Relevanz der Neuroplastizität für das Bewegungslernen beim Menschen: Erkenntnisse durch nicht-invasive Hirnstimulation

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1 Relevanz der Neuroplastizität für das Bewegungslernen beim Menschen: Erkenntnisse durch nicht-invasive Hirnstimulation Michael A. Nitsche, Abteilung Klinische Neurophysiologie. Georg-August-Universität, Göttingen

2 Neurophysiologische Grundlagen des Lernens Neuroplastizität Anhaltende strukturelle oder funktionelle Veränderung der Stärke synaptischer Verbindungen als Reaktion auf Umweltreize

3 Neurophysiologische Grundlagen des Lernens Long term potentiation Induziert durch schnelle oder synchrone Stimulation Long term depression Induziert durch langsame oder asynchrone Stimulation Lomo 2003, Linden & Connor 1995

4 Neurophysiologische Grundlagen des Lernens Lernleistung Kortikale Erregbarkeit Rioult-Pedotti et al. 2000

5 Neurophysiologische Grundlagen des Lernens Long term potentiation Long term depression Rioult-Pedotti et al. 2000

6 Neurophysiologische Grundlagen des Lernens Na, Ca GLU NMDA Ca AMPA Ca AMPA GABA DA ACh Serotonine???????

7 Zusammenfassung I -Lernen ist von lang anhaltenden Exzitabilitätsveränderungen im Tierexperiment begleitet -Diese entsprechen Long Term Potentiation und Depression -Glutamaterge Neurone und Kalzium-abhängige Prozesse sind von zentraler Bedeutung für diese Vorgänge

8 Gemeinsamkeiten mit motorischem Lernen beim Menschen

9 Kortikale Aktivität- PET Initiales Lernen Konsolidierung Honda et al. 1998

10 Kortikale Erregbarkeit- TMS Pascual-Leone et al. 1994

11 Kortikale Erregbarkeit- PAS Wolters et al. 2003

12 Kortikale Eregbarkeit- PAS Ziemann et al. 2004

13 Relevanz glutamaterger Mechanismen für motorisches Lernen Donchin et al. 2002

14 Zusammenfassung Lernabhängige Veränderungen kortikaler Aktivität und Erregbarkeit beim Menschen entsprechen weitgehend tierexperimentellen Befunden Kann motorisches Lernen durch Hirnstimulationsverfahren verbessert werden, die kortikale Aktivität und Erregbarkeit verändern?

15 Modulation kortikaler Erregbarkeit durch nicht-invasive Hirnstimulation PAS rtms tdcs tacs

16 Funktionsprinzipien der tdcs

17 Kortikale DC-Stimulation im Tiermodell, Effekte während Stimulation Baseline Text kathodal anodal Bindman et al. 1964

18 und Nacheffekte anodal kathodal Bindman et al. 1964

19 tdcs beim Menschen

20 Polaritätsspezifische Veränderung kortikaler Erregbarkeit während tdcs MEP-Amplitude with/without tdcs * anodal stimulation m-cs * cathodal stimulation prm m pom oc Electrode positions: ks cm m = motor cortex; prm = premotor cortex; pom = post-motor cortex; oc = occipital; cs = contralateral forehead; cm = kontralateral motor cortex Nitsche & Paulus 2000

21 Erhöhte Erregbarkeit des motorischen Kortex nach anodaler Stimulation MEP size after current stmulation / baseline Stimulation duration 5 min 7 min 9 min 11 min 13 min min Time after current stimulation Nitsche & Paulus 2001

22 Verminderte Erregbarkeit des motorischen Kortex nach kathodaler tdcs MEP size after current stmulation / baseline min Time after current stimulation Nitsche et al. 2003

23 Mdodulator Transmitter Funktionsmechanismen der tdcs Na, Ca NMDA Na, Ca GABA Na, Ca DA Na, Ca ACh Na, Ca Serotonine Na, Ca

24 Akute Effekte der tdcs sind Ionenkanal-abhängig MEP amplitude with / without tdcs * * CBZ * * * * * * * PLC FLU PLC (FLU) tdcs condition anodal cathodal Drug and stimulation condition MEP amplitude with / without tdcs * * DMO * * PLC tdcs condition anodal cathodal Nitsche et al. 2003, 2004 Drug and stimulation condition Drug and stimulation condition

25 Nitsche et al Nacheffekte der tdcs I

26 Nitsche et al. 2003, 2004 Nacheffekte der tdcs II

27 Zusammenfassung IIa Na, Ca GLU NMDA Ca AMPA Ca AMPA GABA DA ACh Serotonine???????

28 Zusammenfassung IIB -Nicht-invasive Hirnstimulation beim Menschen erzeugt Neuroplastizität -Deren Mechanismen entsprechen weitgehend den tierexperimentell beschriebenen Kann Lernen durch diese plastizitätsinduzierenden Verfahren beim Menschen beeinflußt werden?

29 Verbesserung motorischen Lernens bei gesunden Probanden durch tdcs Serial reaction time task (SRTT) Standardparadigma zur Untersuchung des impliziten Erlernens sequentieller Fingerbewegungen * * * Sequenz von 12 Items wird 10 x pro Block wiederholt Sequence of 12 items, repeated 10 times per Variablen: Reaktionszeit, block Fehler, Variabilität

30 Beteiligte Areale - PET Lernen Konsolidierung Honda et al. 1998

31 Versuchsablauf I Durchführung tdcs Sequenz Sequenz Zufallsblock Zufallsblock Aufgabenroutine Aufgabenroutine Sequenzlernen Sequenzlernen Sequenzlerneffekt

32 tdcs über M1 während des Lernens tdcs über M1 Reaktionszeiten/Baseline Reaction time vs baseline 1,075 1,05 1,025 1,0 0,975 0,95 0,925 0,9 0,875 0,85 * tdcs anodal anodal cathodal kathodal non 0, Block Nitsche et al. 2003

33 Wann stimulieren I tdcs Versuchsablauf I Sequenz Zufallsblock Aufgabenroutine Sequenzlernen Effekt des Sequenzlernens Abhängigkeit der Modulation vom Kalziumeinstrom? Kuo et al. 2008

34 Wann stimulieren II Prämotorische Konsolidierung während REM-Schlaf? Sequenzlernen Sequenz Zufallsblock tdcs Abruf Aufgabenroutine Sequenzlernen Sequenzlerneffekt Sequenzlerneffekt Nitsche et al. J Neurophysiol 2010

35 Repetitive Stimulation erzeugt stabile Effekte The learning curve for the sham (white diamonds) and anodal (gray squares) tdcs groups for the 30 training blocks over 5 days Retention of skill Reis et al. 2009

36 Erzeugt nur anodale Stimulation eine Verbesserung des Lernerfolgs? none anodal cathodal Antal et al. 2004a,b

37 Erzeugt nur anodale Stimulation eine Verbesserung des Lernerfolgs? none anodal cathodal Antal et al. 2004a,b

38 Zusammenfassung III -tdcs kann Lernvorgänge beim Menschen verbessern -Die Effekte sind abhängig vom Zeitpunkt und dem Ort der Stimulation -Die polaritätsspezifischen Effekte sind abhängig von Aufgabenspezifika -Es können langfristig stabile Effekte erzeugt werden

39 Interregionale Effekte der Hirnstimulation Relevanz für Lernvorgänge?

40 Funktionelle Konnektivität motorischen Lernens Lin et al., in press

41 tdcs-induzierte funktionelle Konnektivität in motorischen Netzwerken- EEG I Polania et al. 2011c

42 tdcs-induzierte funktionelle Konnektivität in motorischen Netzwerken- EEG II Polania et al. 2011c

43 tdcs-induzierte funktionelle Konnektivität in motorischen Netzwerken- EEG III Polania et al. 2011c

44 Funktionelle Relevanz? Beispiel Arbeitsgedächtnis I Polania et al. Curr Biol, 2012

45 Funktionelle Relevanz? Beispiel Arbeitsgedächtnis II Polania et al. Curr Biol, 2012

46 Klinische Relevanz der Hirnstimulation für motorisches Lernen

47 Plastizität nach Läsionen des motorischen Systems I Taub et al. 2006

48 Plastizität nach Läsionen des motorischen Systems II M1 M1 M1 M1 Intervention

49 Therapeutische Optionen Physiotherapie Hirnstimulation

50 Therapeutische Option- tdcs

51 tdcs reduziert motorische Defizite nach Schlaganfall Hummel et al Fregni et al. 2005

52 Abschließende Bemerkungen -Die physiologische Basis von Lernvorgängen sind neuroplastische Veränderungen kortikaler Netzwerke -Nichtinvasive Hirnstimulation erzeugt Neuroplastizität beim Menschen -Lernprozesse können durch simultane Anwendung von Hirnstimulationsverfahren verbessert werden -Die Kombination von Übungsverfahren mit Hirnstimulation könnte zukünftig klinische Relevanz erhalten

53 Mitarbeiter Min-Fang Kuo Rafael Polania Anirban Dutta Jessica Grundey Giorgi Batsikadze Shane Fresnoza Jan Grosch Caspar Stephani Nivethida Thirugnanasambandam Katia Monte-Silva Kooperationen Frank Padberg, LMU Hannelore Ehrenreich, MPI Exp. Medicine John Rothwell, UCL Alvaro Pascual-Leone, Boston Felipe Fregni, Boston Elena Pavlova, Stockholm Ester Nakamura-Palacios, Vitoria Förderung DFG BMBF Griebel-Stiftung ZNS-Hannelore-Kohl-Stiftung Humboldt-Stiftung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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