Einfluss nicht-invasiver Motorcortex-Stimulation auf motorisches Lernen und Rehabilitation nach Infarkt: Plastizität funktioneller Netzwerke und des cortico-rubro-spinalen Systems

Abstract

Die in dieser Habilitationsschrift präsentierten Arbeiten versuchen einen Weg zur effektiven, individuell zugeschnittenen Behandlung von Patienten im chronischen Stadium nach Hirninfarkt aufzuzeigen. In einem mehrstufigen Ansatz wurde das Ziel verfolgt, zunächst Prozesse zu beschreiben, die der Erholung motorischer Funktion zugrunde liegen. Hier konnte insbesondere die kompensatorische Rolle des cortico-rubro-spinalen Systems in der Restitution motorischer Funktion beim Menschen belegt werden. In einem zweiten Schritt lag der Fokus auf nicht-invasiver Hirnstimulation als adjuvante Therapie in Ergänzung etablierter „peripherer“ Interventionsformen nach Hirninfarkt wie Ergo-/Physiotherapie. Es ließen sich signifikante Verbesserungen der Handfunktion im chronischen Stadium nach Hirninfarkt durch Anwendung einer neuen Stimulationsmethode, der dualen transkraniellen Gleichstromstimulation (engl. transcranial direct current stimulation, tDCS), dokumentieren. Nachuntersuchungen und longitudinale funktionelle Magnetresonanztomographie (MRT) deuteten hier auf tDCS-induzierte nachhaltige, plastische Reorganisationsprozesse hin. Zum besseren Verständnis des Wirkmechanismus diente eine multimodale MRT-Studie gesunder Probanden in einem für das Auftreten von Hirninfarkten typischen Alter. Entgegen der Annahme, dass duale tDCS als Summe anodaler und kathodaler Effekte zu verstehen ist, fand sich eine synergistische Modulation bihemisphärischer Netzwerke und eine Konnektivitätszunahme des dorsalen posterioren cingulären Cortex, der eine wichtige Rolle in der Mediation motorischer Kontrolle innehat. Diese Einsichten werden bei der Planung künftiger Interventionsstudien helfen und die Entwicklung spezifischer Stimulationsansätze für individuelle Patienten fördern. Schließlich gelang es, Surrogatmarker des therapeutischen Ansprechens mittels Diffusions-Tensor-Bildgebung auszumachen, die nutzbar gemacht werden können, um Patienten optimalen Interventionsstrategien zuzuführen. Die Ergebnisse lassen sich im Wesentlichen in zwei Richtungen weiterentwickeln, die abschließend skizziert werden sollen. Der Nachweis der Effektivität und die Möglichkeit der individualisierten Applikation weisen duale tDCS als erfolgversprechende adjuvante Therapie in der motorischen Rehabilitation aus. In einer großangelegten, multizentrischen Validierungsstudie sollten die Verallgemeinerbarkeit bisheriger Ergebnisse und die Alltagsrelevanz der beschriebenen behavioralen Effekte bewertet werden. Vor dem Hintergrund der zu erwartenden demographischen Entwicklung mit steigender Inzidenz von Hirninfarkten und Zunahme der Folgen im chronischen Stadium durch die verbesserte Primärversorgung sind neue, evidenzbasierte Behandlungsstrategien nicht nur für individuelle Patienten von großer Bedeutung, sondern auch aus sozioökonomischer Sicht unerlässlich. Darüber hinaus lassen sich die hier vorgestellten Einsichten in allgemeine Prozesse der Reorganisation motorischer Funktionen, insbesondere mit Blick auf das cortico-rubro-spinale System, als eine mögliche Grundlage für die Entwicklung neuer Rehabilitationsstrategien verstehen.

The aim of the present work was to provide chronic stroke patients with effective, individually tailored rehabilitation. Using a multi-facetted approach, we initially set out to investigate basic processes of motor recovery after stroke with diffusion tensor imaging (DTI). Those studies suggested a compensatory role of the cortico-rubro-spinal system for the restitution of motor function in human stroke patients, which had only been described for non-human primates previously. In a next step, we focused on non-invasive brain stimulation, applied simultaneously with established “peripheral” interventions such as occupational and physical therapy. The novel technique of bihemispheric (“dual”) transcranial direct current stimulation (tDCS) yielded significantly greater functional improvements of the affected hand compared to sham stimulation. Follow-up behavioral testing and longitudinal functional magnetic resonance imaging (MRI) demonstrated that tDCS-induced effects outlasted the stimulation period and indicated plastic reorganization processes. In a third step, we conducted a multi-modal MRI study in healthy control subjects who underwent tDCS inside the scanner in order to investigate immediate tDCS effects on functional networks and to better understand its mode of action. The results indicated that dual tDCS exerts its effects through complex synergistic modulation of bihemispheric networks. Those findings partly contradict previously proposed models, which postulated “simple” add-on effects of concurrent anodal and cathodal stimulation, and open avenues for future intervention studies. In a last step, DTI helped defining surrogate markers of therapeutic response to tDCS, involving the cortico-rubro-spinal system as potential target for restorative treatments. In the future, this information may help providing individual patients with optimal rehabilitation strategies based on the pattern of structural motor system damage. Multi-center trials are needed to verify those results and establish tDCS as an adjuvant intervention in standard rehabilitation.