Methoden der kognitiven Neurowissenschaften (Subject) / TMS (Lesson)

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• Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Definition Die transkranielle Magnetstimulation ist eine non-invasive und schmerzlose neurophysiologische Technik, bei der mit Hilfe starker Magnetfelder Bereiche des Gehirns sowohl stimuliert als auch gehemmt werden können TMS beruht auf elektrischer Stimulation kortikaler Neurone!
• Transkranielle Magnetstimulation (TMS) - methodische Grundlagen Prinzip der elektromagnetischen Induktion Entstehung einer elektrischen Spannung bzw. Strom in einem Leiter, wenn sich der den Leiter durchsetzende magnetische Fluss zeitlich ändert Dieses Phänomen lässt sich aber auch umkehren, d.h. ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein magnetisches Feld > „Strom erzeugt Magnetfeld“ und „Magnetfeld erzeugt Strom“
• Transkranielle Magnetstimulation (TMS) - methodische Grundlagen Prinzip der elektromagnetischen Induktion - Anwendung auf TMS Tangentiales Anbringen einer Magnetspule an den Schädel des Probanden Leitung eines sehr kurzen Stromimpulses durch diese Spule Entstehung eines Magnetfeldes in der Spule (ca. 2,5 Tesla) Magnetfeld geht ungehindert und ohne Abschwächung durch den Schädel hindurch Prinzip der elektromagnetischen Induktion: Entstehung eines homogenen elektrischen Stromfeldes im Gehirn> parallel zur Spulenebene> rechtwinklig zum Magnetfeld> der Flußrichtung in der Spule entgegengesetzt Erregung von in diesem Bereich liegenden Nervenzellen  
• Transkranielle Magnetstimulation (TMS) - Komponenten & Bestandteile Stimulationsspulen Spulen-Bestandteile:eine oder mehrere gut isolierte Windungen aus Kupferleitungen, umgeben von einer Plastikhülle
• Transkranielle Magnetstimulation (TMS) - Komponenten & Bestandteile - Stimulationsspulen Rundspule Elektrischer Leiter einlagig spiralförmig aufgewickelt Maximum des magnetischen Feldes: Zentrum der Spule Maximum des elektrischen Feldes: ringförmig um das Zentrum (d.h. direkt unterhalb des Spulenrings) Vorteil: hohe Tiefenreichweite, geringe ErwärmungNachteil: Ungenauigkeit des Stimulationsareals
• Transkranielle Magnetstimulation (TMS) - Komponenten & Bestandteile - Stimulationsspulen Die achtförmige Spule bzw. Doppelspule Strom durchläuft erst die eine Spule und dann gegenläufig die zweite Spule Maximum der elektrischen Feldstärke: Berührungspunkt der beiden Teilspulen (durch Addition der induzierten elektrischen Feldstärke) Vorteil: Genauigkeit des StimulationsarealsNachteil: geringe Tiefenreichweite
• Transkranielle Magnetstimulation (TMS) - Komponenten & Bestandteile unterschiedliche Durchführungsformen von TMS-Pulsen Single-pulses Einzelner Impuls alle 3 oder mehr Sekunden Einsatz: Diagnostik und Forschung Ermittlung der Motor-Threshold (MT)    
• Transkranielle Magnetstimulation (TMS) - Komponenten & Bestandteile unterschiedliche Durchführungsformen von TMS-Pulsen Paired-pulses Zwei Impulse mit derselben oder unterschiedlicher Intensität, zwischen denen ein variables Inter-Puls-Intervall (IPI; ca. 1-20 ms) liegt Varianten:> Zwei Impulse aus einer Spule an derselben Gehirnregion> Zwei Impulse aus zwei Spulen an zwei unterschiedlichen Gehirnregionen
• Transkranielle Magnetstimulation (TMS) - Komponenten & Bestandteile unterschiedliche Durchführungsformen von TMS-Pulsen Repetitive TMS (rTMS) Serie von Impulsen mit variabler Frequenz (zwischen <1 Hz und 50 Hz)> Inter-Puls-Intervalle (IPIs; ms) > Inter-Train-Intervalle (ITIs; min) > Inter-Session-Intervalle (Tage) Einsatz: Forschung, Klinik bzw. Therapie
• Repetitive TMS (rTMS) Slow oder low frequency rTMS (≤ 1 Hz): Inhibierende Effekte Rapid oder high frequency rTMS (> 1 Hz): Verstärkende bzw. fördernde Effekte
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• Reizstärke Abhängigkeit der Reizstärke von Patient, verwendeter Spule und Gerätetyp des Magnetstimulators Wichtig: für jede Kombination von Patient, Spule und Gerät sollte die jeweilige Reizschwelle individuell bestimmt werden> Motor-Threshold (MT)
• Reizwirkung der Spulen Tiefenreichweite Abnahme des induzierten elektrischen Feldes mit zunehmender Entfernung von der Spule Keine allgemein gültigen Aussagen über die Tiefenreichweite; > abhängig von: Spulenform und –größe Reizstärke Zielgewebe  
• Reizwirkung der Spulen Spulenverluste-Spulenerwärmung: Verlust von Pulsenergie in Form hoher elektrischer Stromwärme > Spulenerwärmung Zulässige Temperaturgrenze für den Einsatz am Körpergewebe: 41°C Lösungsansätze: Wasser- und luftgekühlte Spulen
• Akustische Artefakte bei Spulen Große magnetische Kräfte während des Stromimpulses> kurzzeitige Verformung der Spule> charakteristisches Knackgeräusch (mit z.T. hohem Schalldruck) Gehörschutz!!
• Transkranielle Neurostimulation der menschlichen Hirnrinde Effekt der TMS abhängig von ... Stärke des induzierten elektrischen Feldes Ausrichtung der Neurone im elektrischen Feld Erregbarkeit der Membran der Neuronen
• rTMS - Anwendungsbereiche Untersuchung der Motorik Stimulation des Motor Cortex Untersuchung der• verschiedenen Komponenten der kortikalen Erregbarkeit• Funktion der verschiedenen Neurotransmitter Systeme > aufgrund seiner niedrigen Reizschwelle und der gutquantifizierbaren motorischen Antwort am besten untersucht Messen von motorisch evozierten Potentialen (MEPs) in den Muskeln der contralateralen Extremitäten mithilfe eines Elektromyographen (EMG) TMS als Einzelimpuls am Motor Cortex, um die motorischeSchwelle (motor threshold) zu ermitteln
• Elektromyographie (EMG) = elektrophysiologische Methode in der neurologischen Diagnostik zur Messung von elektrischer Muskelaktivität Nadelelektroden erfassen die Potentialschwankungen einzelner motorischer Einheiten
• Motor threshold bezieht sich auf die niedrigste TMS Intensität die benötigt wird, um (in 50% der Durchgänge) MEPs im Zielmuskel zu evozieren Maßstab für die Membranreizbarkeit der pyramidalen Nerven Variiert stark zwischen den Individuen aber ist beachtlich konstant bezüglich des gleichen Menschen dient zur Eichung und Normierung der Output Energie aufgrund der physiologischen Variabilität jedes Individuums definiert die Dosierung und die Grenzen zur Sicherheit des Patienten sowohl das Alter als auch die Distanz Schädel-Kortex steigen linear mit dem Wert des Motor Threshold antiepileptische Medikamente beeinflussen den Schwellenwert!
• rTMS und Motorik - was wird gemessen?? TMS als Einzelimpuls mit überschwelliger (suprathreshold) Intensität am Motor Cortex, um die induzierte Ruhephase (Silent Period) zu untersuchen
• Silent period Bezieht sich auf die kurzweilige Unterdrückung der EMG-Aktivität imkontrahierten Muskel nach der Induktion eines MEP Der Muskel wird aktiv und bewusst angespannt > dann folgt derüberschwellige Reiz > MEP > Silent Period Das Gleichgewicht der glutamergen, dopaminergen und GABAergenAktivität im Kortex scheint eine entscheidende Rolle bezüglich der Dauer der Silent Period zu spielen (kann auch ohne vorangehendes MEP auftreten > kortikale Ursache) Silent Period für die Wissenschaft wichtig:• Kann als Marker für kortikale Regulierung/Anpassung verwendet werden• die Veränderungen in Länge bzw. Tiefe aufgrund von Lernvorgängen bzw. Krankheiten dienen als Indikator für den Ort der Beeinträchtigung
• rTMS und Motorik Eine Einstellung/Regulierung der MEPs, die während rTMS Durchgängen aufgezeichnet werden, sprechen für ein Muster an wiederkehrenden hemmenden und reizenden Bahnen. rTMS Durchgänge mit unterschiedlicher Frequenz und Intensität habenunterschiedliche MEPs zur Folge
• intracortical spread of excitation (ISE) bei angemessener Intensität und Frequenz der MEPs ISE findet meistens aufgrund eines Zusammenbruchs der GABAergen Inhibition statt Die Anzahl der TMS Impulse die benötigt wird bis ISE auftritt, liefert ein Maß für die intrakortikale Kontrolle der Umfeldhemmung
• rTMS und Motorik – Therapie Messwerte zur kortikalen Erregbarkeit, die über eine TMS erhoben werden, mögen in Zukunft wertvolle Ansätze für die Neuropharmakologie darstellen Außerdem kann TMS während eines operativen Eingriffs alsüberwachende Maßnahme der kortikospinalen motorischen Funktion angewendet werden, um chirurgische Arbeit zu optimieren
• rTMS und Depression Ungleichgewicht zwischen linkem und rechtem präfrontalen Kortex >wichtiger pathophysiologischer Faktor bei der Entstehung vonDepressionen > Anlaß für rTMS
• Nebenwirkungen rTMS kann einen Kopfschmerz induzieren (Muskelverspannungstyp) Kurzzeitige unter der Reizspule auftretende Missempfindung Bei Kaninchen: anhaltende Veränderung der Hörschwelle Bei manchem Probanden:– Migränekopfschmerz– Transienter Tinnitus
• Nebenwirkungen Epileptogene Effekte Abhängig von Reizstärke und Frequenz werden von späteren Reizen entweder geringere oder größere exzitatorische Effekte bewirkt, so dass es zu einem Aufschaukeln von Erregung während einer Reizseriekommen kann > ISE kann auch als Zusammenbruch der kortikokortikalen Inhibition gedeutet werden und war in manchen Fällen von einem sekundärgeneralisierten Anfall gefolgt Marker für epileptische Entwicklung: Auftreten von Nachentladungen nach einer rTMS-Serie• Sichtbare (Video) und• eletromyographisch fassbare Muskelzuckungen Gefahr einer Anfallsauslösung hängt auch entscheidend vom Intervall zwischen den einzelnen Reizserien ab> zu kurze Intervalle > Zustand gesteigerter Kortexerregbarkeit

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