Verstärkung der SMA-M1 Verbindung des menschlichen Motorkortex durch neuartige nicht-invasive Hirnstimulation zur Verbesserung motorischer Leistungen und Lernprozesse

• Antragsteller: Professor Dr. Ulf Ziemann
• Fachliche Zuordnung: Klinische Neurologie; Neurochirurgie und Neuroradiologie ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 259105706

Willkürliche Handbewegungen gehen mit koordinierter neuronaler Aktivität in einem verteilten kortikalen motorischen Netzwerk einher. Aufgaben-abhängige Verstärkung effektiver Konnektivität, insbesondere der Verbindung zwischen supplementär-motorischem Areal (SMA) und primär-motorischem Kortex (M1), richtet bahnende Aktivität auf den willkürlich aktivierten M1. Patienten nach Schlaganfall mit Handparese zeigen typischerweise eine gestörte aufgaben-abhängige SMA-M1 Kopplung und Aktivierung des ipsiläsionellen M1. Das Ausmaß dieser Störungen korreliert mit den klinischen Funktionsdefiziten der paretischen Hand. Hier schlagen wir eine neuartige MR-navigierte assoziative transkranielle Magnetstimulationstechnik (PAS) in Kombination mit transkranieller Gleichstromstimulation (tDCS) zur Induktion kooperativer spike-timing abhängiger Plastizität (STDP) vor. Die Stimulation zielt spezifisch der SMA-M1 Verbindung ab, um aufgaben-abhängige Kopplungen dieser kortiko-kortikalen Projektion zu verstärken. Wir erwarten, dass eine verstärkte Kopplung der SMA-M1 Verbindung zu verbesserten motorischen Leistungen und motorischen Lernprozessen führt. Im ersten Schritt werden die Experimente bei jungen gesunden Erwachsenen mit einem hohen Potenzial für neuroplastische Veränderungen durchgeführt, um den Effekt des kombinierten Stimulationsprotokolls auf motorische Leistungsverbesserungen zu prüfen. Im zweiten Schritt werden erfolgreiche Protokolle bei älteren gesunden Probanden, für die ein geringeres Reorganisationspotenzial angenommen wird, überprüft, mit dem translationalen Ziel, schließlich (in einem zweiten Förderabschnitt) bei Schlaganfallpatienten durch kooperative STDP die Funktion der paretischen Hand zu verbessern. Stimulations-induzierte Änderungen effektiver SMA-M1 Konnektivität in Ruhe und während der Durchführung motorischer Aufgaben werden mittels gepaarter transkranieller Magnetstimulation und mittels MEG/EEG gemessen. Änderungen motorischer Leistungen und motorischen Lernens werden in standardisierten motorischen Leistungs- und Lerntests quantifiziert. Das Projekt zielt zum ersten Mal darauf ab, physiologische dynamische Konnektivität einer spezifischen kortiko-kortikalen Projektion (SMA-M1) des menschlichen Gehirns durch zeit- und ortsspezifische nicht-invasive Hirnstimulation unter Verwendung einer Kombination von PAS und tDCS zu modulieren. Die geplanten Experimente greifen auf extensive Vorarbeiten zurück und basieren auf dem Prinzip der Hyperpolarisation von Axonterminalen der SMA-M1 Projektion durch anodale M1-tDCS sowie auf Kooperativität von STDP, einem in der zellulären Physiologie gut etablierten Grundprinzip zur Effizienzsteigerung der Induktion synaptischer Plastizität. Wir erwarten, dass der hier vorgeschlagene innovative Ansatz zeit- und ortsspezifischer nicht-invasiver Hirnstimulation mittelfristig einen signifikanten Beitrag zur Erfolgsverbesserung neurorehabilitativer Maßnahmen bei Schlaganfallpatienten leisten kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Christian Braun