BrainStim : Hirnstimulation als Präventions- und Therapiemassnahme?

Irrespective of the underlying primary disease, cognitive deficits have a negative impact on quality of life. Therefore, therapeutical approaches focusing on prevention and treatment are of major interest. Besides medical interventions the question arises whether neuroplasticity can be used as therapeutic strategy. Neuroplasticity is defined as the brain’s ability to adapt to specific requirements by structural and functional changes. The latter might be functional as well as structural and can be observed most impressively when people are engaged in certain exercises over a longer period. Besides neuroplasticity in the healthy brain, adaptive processes can even be observed after brain damage. In this case, brain regions, still being functional, are able to compensate for the deficits to a certain extent. This kind of reorganisation takes place automatically without external stimulation. Based on these observations one intriguing question is, whether a cognitive training might support and even enhance those autonomous plasticity processes in the brain. Recent imaging studies conclude that brain stimulation with specific training tools has a direct influence on the functional organisation of the brain and that hereby the induction of plasticity might be possible. To systematically study this hypothesis, the computerised training tool BrainStim has been developed which allows to train specific aspects of working ORIGINALARBEIT I. -K. Penner, M. Kobel, M. Stöcklin, K. Opwis, P. Calabrese 110 | NeuroGeriatrie 3 · 2007 BrainStim – Hirnstimulation als Präventionsund Therapiemaßnahme? ORIGINALARBEIT NeuroGeriatrie 3 · 2007 | 111 Einleitung Das menschliche Gehirn entwickelt sich von der Kindheit bis ins Erwachsenenalter. Konkret bedeutet dies, dass sich das Zentrale Nervensystem (ZNS) über die gesamte Lebensspanne durch Lernprozesse und die Stimulation durch Außenreize stetig wandelt und neu vernetzt. Die Fähigkeit des Gehirns, sich sowohl strukturell als auch funktionell zu verändern und sich spezifischen Anforderungen anzupassen, wird als Neuroplastizität bezeichnet. Sehr eindrücklich sind derartige Veränderungen bei Personen, die eine bestimmte Tätigkeit (z. B. Klavierspielen, Jonglieren) über einen längeren Zeitraum ausüben und bei denen diese Tätigkeit sogar Veränderungen in der Dichte des Kortex bewirken kann [10]. Mit zunehmendem Alter stellen sich im Körper physiologische Veränderungen sowohl auf struktureller als auch auf metabolischer Ebene ein [8]. Diese altersbedingten Prozesse scheinen einen direkten Einfluss auf die Art und Weise zu haben, wie Neurone Informationen aus der Umwelt aufnehmen und weiterverarbeiten. Tierexperimentelle Studien legen nahe, dass behaviorale und kognitive Veränderungen durch spezifische Trainingseinheiten, aber auch durch ein stimulierendes Umfeld positiv beeinflusst werden können [27]. Dieser Einfluss scheint sich zudem nicht nur auf die chemische Komposition des Kortex auszuwirken, sondern auch auf dessen Struktur [28]. Vergleichbare Ergebnisse finden sich in Humanstudien dahingehend, dass physische Aktivität generell gesehen einen positiven Effekt auf Komponenten wie Neurogenese, Neuroregeneration, Neuroadaptation und Neuroprotektion, die zum Teil durch neurotrophe Faktoren mediiert werden, zu haben scheint [9]. Darüber hinaus beeinflusst regelmäßiges motorisches Training auch wesentliche Aspekte der Kognition, wie z. B. Lernen und exekutive Funktionen. Motorische und geistige Mobilität verbessern ihrerseits die Lebensqualität und wirken sich positiv auf die Stimmung und die allgemeine Leistungsfähigkeit aus. Spezifische Effekte werden zudem zu kardiovaskulärer Fitness berichtet. In einer Studie von Colcombe et al. [7] nahmen Personen im Alter zwischen 58 und 77 Jahren für den Zeitraum von sechs Monaten entweder an einer Aerobicoder Stretching-Gruppe teil. Alle Teilnehmer wurden zudem vor und nach der Intervention kognitiv getestet und mittels funktioneller MRT untersucht. Es zeigte sich, dass Personen aus der Aerobic-Gruppe im Bereich der exekutiven Funktionen und Aufmerksamkeitskontrolle deutlich besser abschnitten als Personen der Kontrollgruppe. In der fMRT konnten die behavioralen Ergebnisse klar untermauert werden, indem Personen der Aerobic-Gruppe eine signifikant größere Aktivierung in kortikalen Arealen der Aufmerksamkeitskontrolle (frontal, parietal) und eine signifikante Aktivierungsabnahme im anterioren Cingulum zeigten. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen eindrücklich, dass Plastizitätsprozesse im alternden Gehirn induziert werden können und bereits nach kurzen Zeitperioden auch funktionell abbildbar sind. Zahlreiche Kohortenstudien, die der Frage nach der Auswirkung physischer Aktivität auf die Kognition älterer Personen nachgingen, bestätigen die Ergebnisse von Colcombe et al. [7] dahingehend, dass eine Assoziation mit besserer kognitiver Funktionstüchtigkeit und mit einem geringeren Abbau der Leistungsfähigkeit zu verzeichnen war (z. B. [21, 33, 35]). Der letztere Aspekt konnte allerdings nicht eindeutig als Faktor bestätigt werden, mit dem das Risiko, an einer Demenz zu erkranken, reduziert werden kann. Neben der Neuroplastizität, wie sie im gesunden Gehirn stattfindet, lassen sich adaptive Prozesse auch nach einer Schädigung des Gehirns nachweisen. Werden Regionen des Gehirns durch einen Tumor, einen Schlaganfall, einen entzündlichen oder degenerativen Prozess zerstört, können andere, noch intakte Bereiche die Funktion der zerstörten Areale bis zu einem gewissen Grad übernehmen. In diesem Falle spricht man von Kompensationsprozessen des Gehirns. Aus neuropsychologischer Sicht stellt sich die Frage, ob, ähnlich wie bei den motorischen Interventionen, spezifische kognitive Trainingseinheiten zu einer Leistungsverbesserung führen und sich gleichzeitig positiv auf die Anforderungen des Alltags auswirken. Ein neuerer Forschungsbereich beschäftigt sich daher mit der Frage, inwieweit nach einer Schädigung des Gehirns ein Training der verlorengegangenen Funktion spezifische Plastizitätsprozesse im Gehirn anregen, also neurostimulativ wirken kann. Neuere Studien mit bildgebenden Verfahren legen den Schluss nahe, dass das Stimulieren des Gehirns mittels spezifischer Trainingseinheiten einen direkten Einfluss auf dessen funktionelle Organisation zu haben und somit die Induktion von Plastizität auch im geschädigten Gehirn möglich zu sein scheint [22]. Kognitive Rehabilitation Die Idee rehabilitativer Intervention auf kognitiver Ebene stützt sich auf Befunde, die zeigen, dass auch das erwachsene Gehirn auf Erfahrung beruhende Veränderungen in neuronalen Schaltkreisen hervorbringen kann. Hierzu zählen sowohl dendritische als auch axonale Sprossung (sog. Sprouting [25]). Derartige Prozesse bezeugen die Plastimemory (visual-spatial, verbal). First results of a pilot study on healthy old subjects illustrate that the trained functions improve and that this improvement can be detected by neuropsychological measures. The cognitive intervention with BrainStim seems to have positive effects on the functionality of the brain. Whether these results can be replicated on patients with neurodegenerative diseases is subject