Das menschliche Gehirn besitzt eine erstaunliche Fähigkeit zur Reorganisation, die Voraussetzung für die Anpassung an sich ständig ändernde Umweltbedingungen ist. Diese Fähigkeit zur Plastizität ist von herausragender Bedeutung für Erholungsprozesse nach Schädigungen des Gehirns, wie einem Schlaganfall.
Das prioritäre Interesse unserer Forschungsgruppe liegt darin, das Verständnis der Grundlagen von Plastizität der Hirnrinde auf systemneurowissenschaftlicher Ebene weiter zu verbessern. Im Besonderen sind wir darin interessiert zu verstehen welche Mechanismen von Plastizität Lernen im gesunden Gehirn und Wiedererlernen verlorengegangener Fertigkeiten im geschädigten Gehirn nach Schlaganfall unterliegen.
Wie verändern sich Netzwerke des Gehirns nach Schädigung um Funktionsdefizite auszugleichen? Kann der Erkenntniszuwachs über diese Zusammenhänge genutzt werden, um den Rehabilitationserfolg eines einzelnen Patienten vorherzusagen und/oder durch gezielte Intervention zu verbessern? Wir adressieren diese Fragen mit moderner Bildgebung (funktionelle Magnetresonanztomographie, Diffusionstensor-Bildgebung), elektrophysiologischen Methoden (EMG, EEG, MEG) in Kombination mit nicht-invasiver Hirnstimulation (transkranielle Magnetstimulation, transkranielle Gleichstromstimulation) und Neuropharmakologie. Unser Ziel ist, innovative und effektive neurorehabilitative Strategien, zu entwickeln, die einen relevanten Fortschritt bei der Rehabilitationsbehandlung, von Patienten mit neurologischen, insbesondere neurovaskulären Erkrankungen bedeuten.
Pharmakologische Modulation von TMS-evozierten EEG Antworten
Die Möglichkeit, mittels transkranieller Magnetstimulation (TMS) Hirnfunktionen bei gesunden Probanden und Patienten mit Hirnschädigungen zu verstehen, kann durch die Kombination mit anderen elektrophysiologischen und bildgebenden Methoden oder durch die Kombination von TMS mit einer pharmakologischen Exposition deutlich verbessert werden. Insbesondere die zeitgleiche Aufzeichnung von Hirnströmen mittels EEG erlaubt es, die Effekte von TMS auf das Gehirn mit guter räumlicher und exzellenter zeitlicher Auflösung direkt zu untersuchen.
TMS-evozierte Potentiale (TEP) nach einer Einzelpuls-TMS des primären Motorkortex können sowohl an der Stimulationsstelle als auch in entfernten Gehirnregionen für bis zu 300ms nach dem Stimulus aufgezeichnet werden. Die zugrunde liegenden physiologischen Mechanismen der TEP sind jedoch nicht gut verstanden.
In diesem Projekt sollen die physiologischen Mechanismen von TMS-evozierten EEG Ableitungen durch eine pharmakologische Modulation von GABAerger Neurotransmission näher charakterisiert werden.
Modulation des kortikalen Motornetzwerkes durch
Mehrspulen-TMS
Die koordinierte neuronale Aktivität in weit verzweigten Netzwerken des Gehirns ist die Basis für höhere kognitive Funktionen und komplexe sensomotorische Fähigkeiten. Im motorischen Funktionssystem bilden zahlreiche Hirnareale wie der dorsale prämotorische Kortex, der ventrale prämotorische Kortex, das supplementärmotorische Areal, der Parietalkortex, die Basalganglien und das Kleinhirn zusammen mit dem primären Motorkortex ein motorisches Netzwerk.
Neuronale Koordination ist hochgradig dynamisch und hängt sowohl von der motorischen Aufgabe als auch vom Zustand des Gehirns ab. Zudem ist die effektive Konnektivität im motorischen Netzwerk des Gehirns nach einer Hirnschädigung (z.B. durch einen Schlaganfall) stark verändert. Entscheidend ist hierbei, dass Änderungen der Netzwerkarchitektur mit Veränderungen von motorischen Fähigkeiten korrelieren.
In diesem Projekt nutzen wir Mehrspulen-TMS, um effektive Konnektivitäten im kortikalen Motornetzwerk gezielt zu modifizieren und untersuchen die Effekte auf motorische Fähigkeiten und Lernen.
Reorganisation von zerebralen Netzwerken bei Multipler Sklerose
Bei der Multiplen Sklerose (MS) kommt es zum Auftreten von multiplen entzündlichen ZNS-Läsionen, wodurch zerebrale Netzwerke signifikant gestört werden können. Im Gegensatz zu einer akut auftretenden Hirnschädigung wie bei einem Schlaganfall entwickeln sich diese Läsionen über die Zeit hinweg, so dass dem Gehirn mehr Zeit bleibt, sich zu reorganisieren und zu kompensieren. Dennoch zeigen sich klinisch bereits in einem frühen Erkrankungsstadium häufig Einschränkungen in kognitiven Funktionen wie Aufmerksamkeit und Gedächtnis.
Im Rahmen dieses Projektes sollen Veränderungen zerebraler Netzwerke bei Patienten mit MS mittels fMRT und MEG dargestellt und deren Einfluss auf kognitive Funktionen untersucht werden. Diese Untersuchungen erlauben potentiell auch eine neurobiologische Charakterisierung der Wirkung von immunmodulierenden Medikamenten sowie die Identifizierung von Biomarkern zur Therapieüberwachung.
Closed-Loop-Stimulation
Wir untersuchen die Zusammenhänge zwischen dem augenblicklichen Zustand kognitiver Prozesse und der kortikalen Informationsverarbeitung. Ein gleichzeitiger EEG-TMS Aufbau mit echtzeit Signalanalyse ermöglicht eine EEG-gesteuerte Auslösung der Stimulus-Pulse mit deterministischen Latenzen von unter 3 Millisekunden. Unsere initialen Experimente untersuchen den Einfluss der Phase von kortikaler EEG-Alpha Aktivität während der TMS-Pulse auf die kortikospinale Erregbarkeit und Plastizität. Im Rahmen eines Translationsforschungsprojektes entwickeln wir basierend auf diesen Ansatz neue und effektivere, therapeutische EEG-gesteuerte TMS-Protokolle für die Neurorehabilitation.
Lokale Kooperationspartner
Prof. Christoph Braun
MEG-Zentrum, Universitätsklinikum Tübingen
Prof. Alireza Gharabaghi, Dr. Paolo Belardinelli
Klinik für Neurochirurgie, Universitätsklinikum Tübingen
Prof. Klaus Scheffler
Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik
Prof. Cornelius Schwarz
Center for Integrative Neuroscience (CIN)
Prof. Markus Siegel
MEG-Zentrum, Universitätsklinikum Tübingen
Nationale Kooperationspartner
Dipl. Psych. Daniel Scholz, Prof. Eckart Altenmüller
Institut für Musikphysiologie und Musikermedizin, Hochschule für Musik, Theater und Medien, Hannover
Dr. Andreas Vlachos, Dr. Peter Jedlicka, Prof. Thomas Deller
Institut für Klinische Neuroanatomie, Goethe-Universität Frankfurt
Internationale Kooperationspartner
Prof. Vincenzo di Lazzaro
Institute of Neurology, Campus BioMedico University, Rom, Italien
Prof. John Rothwell
Sobell Department of Motor Neuroscience and Movement Disorders, UCL Institute of Neurology, Queen Square, London WC1N 3BG, United Kingdom
Prof. Hartwig Siebner, Prof. Axel Thielscher
Danish Research Centre for Magnetic Resonance, Center for Functional and Diagnostic Imaging and Research, Copenhagen University Hospital Hvidovre, Hvidovre, Dänemark
Dr. Cathy Stinear, Prof. Winston Byblow
Department of Sport and Exercise Science and Centre for Brain Research, University of Auckland, Neuseeland
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