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Donnerstag, 27.07.2017
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Physik hilft gegen Parkinson

Simulationen verbessern Hirnschrittmacher

Einen neuen Ansatz zur Behandlung von Parkinson haben Wissenschaftler der Universität Potsdam entdeckt. Sie entwickelten eine Methode zur Verbesserung der so genannten Tiefenhirnstimulation. Dieses seit einigen Jahren eingesetzte Verfahren blockiert mit Hilfe eines ständig anliegenden Spannungssignals Teile des Gehirns. Die neue Technik soll schonender arbeiten und Spannungspulse nur dann einsetzen, wenn das Parkinsonzittern tatsächlich auftritt.

Volkskrankheit Parkinson?


Etwa 100.000 bis 250.000 Menschen leiden in Deutschland an Parkinson. Diese Erkrankung des Gehirns führt unter anderem dazu, dass die Patienten ihre Bewegungen nicht mehr kontrollieren können. Zittern und starre Muskeln gehören zu den Symptomen. Viele Neurowissenschaftler glauben, dass die Bewegungsstörungen durch das synchrone Feuern von Nervenzellen in dem Bereich des Hirns zustande kommt, der für Bewegungsabläufe zuständig ist. Während im gesunden Hirn jede Zelle ihrem eigenen Rhythmus folgt, findet bei Parkinsonkranken eine Synchronisation der Nervenzellen statt. Ein periodisch moduliertes elektrisches Feld ist die Folge, die Muskeln des Patienten zittern.

Seit etwa Mitte der 90er Jahre kann Parkinson mit Hilfe der so genannten Tiefenhirnstimulation behandelt werden. In einer Operation implantieren die Ärzte Elektroden in das betroffenen Areal. Diese erzeugen ein Spannungspotenzial, das die Aktivität der Nervenzellen unterdrückt. Der Nachteil der Methode liegt darin, dass das Gewebe dauerhaft belastet wird, was möglicherweise die Zerstörung oder zumindest die Schädigung von Nervenzellen zur Folge haben kann. Außerdem muss nach einer gewissen Zeit die Batterie dieses "Hirnschrittmachers", die gemeinsam mit einer Steuereinheit unter der Haut implantiert ist, ausgewechselt werden. Abhilfe schaffen könnte ein Verfahren, das nur dann aktiv wird, wenn das synchrone Feuern der Nerven und das damit verbundene periodisch modulierte elektrische Feld auftritt.

Gekoppelte Systeme im Einsatz


Die Potsdamer Physiker Michael Rosenblum und Prof. Arkady Pikovsky haben nun eine Methode zur Steuerung synchron agierender, gekoppelter Systeme entwickelt, die auch bei der Behandlung des Parkinson Tremors eingesetzt werden könnte. Dazu wird der kollektive Rhythmus der Nervenzellen gemessen und mit einer zeitlichen Verzögerung wieder in das entsprechende Hirnareal eingespeist. Um das Verfahren zu überprüfen, simulierten die Wissenschaftler das Verhalten von 2.000 Nervenzellen, die mittels entsprechender mathematischer Modelle gekoppelt wurden. Michael Rosenblum und Arkady Pikovsky konnten zeigen, dass die Synchronisation der Zellen durch Rückkopplung des gemessenen elektrischen Feldes tatsächlich beeinflusst werden kann. Je nach Verzögerungszeit und Amplitude erreichten sie sowohl eine Unterdrückung als auch eine Verstärkung des Zitterns.


"Der Einsatz dieser Methode hätte den Vorteil, dass der 'Hirnschrittmacher' nur dann in Aktion tritt, wenn das Zittern beginnt, also wesentlich schonender arbeitet", erklärt Pikowsky. Die Wissenschaftler suchen nun Kooperationspartner, um nach der Simulation auf dem Rechner erste Praxistests realisieren zu können. Die Forschungsergebnisse der Physiker wurden kürzlich in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" veröffentlicht.
(idw - Universität Potsdam, 20.04.2004 - DLO)
 
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