Closed-Loop-tDCS bei Patienten in minimalem Bewusstseinszustand

In den letzten 20 Jahren mit der Wiederentdeckung und Entwicklung der nichtinvasiven Hirnstimulation (NIBS); Techniken wie die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) und die transkranielle Magnetstimulation (TMS) haben dank der Fortschritte in der funktionellen Bildgebung, eleganter neurophysiologischer Beurteilungen, computergenerierter Modellierung und vor allem der Grundlage gut konzipierter Forschungsmethoden eine Blütezeit erlebt.

TDCS stellt eine sichere, kostengünstige und unkomplizierte Technik dar, die leicht in Rehabilitationsprogramme integriert werden könnte. In einer ersten scheinkontrollierten, doppelblinden, randomisierten Crossover-Studie wurde die Wirkung einer einzelnen präfrontalen tDCS in einer heterogenen Population von Patienten mit akuten Bewusstseinsstörungen (DOC), vegetativen Zuständen (VS) und minimalen Bewusstseinszuständen (MCS) untersucht -subakut (< 3 Monate) und chronisch, mit traumatischen oder nicht-traumatischen Ätiologien. Auf individueller Ebene wurden tDCS-Responder als Patienten definiert, die ein neues Bewusstseinszeichen zeigten (z. B. Befehlsbefolgung; visuelle Verfolgung; Erkennung, Manipulation oder Lokalisierung von Objekten); nach der aktiven tDCS-Sitzung, die weder vor noch während der Schein-tDCS-Sitzung vorhanden war. 13/30 Patienten mit MCS zeigten eine tDCS-bedingte Verbesserung. 2 akute (< 3 Monate) Patienten in VS von 25 zeigten eine tDCS-Reaktion (d. h. zeigte Befehlsfolgen und visuelle Verfolgung nach der anodischen Stimulation, die zu Studienbeginn oder vor oder nach Schein-tDCS nicht vorhanden war). Auf Gruppenebene wurde ein Behandlungseffekt, gemessen anhand der Coma Recovery Scale-Revised (CRS-R), in der MCS-, aber nicht in der VS-Patientengruppe beobachtet. Darüber hinaus wurden keine tDCS-bedingten Nebenwirkungen beobachtet. In einer anderen scheinkontrollierten Studie wurde tDCS fünf Tage lang entweder über dem primären motorischen Kortex oder über dem linken präfrontalen Kortex bei 10 chronischen Patienten mit DOC angewendet. In dieser Studie wurde die Wirkung von tDCS bis zu 12 Monate nach der Stimulation bewertet. Diese Studie hob hervor, dass sich sogar chronische DOC-Patienten verbessern könnten und die Wirkung bis zu 12 Monate nach tDCS anhalten könnte.

Mehrere tDCS-Studien wurden von der Coma Science Group (Dr. Thibaut) und anderen Gruppen durchgeführt. Bisher wurden insgesamt 221 Patienten mit DOC ohne schwerwiegende Nebenwirkungen in acht Studien eingeschlossen. Darüber hinaus berichteten drei weitere Studien, die von Naro et al. durchgeführt wurden, darunter insgesamt 59, ebenfalls keine unerwünschten Ereignisse. Daher erscheint tDCS als sichere Technik, insbesondere wenn sie von Experten und hochqualifizierten Forschern mit einem starken Hintergrund sowohl in der nicht-invasiven Hirnstimulation als auch bei Patienten mit Bewusstseinsstörungen angewendet wird.

Aus neurophysiologischer Sicht erhöht tDCS die neuronale Erregbarkeit, indem es die Freisetzung von Aktionspotentialen erleichtert und die Erregbarkeit von NMDA-Rezeptoren verändert. Darüber hinaus kann tDCS aufgabenbezogene dynamische synaptische Verbindungen stärken. Die Wirkung einer einzelnen tDCS-Sitzung hält etwa 60 bis 90 Minuten an. Wenn die Stimulation für 10 bis 20 Sitzungen wiederholt wird, hält die Wirkung nachweislich bis zu 3 Monate nach dem Ende der Stimulationssitzungen an.

Eine große Herausforderung bei der Anwendung von tDCS bei Patienten mit DOC ist die Variabilität der individuellen Verhaltensreaktion. Tatsächlich war in früheren Studien, die von der Coma Science Group und anderen Gruppen durchgeführt wurden, die Rate der Responder zwischen den Studien uneinheitlich. Wie oben erwähnt, ist ein Responder ein Patient, der nach der Anwendung von aktiver tDCS ein neues Anzeichen von Bewusstsein zeigte, das weder vor noch vor oder nach der Scheinstimulation beobachtet wurde. Angesichts der Spezifität der Crossover-Designs, die in diesen Studien verwendet wurden, wurde diese Definition jedoch kürzlich aktualisiert, da ein Patient zum ersten Mal nach der Anwendung von aktiver tDCS ein neues Zeichen des Bewusstseins zeigte.

Die nächsten Schritte zur Optimierung der Anwendungen von tDCS umfassen eine bessere Identifizierung von tDCS-Respondern im Vorfeld. Zu diesem Zweck führten Thibaut und Kollegen eine retrospektive Studie durch, in der die strukturellen und metabolischen Neuroimagery-Profile von Patienten, die auf tDCS (n = 8) ansprachen, und Patienten, die dies nicht taten (n = 13), anhand von strukturellen MRT-T1-Daten und 18 verglichen wurden -Fluordesoxyglukose-Positions-Emissions-Tomographie. Die Ergebnisse zeigten eine stärkere Atrophie bei Non-Respondern in Regionen wie dem linken DLPFC, dem medial-präfrontalen Kortex und dem linken Thalamus im Vergleich zu Respondern. Die gleichen Bereiche sowie der Thalamus waren bei Non-Respondern im Vergleich zu Respondern hypometabolisch. Dies deutet darauf hin, dass die Reaktion auf tDCS eine zumindest teilweise strukturelle und metabolische Erhaltung des stimulierten Bereichs sowie in subkortikalen Gehirnbereichen erfordert, die an Aufmerksamkeit und Arbeitsgedächtnis beteiligt sind. Später verwendeten die Autoren dieselbe Probe und analysierten retrospektiv die EEG-Gehirnkonnektivität im Ruhezustand. Die Ergebnisse zeigten eine höhere Theta-Zentralität bei Respondern (im Vergleich zu Non-Respondern), was bedeutet, dass dieser neue Biomarker zur Vorhersage der tDCS-Reaktion bei Patienten mit DOC verwendet werden kann (Thibaut et al. 2018). Eine weitere Schlüsselkomponente für die Reaktionsfähigkeit ist das Timing der Stimulationen. Tatsächlich weisen Patienten mit DOC typischerweise Wachsamkeitsschwankungen auf, die sich auf ihre Reaktionsfähigkeit auf jede Art von externen Stimuli auswirken. Patienten in MCS zeigen sogar eine Periodizität von 70 Minuten bei diesen Fluktuationen (Bereich 57-80), vergleichbar mit den Fluktuationen in der Aufmerksamkeit, die bei gesunden Kontrollpersonen beobachtet werden, während Patienten in VS diese Art von Periodizität nicht aufweisen. Piarulli und Kollegen verwendeten die mit dem Ruhe-EEG gemessene spektrale Entropie, um die Periodizität ihrer Schwankungen hervorzuheben, und schlugen vor, dass die Variabilität der spektralen Entropie des EEG bei MCS die zuvor in dieser Population beschriebene Bewusstseinsschwankung widerspiegeln könnte. Die Verabreichung von tDCS während bestimmter Zeitfenster (d. h. Perioden geringer oder hoher Erregung) könnte daher die klinische Wirksamkeit bei Patienten mit MCS beeinflussen, da bekannt ist, dass die positiven Wirkungen von tDCS vom neuralen Zustand des Gehirns abhängen. Zu diesem Zweck ermöglichen jüngste Fortschritte in der Informationstechnologie die Implementierung eines Closed-Loop-Aufbaus durch komplexe Berechnungen, die in Echtzeit durchgeführt werden. Die Verwendung dieser Technologie, um mit tDCS bei Patienten mit MCS auf bestimmte Wachsamkeitsniveaus abzuzielen, könnte einen Einblick in das Verständnis der Reaktionsmuster auf diese Behandlung geben und zukünftige Anwendungen optimieren.