DE68923656T2

DE68923656T2 - Behandlung von Schlafstörungen und Zurruhebringen von Unterbrechungen im zirkadianen Rhythmus.

Info

Publication number: DE68923656T2
Application number: DE68923656T
Authority: DE
Inventors: Michael James Williams Brennan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-05-04
Filing date: 1989-05-04
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2009-05-05
Also published as: CA1334541C; US5169380A; EP0344920A1; ATE125719T1; DE68923656D1; EP0344920B1; AU3401489A; AU609977B2

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf eine zur Verwendung bei der Behandlung von Säugetieren geeignete Vorrichtung zur Änderung oder Abwandlung neurophysikalischer Mechanismen. Derartige Mechanismen steuern die zeitliche Steuerung verschiedener Rhythmen im menschlichen Körper wie das menschliche Schlafen-Wachsein, Körperkerntemperatur und metabolische und endokrine Rhythmen.

Hintergrund der Erfindung

Im wesentlichen sämtliche menschlichen biologischen Funktionen zeigen Rhythmen, die sich voraussagbar über eine Zeitdauer von eben mehr als 24 Stunden ändern. Die Steuerung dieser Rhythmen und ihre Synchronisation auf den normalen 24-Stunden-Tag hängen von einem speziellen Gehirnbereich ab, der von daher als die Uhr des Körpers angesehen werden kann.
Die eigentliche Funktion der Uhr ermöglicht es, daß sich das innere Schlafen-Wachsein, die Kerntemperatur und andere Rhythmen des Menschen mit den ändernden Forderungen der Außenumgebung synchronisieren und dadurch eine optimale Leistung sicherstellen.
Die Zeitdauer der meisten dieser Rhythmen nähert sich, kommt aber nicht gleich 24 Stunden, und dies ist die Bedeutung, die der Anmelder dem Begriff "zirkadiane Rhythmen" beilegt. Die biologische Uhr muß daher alle 24 Stunden zurückgesetzt werden. Diese Phasenverschiebung zum Zurücksetzen der biologischen Uhr ermöglicht es daher dem Menschen, sich an ändernde Zeitpläne anzupassen. Dieses Rücksetzvermögen unterliegt jedoch bestimmten, sehr speziellen Einschränkungen. Merkmale unseres modernen Lebens wie elektrische Beleuchtung, Jet-Reisen über Zeitzonen und Rund-um-die-Uhr- Arbeitszeitpläne haben dem menschlichen zirkadianen Zeitsteuerungssystem Bedingungen auferlegt, die die biologische Uhr über ihr Vermögen hinaus beanspruchen, die Synchronisation der Körperrhythmen mit der Außenumgebung aufrechtzuerhalten.
Es ist bekannt, daß der an der Basis des Gehirns befindliche Hypothalamus die für die Zeitsteuerung der zirkadianen Rhythmen verantwortlichen Nervenzentren enthält. Es ist auch bekannt, daß Neurotransmitter, die in den Nervenenden der Nervenzellen im Gehirn enthaltene Chemikalien sind und mittels deren die Zellen miteinander kommunizieren, durch die Zufuhr von Kalziumionen in die Nervenenden freigesetzt werden.
Einer dieser Transmitter, der hemmende Transmitter γ-Aminobuttersäure (GABA), der in einer großen Anzahl von Nervenzellen (Neuronen) im zentralen Nervensystem und im Hypothalamus vorhanden ist, soll bekanntlich eine große Rolle bei der Steuerung der menschlichen zirkadianen Rhythmen spielen.
Jüngst haben Wissenschaftler erkannt, daß die Fähigkeit zum Lernen neuer Information, Konzentration und Vigilanz, Bewegungskoordination, Appetit, Stimmung und sogar sexuelle Funktionen durch Unterbrechungen des zirkadianen Zeitsteuerungssystems stark beeinflußt werden. Ein neuer US-Kongreßbericht schlägt vor, daß psychosoziale und körperliche Probleme, die sich aus der Unterbrechung des zirkadianen Rhythmus ergeben, eines der größeren öffentlichen Gesundheitsprobleme des Jahrhunderts darstellen.
Die DD-A-0246031 offenbart eine Vorrichtung, die ein veränderliches Magnetfeld in Spulen erzeugt, die auf beiden Seiten des Kopfes positioniert sind. Dieses sich ändernde Magnetfeld erzeugt wiederum ein schwaches elektrisches Feld, und die beiden pflanzen sich in der Form eines elektromagnetischen Feldes zusammen fort. Die erzeugte Welle umfaßt einen Träger mit einer Frequenz zwischen 30 und 150.000, vorzugsweise 50.000 Perioden pro Sekunde. Dieser Träger wird durch ein Tonfrequenzsignal moduliert.
Die US-A-3497637 offenbart ein Paar isolierter Elektroden zur Herstellung eines elektrischen Feldes an ausgewählten Seiten des Gesichtsnervensystems. Diese Vorrichtung erzeugt eine elektromagnetische Welle.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dient zur Behandlung eines Säugetiers zur Änderung oder Abwandlung neurophysikalischer Mechanismen. Die Vorrichtung kann die Aktivität von Neurotransmittern in dem Gehirnbereich eines Säugetiers modifizieren. Der Begriff "Gehirnbereich" wird hier verwendet, um das Gehirn und den Hypothalamus zu bezeichnen.
Die neue Vorrichtung umfaßt ein Paar Elektroden, die jeweils ein im wesentlichen ebenes Element und eine Schicht aus dielektrischem Material umfassen, wobei die Schicht aus dielektrischem Material bei Gebrauch zwischen dem Kopf des Säugetiers und dem ebenen Element positioniert ist. Des weiteren umfaßt die Vorrichtung ein Kopfbandmittel, das mit den Elektroden verbunden ist, um die Elektroden elektrisch voneinander zu isolieren, während es die Elektroden benachbart von im wesentlichen gegenüberliegenden Außenbereichen des Kopfes des Säugetiers jeweils fixiert, so daß sich wenigstens ein Teil des Gehirnbereichs des Säugetiers zwischen dem Elektrodenpaar befindet.
Die neue Vorrichtung umfaßt auch ein Spannungserzeugermittel, das mit den Elektroden abnehmbar verbunden ist. Das Spannungserzeugermittel ist genommen worden, um bei Gebrauch eine Spannung zu erzeugen, die sich mit einer beliebigen Rate von 5 bis 40 Perioden pro Sekunde bei einem Spitze-zu- Spitze-Wert von wenigstens 100 V ändert, um ein sich änderndes elektrostatisches Feld zwischen den Elektroden zu erzeugen. Alternativ ist das Spannungserzeugermittel genommen worden, um bei Gebrauch eine Spannung zu erzeugen, die ein elektrostatisches Feld zwischen den Elektroden herbeiführt, das sich mit einer beliebigen Rate von 5 bis 40 Perioden pro Sekunde mit einem Spitze-zu-Spitze-Wert von wenigstens 590 V/m in freier Luft ändert.
Die neue Vorrichtung kann verwendet werden, um die Freisetzung von Neurotransmittern zu bewirken oder zu vereinfachen, die Aktivität von Neurotransmittern an einer postsynaptischen Membran im Gehirnbereich des Säugetiers zu modifizieren, Unterbrechungen bei wenigstens einigen der zirkadianen Rhythmen des Säugetiers zu erleichtern oder Schlafstörungen bei einem Säugetier zu mildern. Derartige Anwendungen können hier als Verfahren von oder gemäß der Erfindung beschrieben werden.

Beschreibung der Erfindung

Indem wenigstens ein Teil des Gehirnbereichs einem sich ändernden elektrischen Feld ausgesetzt wird, wird angenommen, daß ein Zufluß von Kalziumionen (Ca²&spplus;) in die Nervenenden erleichtert wird, was wiederum die Freisetzung von Neurotransmittern reguliert und erleichtert. Kürzlich durchgeführte Experimente haben gezeigt, daß insbesondere die Freisetzung von GABA erhöht wird, wenn das Nervengewebe einem sich ändernden elektrischen Feld ausgesetzt wird.
Tests haben auch gezeigt, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung Unterbrechungen in zirkadianen Rhythmen erleichtert und von daher unterstützt, daß sich die biologische Uhr selbst zurücksetzt.
Die Spannung ist vorzugsweise eine Wechselspannung mit einer Frequenz von im wesentlichen 10 Perioden pro Sekunde und einem Spitze-zu-Spitze-Spannungswert von im wesentlichen 600 V. Die Spannung kann sich gemäß jeder zweckmäßigen Welle ausgehend von beispielsweise einer Sinuswelle ändern.
Bei dem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel ändert sich jedoch die Spannung in der Form einer Rechteckwelle zwischen Erdpotential und im wesentlichen 600 V und hat einen Arbeitszyklus von 50 %.
Es kann ein Träger vorgesehen sein, um die Elektroden auf jeder Seite des Kopfes des Säugetiers anzubringen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt jede Elektrode eine Kupferscheibe auf einer Basisschicht aus einem dielektrischen Material und eine zweite Schicht aus einem dielektrischen Material, die die Kupferscheibe überdeckt, wobei die Kupferscheibe an den Generator anschließbar ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt der Träger ein Kopfband und jede Elektrode umfaßt eine hakenförmige Haltevorrichtung an der Basisschicht zur Fixierung der Elektrode am Kopfband.
Das Kopfband ist vorzugsweise aus einem elastisch dehnbaren Gewebe hergestellt und die Elektroden sind vorzugsweise kreisförmig mit einem Durchmesser von 11 cm.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfaßt jede Elektrode einen Leiter, der in einem dielektrischen Material eingebettet ist, wobei der Leiter in einer Spirale geformt ist und das dielektrische Material Perspex ist, wobei der Träger ein U-förmiges Kopfband umfaßt, das geeignet ist, über den Kopf des Säugetiers zu passen, um die Elektroden auf jeder Seite des Kopfes des Säugetiers zu halten.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können die erforderlichen Elektroden in einer mit Abstand angeordneten Beziehung in der Form einer Kappe oder Haube angeordnet sein, die über dem Kopf der Versuchsperson anordenbar ist. Eine solche Vorrichtung könnte das Aussehen eines herkömmlichen Haartrockners haben.
Der Anmelder hat herausgefunden, daß eine Frequenz von im wesentlichen 10 Perioden pro Sekunde die besten Ergebnisse liefert und daß eine Feldstärke von wenigstens 590 V/m in freier Luft, entsprechend einer Spannung von im wesentlichen 100 V, benötigt wird, um zufriedenstellende Ergebnisse zu liefern. Man gelangt zur Feldstärke E, indem die angelegte Spannung von 100 V durch 0,17 den Abstand zwischen den Seiten des mittleren menschlichen Kopfes dividiert wird.
Es wird angenommen, daß das Freisetzen von GABA bei der Behandlung von Schlaflosigkeit, Angstzuständen und zirkadianen Unterbrechungen wie Jetlag und demjenigen, unter denen Schichtarbeiter leiden, wirksam ist. Es wird weiter angenommen, daß das hier beschriebene Verfahren bei der Behandlung von Depression, Adipositas, Hyperphagie-Syndromen, Hypertonie und Zuständen nützlich ist, bei denen eine Herz-Afterload wichtig ist, wie einer Stauungsinsuffizienz. Das Verfahren kann auch als Muskelrelaxans wirksam sein.
Das Verfahren kann auch Prozesse beeinflussen, die durch andere Neurotransmitter wie die Kathecholamine, Azetycholine, Serotonin, andere Aminosäuren wie Glyzin, Taurin, Glutamat, Aspartat und die gesamte Familie der Neuropeptide ausgelöst werden. Es ist möglich, daß die Wirkungen des elektrischen Wechselfeldes durch Änderungen in den postsynaptischen Rezeptorempfindlichkeiten auf die oben erwähnten Transmitter übertragen werden.

Zirkadiane Zeitsteuerungssysteme

Es wird angenommen, daß Unterbrechungen im zirkadianen Zeitsteuerungssystem, insbesondere dem Schlaf-Wach-Zyklus und dem Körperkerntemperaturzyklus die zugrundeliegende Ursache verschiedener Schlafstörungen wie der Zustand der sogenannten "nichtspezifischen Schlaflosigkeit" sind.
Es ist bekannt, daß die Schlaf-Wach- und Körperkerntemperaturzyklen endogen erzeugt werden, so daß sie Freilaufperioden, das heißt ohne den Einfluß von Umgebungszeitmarken, etwas größer als 24 Stunden, im Mittel 25 bis 27 Stunden, haben.
Es ist die Funktion der biologischen Uhr des Körpers, diese Rhythmen zum normalen 24-Stunden-Tag mitzuführen. Verschiedene unabhängige Untersuchungen haben ein kleines bilaterales Paar von Kernen in dem vorderen Hypothalamus, die suprachiasmatischen Kerne (SCN) als zirkadianen Schrittmacher identifiziert. Da das zirkadiane System, das mit einer Periode größer als 24 Stunden unter Isolationsbedingungen läuft, in natürlichen Umgebungen zu einer 24-Stunden-Periode mitgeführt wird, ist es offensichtlich, daß zirkadiane Systeme auf bestimmte Umgebungszeitmarken empfindlich sind. Wäre dies nicht so, würden wir jeden Tag in Folge später einschlafen, wobei wir uns fortschreitend außer Phase mit den Umgebungs-Tag-Nacht-Zyklen bewegen würden. Der Hell-Dunkel- Zyklus ist eine wichtige Zeitmarke bei sämtlichen Säugetierarten einschließlich des Menschen. Weitere relevante Zeitmarken sind regelmäßig zeitlich festgesetzte Mahlzeiten, Umgebungstemperaturzyklen, soziale Marken und Schwankungen in Umgebungsgeräuschpegeln.

Mitnahme von zirkadianen Rhythmen durch Umgebungszeitmarken

Bei einer Folge von Experimenten, die dazu bestimmt waren, die Wirkung von Umgebungszeitmarken zu untersuchen, wurden Versuchspersonen in Isolationseinheiten studiert, die so aufgebaut waren, daß sämtliche Umgebungsmarken eliminiert waren. Gleichzeitig wurde ein Referenzexperiment in einer nicht abgeschirmten Einheit ausgeführt.
Es wurde herausgefunden, daß bei der nicht abgeschirmten Einheit die zirkadianen Perioden signifikant kürzer als in der abgeschirmten Einheit waren. Somit setzten natürlich vorhandene Marken die Periode der freilaufenden Schlaf-Wach- und Temperaturrhythmen zu 24 Stunden hin herab. Andererseits gab es eine große Tendenz zu einer inneren Desynchronisation bei Versuchspersonen, die in der abgeschirmten Einheit beobachtet wurden. Mit interner Desynchronisation ist gemeint, daß der Schlaf-Wach-Rhythmus mit einer Periode lief, die signifikant verschieden von der des Kerntemperaturrhythmus bei derselben Versuchsperson war. Die Abschirmung des zirkadianen Systems gegen Umgebungsmarken gestattete die Entkopplung der Schlaf-Wach- und Körperkernrhythmen. Während dieser Perioden einer inneren Desynchronisation beklagten sich die Versuchspersonen über das Unvermögen, einzuschlafen, wenn sie dies wünschten, und über Angst- und Spannungsgefühle und sogar Depression. Sämtliche Versuchspersonen, die eine innere Desynchronisation entwickelten, berichteten, daß sie eine lange Zeitdauer im Bett lagen, bevor sie in der Lage waren, zu schlafen, und viele berichteten über gestörten Schlaf mit häufigem Aufwachen. Keine solchen Beschwerden wurden von Versuchspersonen in der nicht abgeschirmten Einheit verlautbart.
Bei einer signifikanten Anzahl von Versuchspersonen war die Periode der Schlaf-Wach- und Temperaturzyklen während der Anwendung eines künstlichen Feldes kürzer als ohne es und in einem Mittel von 1,3 ± 0 7 Stunden. Überdies war die Verkürzungswirkung des Feldes bei den Versuchspersonen mit den längsten zirkadianen Zyklen in Abwesenheit des Feldes größer; dies führte zu größeren Unterschieden zwischen Individuen während der Testabschnitte ohne Feld, als wenn das Feld in Funktion war.
Die Wirkung des künstlichen Feldes auf die innere Desynchronisation war auf zwei Weisen offensichtlich. Bei einigen Versuchspersonen, die dem Feld von Beginn des Experiments an ausgesetzt waren, trat die innere Desynchronisation auf, wenn das Feld ausgeschaltet wurde. Beschwerden über Schlaflosigkeit und Angstgefühle begleiteten die Desynchronisation.
Bei anderen Experimenten hörte eine spontan vorhandene innere Desynchronisation sofort auf, wenn das künstliche Feld eingeschaltet wurde.
Eine signifikante Anzahl von Versuchspersonen erfuhr eine innere Desynchronisation, wenn sie gegen sämtliche Felder geschützt waren, aber nicht ein Fall einer inneren Desynchronisation trat auf, wenn das künstliche Feld in Funktion war.
Ein Satz von Kontrollexperimenten wurde ausgeführt, bei dem elektrische Gleichspannungsfelder (600 V/m) in der abgeschirmten Einheit angelegt wurden. Diese stationären Felder kürzten die Perioden freilaufender zirkadianer Rhythmen nicht ab, noch beeinflußten sie irgendeinen anderen Parameter des Rhythmus, noch beeinflußten sie die innere Desynchronisation.
Zusätzliche vorläufige Daten deuten an, daß eine kurze Exposition gegenüber dem Feld (1 Stunde) bei 24-Stunden-Intervallen ausreichend ist, um die Schlaf-Wach- und Temperaturrhythmen mitzuführen und um eine innere Desynchronisation zu verhindern. Somit würde ein Mitführen auf einem einzigen Ansprechen auf das Feld basieren, wobei das Ansprechen eine Abfallzeit in der Größe eines Tages aufweist.

Wirkmechanismus von elektrischen Feldern

Die Demonstration, daß Schlaf-Wach- und Temperaturrhythmen mit unterschiedlichen Perioden im selben Individuum freilaufen können, deutet an, daß bei der Erzeugung des zirkadianen Rhythmus mehr als ein Schrittmacher betroffen ist. Unter normalen Bedingungen gibt es eine Kopplung zwischen den suprachiasmatischen Kernen SCN, die als Hauptschrittmacher identifiziert sind, und weiteren vermuteten und noch nicht identifizierten Schrittmachern. Vorhandene Daten deuten an, daß der SCN eine Gruppe rhythmischer Funktionen, einschließlich Schlaf-Wach-Zyklen reguliert, während andere Rhythmen, insbesondere die Kernkörpertemperatur, unabhängig reguliert werden. Da eine innere Desynchronisation eine Verkürzung oder Verlängerung der Schlaf-Wach-Periode mit sich bringt, während die Temperaturperiode verhältnismäßig stabil bleibt, scheint es zu sein, daß die Wirkung elektrischer Felder durch den SCN vermittelt wird. Der Anmelder stellt die Hypothese auf, daß die Kopplung zwischen dem SCN-Schrittmacher und dem Kerntemperatur-Schrittmacher zusammenbricht, wenn sich die Periode der SCN-erzeugten Rhythmen außerhalb eines kritischen Bereichs bewegt, indem sie zu kurz oder zu lang wird. Die Wirkung elektrischer Felder besteht somit darin, zu verhindern, daß sich SCN-erzeugte Rhythmusperioden außerhalb des Kopplungsbereichs bewegen, der durch die Art der Kerntemperaturschrittmacher auferlegt ist.
Solange die Schlaf-Wach- und Kerntemperaturrhythmen gekoppelt bleiben, hat die Versuchsperson keine Mühe, zu den zweckmäßigen Zeiten zu schlafen. Wenn eine Desynchronisation auftritt, werden Schlafbeginnlatenzen verlängert.
Es gibt nun viele Daten, die eindeutig demonstrieren, daß eine Schlafbeginnlatenz und Schlafdauer bei normalen Menschen durch die Phase des Kerntemperaturrhythmus eher als die Länge der Periode eines vorhergehenden Wachseins bestimmt sind. Somit ist die Neigung zu Schlaf am größten, wenn sich die Körpertemperatur in einer Abfallphase befindet. Auch ändert sich die interne Struktur der Schlafepisoden mit der Phase des Temperaturzyklus beim Schlafbeginn. Dies trifft zu ungeachtet dessen, wie lang die Versuchspersonen wach waren, bevor sie versuchten, einzuschlafen. Bei Versuchspersonen, in denen Kerntemperatur- und SCN-erzeugte Rhythmen nicht gekoppelt sind, ist Schlaf schwierig, da die Phase des Temperaturzyklus nicht zur selben Zeit zum Schlaf führt, wie die SCN signalisiert, daß Schlaf zweckmäßig wäre.
Die Periodenänderungen in SCN-abhängigen Rhythmen zugrundeliegenden präzisen neurochemischen Mechanismen werden noch nicht klar verstanden. Verschiedene Beweisanzeichen deuten an, daß die hemmenden Neurotransmitter-Gamma-Aminobuttersäure (GABA) eine wichtige Rolle spielt. Es sind im Hypothalamus von Ratten, Affen und den Menschen hohe Pegel von GABA und deren synthetischem Enzym Glutamatdecarboxylase (GAD) vorhanden. Die Pegel von GAD in den kleinen Interneuronen der SCN sind im Hypothalamus am höchsten.
Der Anmelder hat demonstriert, daß die Verabreichung von Natriumvalproat, einer Droge, die die GABA-vermittelte Hemmung steigert, an frei laufende Totenkopfäffchen geeignet ist, die Perioden von Aktivitätsrhythmen entweder zu verkürzen oder zu verlängern.
Aus 24-Stunden-Aufzeichnungen einer Mehrfacheinheit-Aktivität in Scheiben von Ratten-SCN wurde bestätigendes Beweismaterial erhalten. Diese Präparate demonstrieren eine zyklische Aktivität in vitro. Die Aufbringung von GABA auf die Scheiben erzeugte die Hemmung einer spontanen Neuronalzündung auf eine Weise, die bemerkenswert phasenabhängig war.
Es scheint daher klar, daß die den SCN innewohnenden kleinen GABA-ergischen Interneuronen Hauptelemente bei der Erzeugung von zirkadianen Rhythmen sind.
Elektrische Niederfrequenzfelder haben nach Berichten eine große Vielzahl von Wirkungen in vielen biologischen Geweben. Der Basismechanismus dieser Wirkungen besteht in einer Erleichterung von Ca²&spplus; und möglicherweise Wasserstoffionenflüssen durch Zellmembranen. Dies ist bei Nervengewebe von hoher Signifikanz, da eine Freisetzung von Neurotransmittern aus Nervenenden genau Ca²&spplus;-abhängig ist.
Der Anmelder hat die Wirkungen elektrischer Niederfrequenzfelder auf die Freisetzung von ³H-GABA aus vorbelasteten Synaptosomen untersucht, die aus Rattengehirn präpariert wurden. Bei 10 Hz, 600 V/m (in Luft) wurde der spontane Austritt von ³H-GABA durch 16 ± 4 % über Grundlinie erhöht, während eine K&spplus;(15 mM)-depolarisationsinduzierte Freisetzung durch 48 ± 12 % gesteigert wurde. Das experimentelle System setzt den Metabolismus der ³H-GABA auf ein Minimum herab und eliminiert im wesentlichen die Wiederaufnahme eines freigesetzten Transmitters, folglich war die Wirkung des elektrischen Feldes auf die GABA-Freisetzung eher als eine Hemmung der Wiederaufnahme. Es stellte sich heraus, daß Frequenzen von 1 Hz und 45 Hz keine signifikante Wirkung auf einen Transmitterfluß oder eine depolarisationsinduzierte Freisetzung haben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun lediglich zu Beispielszwecken unter Bezugnahme auf die begleitenden schematischen Darstellungen geschrieben, in denen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines menschlichen Kopfes ist und eine von zwei Elektroden, die einen Teil der Vorrichtung gemäß der Erfindung bilden, an seiner einen Seite fixiert zeigt;
Figur 2 eine perspektivische Ansicht der Elektrode selbst ist;
Figur 3 ein Schnitt auf Linie III der Elektrode in Fig. 2 ist;
Figur 4 eine schematische perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Elektroden der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist, befestigt an einem Kopf eines Menschen;
Figur 5 ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltungsanordnung eines Spannungsgenerators ist, der einen Teil der Vorrichtung gemäß der Erfindung bildet; und
Figur 6 ein Schaltbild eines Teils des Spannungsgenerators ist.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

In Figur 1 ist ein Teil der Vorrichtung zur Modifizierung der Aktivität von Neurotransmittern in einem Gehirnbereich eines Säugetiers gezeigt. Die Vorrichtung umfaßt ein Paar von Elektroden 11, die an beiden Seiten des menschlichen Kopfes 12 fixierbar sind. In der Figur ist lediglich eine Elektrode 11 gezeigt, aber eine weitere ähnliche Elektrode ist an der anderen Seite des Kopfes fixiert.
Ein Träger in der Form eines elastisch dehnbaren Kopfbandes 13 ist vorgesehen, um die Elektroden 11 in der Position auf beiden Seiten des Kopfes 12 zu halten. Das Kopfband ist in der Form einer geschlossenen Schleife und ist aus einem elastisch dehnbaren Stoff hergestellt.
Wobei nun auf Figuren 2 und 3 Bezug genommen wird, die Elektrode umfaßt eine Kupferscheibe 14 auf einer Basisschicht 15 eines geeigneten dielektrischen Materials wie desjenigen, das unter dem Warenzeichen Mylar im Handel angeboten wird. Die andere Seite der Scheibe 14 ist mit einer Schicht 16 aus Kunststoffmaterial überdeckt. Bei Gebrauch liegt die Schicht 16 dem Kopf 12 der zu behandelnden Person gegenüber. Ein kreisförmiger Rand 17 mit Kanalform ist vorgesehen, um den Umfangsbereich der Elektrode zu überdecken.
Eine U-förmige Haltevorrichtung 18 ist auf der Außenfläche der Basisschicht 15 angebracht. Bei Gebrauch ist die Elektrode am Band 12 fixiert, wobei die Haltevorrichtung das Band spreizt, wie in Figur 1 gezeigt ist.
Ein isolierter elektrischer Draht 19 ist mit der Kupferscheibe 14 bei 20 verbunden und verläuft durch einen an der Basisschicht 15 befestigten Schenkel 18.1. Bei Gebrauch sind die Drähte 19 der beiden Elektroden mit einem Ausgang eines Spannungsgenerators verbunden, der unten beschrieben wird.
In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Elektroden für die Vorrichtung gemäß der Erfindung gezeigt. Diese Elektroden, die mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet sind, sind am Kopf 12 mittels eines U-förmigen Bandes 22 angebracht, das über den Kopf gelangen kann, um die Elektroden auf beiden Seiten des Kopfes zu halten. Jede der identischen Elektroden umfaßt einen scheibenförmigen Perspexkörper 23, in den ein in der Form einer Spirale 24 angeordneter elektrischer Leiter eingebettet ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Leiter in der Form eines Geflechts angeordnet sein (nicht gezeigt).
Elektroden 21 sind am Band 22 einstellbar angebracht, um zu gestatten, daß sie daran gehandhabt werden, so daß sich das Zentrum eines zwischen den Elektroden erzeugten elektrischen Feldes durch den Hypothalamus erstreckt, einen Bereich, der an der Basis des Gehirns liegt und der bei der Zeitsteuerung von zirkadianen Rhythmen beteiligt ist.
Das Mittel zum Ermöglichen der Einstellbarkeit der Elektroden am Band umfaßt einen Schlitz 25, der im Band 22 abgegrenzt ist, und einen gewindeversehenen Zapfen (nicht gezeigt), der am Perspexkörper 23 angebracht ist. Der Zapfen ist im Schlitz verschiebbar, und wenn eine erwünschte Position erreicht ist, wird die Elektrode am Band 22 mittels einer Mutter 26 befestigt.
Es sind isolierte elektrische Leiter 19 vorgesehen, um die oben erwähnte Leiteranordnung 24 mit einem unten noch beschriebenen Spannungsgenerator zu verbinden.
In Figur 5 ist ein Blockschaltbild eines Spannungsgenerators gezeigt, der den Rest der Vorrichtung gemäß der Erfindung ausmacht. Der Generator ist an die oben unter Bezugnahme auf Figuren 1 bis 3 beschriebenen Elektroden 11 über elektrische Drähte 19 anschließbar, um zwischen den Elektroden ein elektrisches Wechselfeld zu erzeugen.
Der Generator umfaßt eine Oszillatorstufe 51, die mit einer Spannungsvervielfacherstufe 52 verbunden ist. Ein Spannungsregler 53 ist in einer Rückkopplungsschleife zwischen dem Ausgang des Generators bei 54 und der Oszillatorstufe 51 angeschlossen.
Ein Taktgeber 55 zur Steuerung der Funktion des Oszillators 51 ist an den Oszillator 51 angeschlossen. Dieser Taktgeber ist programmierbar, um den Oszillator 51 für eine programmierte Zeitdauer zu starten, die bei einem programmierten Zeitpunkt beginnt. Nach der vorgenannten Zeitdauer wird der Oszillator wieder ausgeschaltet.
Eine Spannungsversorgung, die eine Anzahl von Batterien umfaßt (nicht gezeigt) ist mit dem Bezugszeichen 56 bezeichnet. Die Batterien können wiederaufladbar oder nicht wiederaufladbar sein. Ein Niederspannungswarnkreis 57 ist an die Spannungsversorgung 56 angeschlossen und umfaßt eine Lampe (nicht gezeigt), um anzuzeigen, wenn die Spannung der Batterien zu niedrig geworden ist. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann eine an das Versorgungsnetz angeschlossene Spannungsversorgung (nicht gezeigt) ebenfalls vorgesehen werden.
In Figur 6 ist ein Schaltbild 60 einer Oszillatorstufe 51, einer Spannungsvervielfacherstufe 52 und einer Spannungsreglerstufe 53 des Blockdiagramms in Figur 5 gezeigt.
Die Oszillatorstufe 51 umfaßt zwei 555-Taktgeber 61 und 62 und ist so konzipiert, daß sie eine sich in der Form einer Rechteckwelle ändernde Wechselspannung erzeugt. Der Arbeitszyklus der Wechselspannung ist 50 %. Der Ausgang des Oszillators ist über eine Treiberstufe 63 an die Primärwicklung 64.1 eines Aufwärtstransformators 64 angeschlossen. Die Sekundärwicklung 64.2 des Transformators 64 ist an einen Spannungsverdreifacher 65 angeschlossen. Der Ausgang des Verdreifachers 65 ist mit dem Ausgang 54 des Spannungsgenerators verbunden.
Der Spannungsregler 53, der einen Feldeffekttransistor 66 zum Herabsetzen des Stromverbrauchs auf ein Minimum umfaßt, ist zwischen einem Punkt 67 im Spannungsteilernetzwerk 68 und im Eingang zur Treiberstufe 63 für die Primärwicklung des Aufwärtstransformators 64 angeschlossen.
Die am Ausgang 54 des Generators erzeugte Spannung ändert sich in Form einer Rechteckwelle mit einer Frequenz von 10 Perioden pro Sekunde und zwischen 600 V und Erdpotential. Der Arbeitszyklus der sich ändernden Spannung ist 50 Prozent.
Wie in Figur 5 gezeigt ist, ist der Draht 19 einer Elektrode bei Gebrauch an den Erdpotentialanschluß des Generatorausgangs 54 angeschlossen, und der Draht 19 der anderen Elektrode ist mit dem anderen Anschluß des Generatorausgangs 54 verbunden. Es wird erkannt, daß bei so angeschlossenen Elektroden 11 zwischen den Elektroden 11 ein elektrisches Wechselfeld erzeugt wird. Das so erzeugte Feld wechselt vor Anwendung auf den Kopf und in freier Luft in der Form einer Rechteckwelle mit einer Rate von 10 Perioden pro Sekunde und zwischen Null und 3530 V/m in freier Luft. Die Feldstärke wird berechnet unter Verwendung der Formel E = , wobei E die Feldstärke in Volt pro Meter ist, V die angelegte Spannung und d = 0,17 m, der Abstand zwischen den Elektroden ist, d.h. der Abstand zwischen den Seiten des mittleren menschlichen Kopfes.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Spannungsgenerator 51 mit zusätzlichen Ausgangsanschlüssen versehen sein, um es zu ermöglichen, daß geeignete elektronische Instrumente daran angeschlossen werden, so daß der Benutzer in der Lage ist, die Wellenform, Spannung und die Frequenz des Ausgangssignals fortlaufend zu überwachen.

Klinische Versuche

Es wurde eine Folge von unten noch beschriebenen Tests mit der oben unter Bezugnahme auf Figuren 1 bis 3, 4 und 5 beschriebenen Vorrichtung durchgeführt.
Drei Hauptgruppen von Versuchspersonen nahmen teil: I verlängerte Schlafbeginnlatenz (Schwierigkeit, einzuschlagen); II mittlere Schlaflosigkeit (Schwierigkeit, weiterzuschlafen); und III nicht zufriedenstellender Schlaf, aber ohne spezielle Schwierigkeit bei irgendeinem Schlafparameter. Kandidaten wurden von einem Schlafspezialisten interviewt, der ihre Schlafprobleme auswertete und diejenigen ausschloß, für die eine spezielle Diagnose getroffen werden konnte. Eine übliche Verwendung von schlaffördernden Mitteln wurde nicht als Grund für einen Ausschluß angesehen.
Das Protokoll war wie folgt. Die Versuchspersonen wurden gebeten, ein standardisiertes Schlafjournal so rasch wie möglich nach dem Aufwachen am Morgen auszufüllen. Aufgezeichnete Daten bezogen sich auf den gerade beendeten Nachtschlaf und umfaßten: Zeit des Lichtausschaltens, geschätzte Schlaflatenz in Minuten, in Erinnerung gerufene Aufwachvorgänge nach dem Einschlafen, Schätzung der Gesamtzeit des Wachseins während der Nacht, Zeit des endgültigen Aufwachens und Gesamtschlafzeit. Die Versuchspersonen zeichneten auch die Verwendung von schlaffördernden Mitteln (Art, Dosis und Zeit der Einnahme) sowie Einzelheiten von Alkoholverbrauch nach 17.00 h auf. Sie wurden gebeten, jegliche ungewöhnlichen Merkmale ihres Schlafs und das Auftreten irgendwelcher unüblichen Ereignisse während der Nacht aufzuzeichnen. Während des Tages füllten die Versuchspersonen eine Ermüdungsbewertungsskala um 10.00 h, 14.00 h und 18.00 h aus. Die Skala reichte von 1 (aktiv und vital; ganz wach) bis 8 (schlafend, einnickend) und wurde von der Stanford-Schläfrigkeitsskala abgeleitet, die von dem Schlafstörungszentrum des Medizinischen Zentrums der Stanford University angefertigt wurde.
Grundliniendaten wurden über eine erste Zeitdauer von 14 bis 21 Tagen gesammelt, worauffolgend die Versuchspersonen beliebig entweder einer Funktionsvorrichtung (aktiv) oder einer Placebovorrichtung zugeordnet wurden, bei der ein interner Schalter die Vorrichtung außer Funktion setzte. Die Versuchspersonen wurden angeleitet, die Vorrichtung als erstes während der Stunde unmittelbar vor dem Ausschalten der Lichter zur Zubettgehzeit zu verwenden. Ihnen wurde freie Wahl gegeben, wo die Vorrichtung zu verwenden war. Allgemein verwendeten die Versuchspersonen die Vorrichtungen im Bett oder in einem Sessel, während sie lasen, fernsahen oder Musik hörten.
Die Versuchspersonen zeichneten weiter Schlafdaten auf, während sie die Vorrichtungen jede Nacht benutzten. Nach einer zweiten Zeitdauer zwischen 16 und 22 Tagen wurden die Vorrichtungen zurückgebracht und diejenigen, die Placebovorrichtungen erhalten hatten, erhielten aktive Vorrichtungen und wurden gebeten, die Aufzeichnungen weiterzuführen. Es war schwierig, eine Placebophase bei den Versuchspersonen einzuführen, die anfangs aktive Vorrichtungen verwendet hatten, da viele von ihnen weiterhin schnell einschliefen und gut schliefen, wenn die aktiven Vorrichtungen fortgenommen wurden. Diejenigen, die rückfällig wurden, wenn der Gebrauch der aktiven Vorrichtungen gestoppt wurde, erhielten Plazebovorrichtungen.
Nach einer dritten Aufzeichnungszeitdauer zwischen 18 und 24 Tagen wurden alle, die den Gebrauch von Vorrichtungen fortsetzen wollten, auf aktive Vorrichtungen umgeschaltet und wurden gebeten, Nachtschlafaufzeichnungen solange weiterzuführen, wie sie den Gebrauch fortsetzten.

I Verlängerte Schlafbeginnlatenz

Insgesamt 40 Versuchspersonen nahmen teil: 10 männliche mit Alter zwischen 19 - 62 Jahren (Mittel 37,2) und 30 weibliche mit Alter zwischen 14 und 67 Jahren (Mittel 43,7). Die Dauer der Schlaflosigkeit war 4 Monate - 25 Jahre (Mittel 6 Jahre). 19 Versuchspersonen verwendeten schlaffördernde Mittel zur Zeit des Versuchs. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 in vier Gruppen dargestellt. TABELLE 1 INSGESAMT männlich weiblich PLACEBOPHASE ZUERST AKTIV GEFOLGT VON PLACEBO AKTIV OHNE PLACEBO Gundlinie aktiv Placebo Schlafbeginnlatenz (Min.)
* signifikant verschieden von Grundlinie/Placebo p < 0,001
** signifikant verschieden von Grundlinie/Placebo p < 0,005.

II Mittlere Schlaflosigkeit

Fünfzehn Versuchspersonen nahmen teil: 6 männliche mit Alter zwischen 30 und 62 Jahren (Mittel 43) und 9 weibliche mit Alter zwischen 36 - 67 Jahren (Mittel 49). Die Dauer des Problems war 12 Monate - 20 Jahre (Mittel 8 Jahre); 11 Versuchspersonen nahmen schlaffördernde Mittel. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 wiedergegeben. TABELLE 2 Erinnerte Aufwachvorgänge pro Nacht Geschätzte Zeit Aufwachen pro Nacht (Min.) Grundlinie oder Placebo aktiv * signifikanter Unterschied von Grundlinie/Placebo p < 0,01

III Nicht zufriedenstellender Schlaf

Vier Versuchspersonen nahmen teil, 3 männliche mit Alter zwischen 19 und 52 Jahren und 1 weibliche mit Alter von 39 Jahren. Die Versuchspersonen beklagten, daß sie sich nach dem Schlaf nicht ausgeruht fühlten, obwohl sie sich nicht über die Schwierigkeit, einzuschlafen, beklagten.
Obwohl die Zahl der Versuchspersonen zu klein ist, um statistisch gültig zu sein, berichteten sämtliche Versuchspersonen eine Verbesserung der Schlafqualität, während sie aktive Vorrichtungen benutzten.
Obwohl die in Tabelle 1 und 2 dargestellten Ergebnisse die subjektiven Bewertungen von Teilnehmern in den Versuchen darstellen, gibt es eine deutliche Herabsetzung der Schlafbeginnlatenz während Phasen mit aktiver Vorrichtung im Vergleich zu Grundlinien- oder Placebophasen. Eine Gesamtverbesserung von 62 % wurde dokumentiert, wobei eine mittlere Schlafbeginnlatenz in den Bereich normaler Versuchspersonen (10 ± 9 Min.) gebracht wurde.
Auch waren nächtliche Aufwachvorgänge und Aufwachzeiten nachts herabgesetzt, obwohl nicht so signifikant, wie es die Schlafbeginnlatenz war.
Diese Daten wurden in Schlaflaborstudien bestätigt. Eine kurze Zusammenfassung der Schlaflabor-Haupterkenntnisse ist in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3 Hauptwirkungen der aktiven/Placebovorrichtung bei polysomnographischen Studien Schlafbeginnlatenz Reduktion Gesamtschlafzeit Wachzeit zur Nacht REM-Schlaf Gesamtkumulativverschiebungen zwischen Stufen
Zusammengefaßt, es hat sich gezeigt, daß der Gebrauch der Vorrichtung gemäß der Erfindung bei der Behandlung von Schlaflosigkeit wirksam war, insbesondere derjenigen, die durch eine verlängerte Schlafbeginnlatenz charakterisiert ist. Tatsächlich verbesserte sich der Schlaf mit fortgesetztem Gebrauch der aktiven Vorrichtung, anders als die fortgesetzte Verwendung von schlaffördernden Mitteln, die eine Toleranz erzeugt. Es wurden keine Nebeneffekte nach 14 Monaten fortgesetzten Gebrauchs beobachtet.

Claims

1. Vorrichtung zur Behandlung eines Säugetiers zur Änderung oder Abwandlung neurophysikalischer Mechanismen, umfassend ein Paar Elektroden (11); ein Kopfbandmittel (13), das mit den Elektroden verbunden ist, um die Elektroden elektrisch voneinander zu isolieren, während es die Elektroden benachbart von im wesentlichen gegenüberliegenden Außenbereichen des Kopfes (12) des Säugetiers jeweils fixiert, so das sich wenigstens ein Teil des Gehirnbereichs des Säugetiers zwischen dem Elektrodenpaar befindet; und ein Spannungserzeugermittel (50), das abnehmbar mit den Elektroden verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode ein im wesentlichen ebenes Element (14) und eine Schicht (16) aus dielektrischem Material umfaßt; daß die Schicht aus dielektrischem Material bei Gebrauch zwischen dem Kopf und dem ebenen Element positioniert ist; und daß das Spannungserzeugermittel in der Lage ist, bei Gebrauch eine Spannung zu erzeugen, die sich mit einer beliebigen Rate von 5 bis 40 Perioden pro Sekunde bei einem Spitze-zu-Spitze-Wert von wenigstens 100 V ändert, um ein sich änderndes elektrostatisches Feld zwischen den Elektroden zu erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit der Ausnahme, daß die Spannungserzeugereinrichtung in der Lage ist, bei Gebrauch eine Spannung zu erzeugen, die ein elektrostatisches Feld zwischen den Elektroden bewirkt, das sich mit einer beliebigen Rate von 5 bis 40 Perioden pro Sekunde bei einem Spitze- zu-Spitze-Wert von wenigstens 590 V/m in freier Luft ändert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Spannungserzeugermittel eine Oszillatorstufe (51) umfaßt, die mit einer Spannungsvervielfacherstufe (52) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Spannungserzeugermittel bewirkt, daß sich die Spannung zwischen Spitze- zu-Spitze-Werten von im wesentlichen 600 V und mit einer Rate von im wesentlichen 10 Perioden pro Sekunde ändert.

5. Vorrichtung nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei der das Spannungserzeugermittel bewirkt, daß sich die Spannung bei Gebrauch in der Form einer Rechteckwelle mit einem Arbeitszyklus von im wesentlichen 50% ändert.

6. Vorrichtung nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei der jede Elektrode eine Basisschicht (15) aus einem dielektrischem Material umfaßt und das ebene Element zwischen der dielektrischen Materialschicht und der Basisschicht sandwichartig angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Elektrode weiter eine U-förmige Haltevorrichtung (18) auf der Basisschicht umfaßt, um die Elektrode am Kopfbandmittel zu fixieren.

8. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, bei der das ebene Element ein langgestrecktes Element umfaßt, das in einer im wesentlichen ebenen Spirale (24) gewickelt ist, die dielektrische Materialschicht eine Schicht aus Methylmethacrylatharz (23) ist, in der die Spirale eingebettet ist, und die Kopfbandeinrichtung im wesentlichen U- förmig ist.

9. Vorrichtung nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei der das ebene Element mit einem Durchmesser von dem wesentlichen 11 cm kreisförmig ist.