Folgenden werden unterschiedliche Komponenten zur Bewerkstelligung dieser Aufgaben vorgestellt.
In einer ersten Ausführungsform kann die Verteilung des Lichts auf mehrere Fasern 11 eines Faserbündels 53 durch den Einsatz einer in mehreren Strahlen abstrahlenden Lichtquelle 50 oder eines Arrays von Lichtquellen 50 wie z.B. eines LED-Arrays erfolgen. 11 zeigt eine schematische Anordnung dieser Einkopplungsvariante. Zweckmäßigerweise kann zusätzlich ein Mikrolinsenarray 57 eingesetzt werden, um die Strahlen des LED-Arrays 50 auf die Eingangspupillen des Faserbündels 53 abzubilden. Aus Gründen der einfacheren Darstellung sind in 11 das LED-Array 50, das Mikrolinsenarray-57 und das Faserbündel 53 nur in der Papierebene dargestellt.
Selbstverständlich kann die Einkopplung auch in eine Fläche erfolgen.
12 zeigt eine zweite Ausführung einer Lichteinkopplung in ein Faserbündel 53. In diesem Beispiel wird der Lichtstrahl 51 einer Lichtquelle 50 durch zweidimensionale Ablenkung mittels zweier kippbarer Spiegel 60 und 61 in die einzelnen Fasern 11 des Faserbündels 53 gelenkt. Je nach Ausrichtung der beiden Spiegel 60, 61, die um unterschiedliche Achsen gekippt werden können, wird der Eingang einer anderen Faser 11 getroffen und das Licht in diese eingekoppelt. Die Kippung der Spiegel 60, 61 kann dabei mittels unterschiedlicher Antriebe wie z.B. Piezostellelementen erfolgen. Die Kippung der Spiegel 60, 61 kann ferner um unterschiedliche Achsen erfolgen, so dass eine zweidimensionale Bewegung möglich ist. In 12 wurde diese Variante aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt.
Möglich ist auch die Verwendung eines einzelnen flexibel aufgehängten Spiegels oder Spiegelarrays statt der Verwendung zweier Spiegel.
Eine weitere Ausführungsform ist schematisch in 13 dargestellt. Hier wird ein elektrooptisches Bauelement 62 verwendet, das eine Ablenkung eines eintretenden Lichtstrahls 51 verursachen kann. Das elektrooptische Bauelement 62 kann z.B. ein akustooptischer Modulator (AOM) sein. In dessen Medium wird durch Anlegen eines hochfrequenten Spannungssignals aus einem Signalgenerator 63 eine stehende akustische Welle erzeugt, die in der Lage ist, das Licht in eine bestimmte Richtung zu beugen.
Andere Ausgestaltungen für die Lichteinkopplung sind auch denkbar. Z.B. kann das Faserbündel 53 selbst zweidimensional bewegt werden, so dass der Lichtstrahl 51 je nach Position des Faserbündels 53 in eine andere Faser 11 gelangt.
Bei jeder der genannten Ausführungsformen wird das gepulste oder nicht gepulste Licht einer Lichtquelle 50 (Laser, Laserdiode, LED, oder andere) auf viele Fasern 11 verteilt. Im Prinzip ist möglich, das Licht in einer beliebigen Verteilung auf beliebig viele Fasern 11 (z.B. 1 bis 100) zu verteilen. Da diese Fasern 11 im Zielgewebe unterschiedlich positioniert sein können, ist demnach eine sehr hohe räumliche Auflösung der Lichtstimulation möglich.
In den 14 bis 16 sind Ausführungsformen gezeigt, bei denen das Licht der Lichtquelle 50 mittels einer geeigneten Optik auf die Eingänge vieler Fasern 11 abgebildet wird. Mit Hilfe der nachfolgend beschriebenen Vorrichtungen kann erreicht werden, dass das Licht selektiv nur bestimmte vorgegebene Fasern 11 durchläuft.
In 14 sind zwei Ausgestaltungen eines „Embedded Grating“-Stimulators gezeigt. Dabei wird die Transmission der Glasfasern 11 durch integrierte, variable Gratings 64 moduliert. Die Gratings 64 bestehen aus Gittern, deren Abstand variiert werden kann. Je nach Abstand der Gitter zueinander ergibt sich eine konstruktive oder destruktive Interferenz, die die Transmission des Lichts durch die jeweilige Faser 11 erlaubt oder unterbindet. Die Abstandsvariation der Gitter erfolgt durch einen mechanischen (piezo) oder thermischen Aktuator 65. Bei der oberen in 14 gezeigten Ausgestaltung wird das von der Lichtquelle 50 erzeugte Licht mittels einer refraktiven Kopplungsoptik 66 in die Fasern 11 eingespeist, während bei der unteren Ausgestaltung eine diffraktive Kopplungsoptik 67 verwendet wird.
15 zeigt schematisch eine Ausgestaltung eines „Fabry-Perot Switch“-Stimulators. Die Einkopplung des Lichts in die Glasfasern 11 erfolgt durch variable Fabry-Perot Kavitäten eines Fabry-Perot-Arrays 70. Die Modulation der Fabry-Perot Kavitäten erfolgt durch deformierbare Membrane. Je nach Deformation der jeweiligen Membran findet eine Lichttransmission statt oder wird verhindert. Fabry-Perot Switches sind integriert in MEMS-Form (mikroelektromechanisches System) erhältlich.
16 zeigt schematisch eine Ausgestaltung eines DOE (diffractive optical element)-Stimulators. Die Einkopplung des Lichts in die Glasfasern 11 erfolgt durch ein Fan-Out DOE 67 und einen Lichtmodulator 71. Der Lichtmodulator 71 kann z.B. als Flüssigkristallshutter ausgebildet sein, der eine selektive Transmission erlaubt.
17 zeigt schematisch eine Ausgestaltung eines „MEMS optical shutter“-Stimulators. Die Einkopplung des Lichts in die Glasfasern 11 wird durch mikro-mechanisch aktuierte Umlenkspiegel 72 moduliert. Dabei wird das Licht einer Lichtquelle 50 über eine Glasfaser 73 und einen Kollimator 74 in einen Kanal 75 in einem Halbleiterchip 76 eingeführt. Aktuatoren 77 können die Umlenkspiegel 72 bewegen und dementsprechend das Licht in die gewünschten Fasern 11 einspeisen. Den Fasern 11 ist ferner jeweils eine Kopplungsoptik 78 vorgeschaltet.
Das aus der Faser 11 oder dem Faserbündel 53 austretende Licht kann auf unterschiedliche Weise an bestimmte Orte im Zielgebiet geführt werden. Im Folgenden werden dazu einige in den 18A bis 18B schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele erläutert.
Die Lichtaustrittsenden der einzelnen Fasern 11 des Faserbündels 53 können durch Anschliff, andere mechanische Bearbeitung, chemische Bearbeitung oder Anschmelzung so geformt (vgl. 18A) oder durch Anbringung von miniaturisierten Prismen 80 (vgl. 18B) so erweitert werden, dass das Licht nicht nach vorne, sondern in unterschiedlichen Winkeln zur Seite austritt. Dadurch ist es möglich, die Stimulation sehr gezielt in seitliche Richtungen vorzunehmen. Zusätzlich ist es möglich, die Faserenden so zu formen, dass sie eine Linse 81 ausbilden, so dass der austretende Lichtstrahl in einem vorgegebenen Arbeitsabstand fokussiert wird (vgl. 18C). Diese Fokussierung ist auch dadurch realisierbar, dass eine miniaturisierte Linse 81 direkt vor dem Lichtaustrittsende bzw. dem zusätzlich angebrachten Prisma 80 angebracht wird (vgl. 18D).
Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere Fasern 11 des Faserbündels 53 zusammen zu fassen und das Licht aus allen Fasern 11 gemeinsam in eine bestimmte Richtung zu lenken und/oder dieses zu fokussieren. Außerdem ist es möglich, einzelne Fasern 11 aus dem Faserbündel 53 zu lösen und in eine andere Richtung zu führen (vg. 18C).
Es können auch am Glasfaserende passive Elemente in die Glasfaser 11 integriert sein, die das Licht in die gewünschten Richtungen ablenkt. Z.B. zeigt 19A eine in die Glasfaser 11 integrierte Linse 83 zur Fokussierung des Lichts, 19B zeigt einen isotropen Diffusor 84, der z.B. durch Aufrauen der Oberfläche der am Faserende angeordneten Kugel hergestellt wird, und 19C einen anisotropen Reflektor/Diffusor 85. Der Reflektor ist dabei durch eine partielle Verspiegelung realisiert.
Die Verteilung des Lichts auf verschiedene Orte kann auch auf andere Weise erfolgen: Durch Anätzung, mechanische Aufrauung oder andere Verfahren ist es möglich, eine einzelne Lichtleitfaser 11 so zu behandeln, dass Licht nur an den betroffenen Flächen austreten kann. Auf diese Weise sind z.B. punkt-, rechteck- oder ringförmige Austrittsstellen realisierbar.
20A zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine einzelne Faser so behandelt wurde, dass das Licht aus drei bearbeiteten Ringen seitlich austritt. 20B zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einzelnen Lichtaustrittspunkten und -rechtecken 91, die in beliebiger Anordnung an der Faser 11 platziert sein können.
Andere Formen der Aufrauung oder Anätzung als die dargestellten sind selbstverständlich auch möglich. Selbstverständlich ist es auch möglich, einzelne Fasern 11 eines Faserbündels 53 mit den oben beschriebenen Methoden zu behandeln.
Weiterhin ist es möglich, am Ende des Faserbündels 53 oder einer einzelnen Faser 11 einen wie in 21 gezeigten Mikro-Kippspiegel 92 anzubringen, der das aus dem Faserbündel 53 oder der einzelnen Faser 11 austretende Licht in einer steuerbaren Art und Weise in verschiedene Richtungen zu lenken vermag. Der Kippspiegel 92 kann z.B. um 2 Achsen bewegt werden, so dass das Licht in alle Richtungen gelenkt werden kann. Der Kippspiegel 92 kann in ein Gehäuse aus biokompatiblem Material eingebaut sein.
Es sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen auf die Lichtleitung mittels Fasern oder Faserbündeln verzichtet wird. Dabei wird das Signal zunächst elektrisch in das Zielgebiet übertragen, in dem sich einzelne Lichtquellen 11, z.B. LEDs, befinden. Eine Vorrichtung 400 als Ausführungsbeispiel für diese Variante ist schematisch in 22 gezeigt. Das Signal der implantierten Steuereinheit 10 wird mittels einer elektrischen Leitung 93 in das Zielgebiet geführt, wo sich einzelne Lichtquellen 11 befinden, die in einer geeigneten Anordnung z.B. einer Kunststoff-ummantelten Sonde 94 angebracht sind. Die Anzahl und Positionierung der Lichtquellen 11 ist vielfältig gestaltbar.
Diese Ausführung kann auch so angeordnet werden, dass sich einzelne Komponenten außerhalb des Körpers des Patienten befinden.
Bei allen oben genannten Ausführungen können unterschiedliche Möglichkeiten zur Erzeugung von gepulstem Licht bzw. von beliebig geformten Pulszügen verwendet werden.
Zunächst ist es möglich, durch elektrische Ansteuerung einer Laserdiode oder LED diese dazu zu veranlassen, dass sie gepulstes Licht aussendet. Dies kann über eine einfache lineare Amplitudensteuerung erfolgen, bei der die Lichtmenge direkt über den Strom gesteuert wird. Die Steuerung der Lichtmenge kann aber auch über verschiedene Formen der Pulsweitenmodulation geschehen. Hier wird die Lichtmenge über das Verhältnis aus Ein- und Ausschaltdauer mit einer hohen Frequenz gesteuert. Dies ist durch den nichtlinearen Zusammenhang von Strom zu abgestrahlter Lichtleistung durch einfache Stromansteuerung nicht möglich. Ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung, mit der eine Pulsweitenmodulation realisiert wird, ist in 23 wiedergegeben. Das Eingangsmodulationssignal 95 wird beispielsweise mit einem Dreieckssignal 96 in einem Komparator 97 verglichen und anschließend von einem Verstärker 98 verstärkt. Das Ausgangssignal 99 ist „high“ und das Licht „aus“, wenn das Modulationssignal 95 unter dem Dreieckssignal 96 liegt, andernfalls ist es „low“ und das Licht „an“. Auf diese Weise kann z.B. auch das Problem der Stromabhängigkeit der Emissionswellenlänge einer Laserdiode oder LED umgangen werden.
Schließlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, um mit elektrooptischen Elementen (Schaltern, Modulatoren), wie Pockelszellen, Flüssigkristalle, nichtlinearen Kristallen oder akustooptischen Modulatoren, aus einem Dauerstrich- oder gepulsten Strahl einer Lichtquelle einzelne Pulse oder Pulszüge in beliebiger Länge und Anordnung der einzelnen Pulse herauszupicken. Solche Elemente werden gelegentlich als „Pulspicker“ bezeichnet. In 24 ist ein schematisches Beispiel für eine beispielhafte Stimulationsform gezeigt. Das Licht wird hier mit Hilfe eines Pulspickers 101 auf die Eingänge von vier Lichtleitfasern 11 so verteilt, dass in einem zeitlichen Abstand in jeder Faser 11 drei aufeinanderfolgende Lichtpulse transportiert werden. Sind nun die Kontaktstellen der Fasern 11 im Zielgebiet auf eine der oben angegebenen Weisen an unterschiedlichen Orten im Zielgebiet verteilt, ergibt sich eine wie in 7 gezeigte Stimulation.
Jedes der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele lässt sich dadurch erweitern, dass die Lichtstimulation mit einer elektrischen Ableitung kombiniert wird. 25 zeigt ein Beispiel, bei dem im Zielgebiet ein Potentialaufnehmer als Messeinheit 15 positioniert ist, der das Messsignal 16 über ein elektrisches Kabel 102 zu einem Aufnahmegerät 103 leitet, wo es verarbeitet, dargestellt und ausgewertet werden kann. Ferner kann das Aufnahmegerät 103 mit der Steuereinheit 10 in Verbindung stehen.
Selbstverständlich ist die zusätzliche elektrische Ableitung auch mit einer Anordnung von Implantaten innerhalb des Körpers zu realisieren.
Die Lichtstimulation und die elektrische Ableitung lassen sich in geschickter Art und Weise so miteinander kombinieren, dass die für die Ableitung benötigte elektrische Leitung durch in die Fasern eingearbeitete oder an den Fasern entlang verlegte elektrische Leiter vorgenommen wird. Beispielsweise können die elektrischen Leiter einzelne Fasern ringförmig umschließen und am Faserende in eine Ableitelektrode münden. Auf diese Weise ist nur ein einziger Zugang zum Zielgebiet erforderlich.
Die Kombination kann aber auch so ausgeführt werden, dass an einzelnen Lichtaustrittspunkten separate Ableitungen vorgenommen werden. Wenn gewünscht, kann durch diese ortsaufgelöste Messung erreicht werden, dass jeder Ort ein eigenes Rückkopplungssignal erhält und z.B. an einem Ort die Lichtstimulation so erfolgt, dass die Neuronenaktivität an diesem Ort auf „Nullpotential“ geregelt wird.
Neben der Stimulation im Gehirn werden die oben beschriebenen elektrischen Stimulationsverfahren aber auch am Rückenmark eingesetzt, z.B. zur Behandlung oder Linderung von chronischen Schmerzen. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Stimulation von Nervenfasern im Rückenmark oder in anderen Körperregionen eingesetzt werden.
Lichtquellen und Lichtleiter können nicht nur als punktförmige Quellen sondern auch als flächige oder räumliche Quellen ausgebildet werden. Die Erfindung ist nicht auf punktförmige Quellen beschränkt. Beispielsweise kann es an der Hirnrinde sinnvoll sein, eine flächige Stimulation durchzuführen. Dies kann z.B. durch als Matten ausgeführte LED-Arrays erfolgen, die entlang der Hirnrinde angebracht werden.
26 zeigt als Beispiel für eine flächige Stimulation eine Glasfaser 11, an deren Ende über einen optischen Konnektor 104 eine sogenannte Lightpipe 105 angebracht ist. Die Lightpipe 105 kann eine beliebige geometrische Form haben und einen flächigen Austritt des eingespeisten Lichts ermöglichen.
Licht bestimmter Wellenlängen, z.B. nahes Infrarot, kann auch gewisse Strecken durch organisches Gewebe zurück legen. Somit ist es denkbar, dass z.B. auch eine Stimulation der Hirnrinde dadurch erfolgt, dass die Lichtquellen oder Lichtleiter außerhalb der Hirnhäute positioniert werden und die Stimulation durch die Hirnhäute hindurch erfolgt. Bei nur sehr kleinen benötigten Lichtmengen ist auch eine transkranielle Stimulation möglich. Eine solche Vorgehensweise ist natürlich weniger invasiv.
Insbesondere in Fällen, in denen keine dauerhafte Stimulation erforderlich ist, kann es zweckmäßig sein, an einer leicht zugänglichen Stelle des Körpers einen Faserkoppler anzubringen, an den man eine externe Faser oder ein externes Faserbündel ambulant anbringen kann. Im Patienten bleibt dann weiterhin eine Faser oder ein Faserbündel implantiert. Es erfolgt aber nur dann eine Stimulation, wenn die externen Geräte angeschlossen sind. 27 zeigt diese Situation mit einem Faserkoppler 106 am Schädelknochen.
Wie in den bisherigen Ausführungen bereits dargestellt, können die Verfahren der Pulsauswahl mit den Verfahren der Fasereinkopplung in vielfältiger Weise kombiniert werden, so dass es möglich ist, unterschiedliche Pulszüge auf unterschiedliche Fasern zu verteilen. Ebenso sind verschiedene Kombinationen mit elektrischer Ableitung und Nutzung der abgeleiteten Signale zur Generierung neuer Stimulationssignale möglich. Alle oben genannten Verfahren können in zweckmäßiger Weise so miteinander kombiniert werden, dass durch eine Steuerung definiert werden kann, in welcher zeitlichen Abfolge welche Lichtsignalfolgen an welchem Ort im Zielgebiet an den entsprechenden Kontaktstellen austreten sollen. Unter Umständen zieht diese Steuerung Informationen aus den abgeleiteten Signalen heran. 28 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine entsprechend ausgestaltete Steuereinheit 110 zum Einsatz kommt. Die dargestellte Vorrichtung 700 ist eine Weiterbildung der in 25 gezeigten Vorrichtung 500. Die Steuereinheit 110 synchronisiert die Aufgaben der einzelnen Komponenten. Selbstverständlich kann dieses Beispiel auch so ausgeführt werden, dass sich die gesamte Vorrichtung als Implantat im Körper des Patienten befindet. Wechselwirkungen mit externen Steuergeräten sind dann über drahtlose Verbindungen zusätzlich möglich.
29 zeigt schematisch ein Halbimplantat 800 zur optischen Stimulation. Ein externes, nicht in den Körper des Patienten implantiertes Gerät 111 dient zur Generierung von Stimulationssignalen und Einspeisung der Stimulationssignale in das Implantat 112. Zwischen dem externen Gerät 111 und dem Implantat 112 können Signale transkutan und bi-direktional, beispielsweise optisch und/oder induktiv, übertragen werden. Das Implantat 112 erzeugt die optischen Reize 12, die von den Glasfasern 11 an ihre Zielorte gebracht werden.

Claims

Vorrichtung (100 - 800) umfassend: eine Steuereinheit (10), und eine Mehrzahl von N Stimulationseinheiten (11), die in den Körper eines Patienten implantiert sind und optische Reize (12) erzeugen, wobei die optischen Reize (12) bei der Stimulation von Neuronen, die eine krankhaft synchrone und oszillatorische neuronale Aktivität aufweisen, die Phase der neuronalen Aktivität der Neuronen zurücksetzen, wobei die Steuereinheit (10) die Stimulationseinheiten (11) derart ansteuert, dass mindestens zwei der Stimulationseinheiten (11) die Phasen der jeweils stimulierten Neuronen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zurücksetzen, und wobei über die j-te Stimulationseinheit das optische Stimulationssignal S_J(t)=A_jx_j(t)θ[x_j(t)] am entsprechenden Stimulationsort j=1, 2, ..., N appliziert wird, wobei A_j die Amplitude ist, x_j(t)=sin[ωt+(j-1)2π/N] ist, ω die Stimulationsfrequenz ist und θ[ξ]=0 für ξ ≤0 und θ[ξ]=1 für ξ>0.
Vorrichtung (100 - 800) nach Anspruch 1, wobei die von den Stimulationseinheiten (11) applizierten optischen Reize (12) unterschiedliche Stimulationsorte stimulieren.
Vorrichtung (100 - 800) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stimulationsfrequenz ω im Wesentlichen der mittleren Frequenz der krankhaft synchronen und oszillatorischen neuronalen Aktivität entspricht.
Vorrichtung (100 - 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stimulationseinheiten (11) Glasfasern umfassen, welche die optischen Reize (12) zu dem jeweiligen Stimulationsort leiten.
Vorrichtung (100 - 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optischen Reize (12) derart ausgestaltet sind, dass sie in den stimulierten Neuronen keine Aktionspotentiale auslösen.
Vorrichtung (100 - 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Messeinheit (15) zum Aufnehmen von am Patienten gemessenen Messsignalen umfasst.
Vorrichtung (100 - 800) nach Anspruch 6 wobei die Steuereinheit (10) in Abhängigkeit von den aufgenommenen Messsignalen (15) die Stimulationseinheiten (11) ansteuert.
Vorrichtung (100 - 800) nach einem der Ansprüche 6 und 7 wobei sich ein Zeitabschnitt, in dem die Stimulationseinheiten (11) die optischen Reize (12) erzeugen, und ein Zeitabschnitt, in dem die Messeinheit (15) Messsignale aufnimmt, zumindest überlappen.
Vorrichtung (100 - 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stimulation für k aufeinander folgende Zeitabschnitte durchgeführt wird, anschließend für m aufeinander folgende Zeitabschnitte unterbrochen wird und danach wieder aufgenommen wird.
Vorrichtung (100 - 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reihenfolge, in der die Stimulationseinheiten (11) die optischen Reize (12) erzeugen, variiert wird.