Transkranielle Magnetstimulation (TMS)
Werbung
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften SS 2013 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Jöran Lepsien Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Zeitplan Datum Thema 12.4. Einführung und Organisation 19.4. Behaviorale Methoden 26.4. Augenbewegungen 3.5. Elektrophysiologie 10.5. -- (Freitag nach Himmelfahrt) 17.5. EEG 24.5. MEG 31.5. NIRS 7.6. PET 14.6. MRT 21.6. fMRT 28.6. Neuropsychologie 5.7. TMS & Nachbesprechung, Prüfungsvorbereitung 12.7. -19.7. verschoben auf 5.7. (direkt nach regulärer Vorlesung) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Transkranielle Durch die intakte Schädeldecke hindurch Magnet- Durch ein (dynamisches) Magnetfeld verursacht Stimulation Anregung von Nerven Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Grundlagen • Mittels TMS werden bestimmte Hirnstrukturen kurzzeitig stimuliert oder gehemmt. • Bei einer Hemmung spricht man auch von einer virtuellen Läsion. • Gehört zu den Standardverfahren der kognitiven Neurowissenschaften und zu den ergänzenden Verfahren der bildgebenden Methoden. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Echte Läsionen • Defizite führen mit der Zeit zu einer Reorganisation / Kompensation • Können nur bei Tieren gezielt angebracht werden, beim Menschen ist man auf Verletzungen / Erkrankungen angewiesen. • Können mittels Bildgebung genau lokalisiert werden. • Zeigen oft sehr deutliche Beeinträchtigung des Verhaltens. → Nicht Ausfall sondern Kompensation wird gemessen Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Virtuelle Läsionen • Führen zu keiner Reorganisation / Kompensation • Können benutzt werden, um das Timing der Kognition zu untersuchen. • Können sehr präzise und fokussiert angebracht werden. • Können an einer Versuchsperson an unterschiedlichen Stellen angebracht werden. → Ausfall / Stimulation kann direkt gemessen und mit Kontrollbedingung verglichen werden. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) TMS und Bildgebung • Bildgebung: Kann anatomischen Ort einer Funktion kartieren. • Unbeantwortet bleibt aber die Frage, welche Funktion genau das kartierte Neuronenensemble für die entsprechende Aufgabe hat. → hemmend? → stimulierend? • Durch die Veränderungen des Verhaltens nach einer TMS-Intervention können Rückschlüsse über die funktionale Bedeutung der entsprechenden Struktur gezogen werden. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Methodenübersicht TMS Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Methodenübersicht Walsh & Cowey (2000) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Geschichte und technische Grundlagen • Galvanismus (L. Galvani, 1780) • elektromagnetische Induktion (M. Faraday, 1831) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Geschichte und technische Grundlagen Seit Ende des 19. Jahrhunderts Versuche zur magnetischen Stimulation des Gehirns Phosphene (Lichtblitze) Schwindelattacken Magnusson y Stevens (1911) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Geschichte und technische Grundlagen • Magnetfeld von 140 mT mit 50 Hz → schwache, flackernde Leuchtreize → Magnetosphene (induktiv hervorgerufene Wirbelströme in der Netzhaut). Silvanus P. Thompson (1910) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Geschichte und technische Grundlagen Baker et al. 1985 stellt erstes TMS-Gerät vor Anthony T. Barker (1985) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Elektromagnetische Induktion Entstehen einer elektrischen Spannung entlang einer Leiterschleife durch die Änderung des magnetischen Flusses → Strom erzeugt Magnetfeld. → Magnetfeld erzeugt Strom. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) TMS – Neuronale Grundlagen Bei einem Aktionspotential wird elektrische Ladung in der Zelle bewegt. Prinzip: Man möchte künstlich eine Potentialveränderung einer Nervenzelle erreichen. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) TMS – Neuronale Grundlagen → Jede Bewegung von elektrischer Ladung ruft ein Magnetfeld hervor. → Jedes Magnetfeld ruft Bewegung elektrischer Ladung hervor. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) TMS – Neuronale Grundlagen → Jede Bewegung von elektrischer Ladung ruft ein Magnetfeld hervor. → Jedes Magnetfeld ruft Bewegung elektrischer Ladung hervor. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) TMS – Neuronale Grundlagen → Jede Bewegung von elektrischer Ladung ruft ein Magnetfeld hervor. → Jedes Magnetfeld ruft Bewegung elektrischer Ladung hervor. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) TMS – Neuronale Grundlagen Magnetische Feldlinien umgeben die longitudinale Achse eines durch den elektrischen Dipol hervorgerufenen Stroms. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) TMS – Neuronale Grundlagen MEG: • Das Gehirn generiert daher auch schwache elektrische Felder, die von Detektoren gemessen werden können. • Magnetfeld breitet sich ohne Beeinflussung des Gewebes oder der Knochen bis an die Kopfoberfläche aus. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen → Reizspule (Coil) wird auf der Kopfhaut platziert, darüber wird kurzzeitig und impulsartig ein magnetisches Feld aufgebaut. → Dadurch werden elektrische Ströme im Gewebe unterhalb der Spule induziert. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Spulen • Früher: Rundspulen, Nachteil: Relativ grosse induzierte Magnetfelder. • Heute: Schmetterlingsspule („Figureof-8-coil“) mit 70mm Durchmesser • Bietet ein stärkeres und fokussierteres Magnetfeld als die Rundspulen • Stromfluss: ca. 5kA Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Stärke des Magnetfeldes • Durch TM-Stimulation wird ein Strom im Gewebe induziert. • Stärke des Induktionsstroms hängt vom Gewebe und dessen Widerstand ab. • Stimulation bis zu einer Tiefe von 2 cm möglich. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Stärke des Magnetfeldes • Durch TM-Stimulation wird ein Strom im Gewebe induziert. • Stärke des Induktionsstroms hängt vom Gewebe und dessen Widerstand ab. • Stimulation bis zu einer Tiefe von 2 cm möglich. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Stärke des Magnetfeldes • Zeitliche Änderung der Stromstärke. • Spulenradius und Windungszahl • Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Feldes. • Induktivität der Spulen • Winkel zwischen Magnetfeldlinien und dem stimulierten Gewebe • Abstand Spule – Gewebe Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Geräte (MPI CBS) Magstim „Rapid2“ Peak: Wdh-Rate: 3,5 Tesla bis 100Hz (30%) bis 25Hz (100%) Pulslänge: ca. 400µs Auflösung: ca. 5mm Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Magnetfeld und Nervenzellen • Änderungen eines Magnetfeldes induzieren Änderungen des Membranpotentials an den Neuronen (bevorzugt an den parallel zum induzierten Strom verlaufenden Axonen). → Auslösung von Aktionspotentialen (neuronales Rauschen). → Vor allem Neurone, deren Axone oder Dendriten parallel zur Hirnoberfläche verlaufen, werden depolarisiert. → Potentialdifferenz zwischen verschiedenen Orten der Axone wird aufgebaut. • Erregte Neurone können exzitatorische oder inhibitorische Eigenschaften haben. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Reizimpuls • Reizimpuls hat rasche Anstiegsflanke (< 10 µs) und fällt dann langsam ab (300500 µs). • Während der schnellen Anstiegsphase wird ein kurzer das kortikale Gewebe erregender Induktionsstrom generiert. • Der induzierte Strom führt zu einer Veränderung des Magnetfeldes im Gewebe. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Reizimpuls • Die Änderung des Magnetfeldes induziert wiederum ein elektrisches Feld. → Aktionspotential oder Veränderung des Ruhepotentials. • Kann in Veränderung des Verhaltens einer Versuchsperson gemessen werden. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Interferenz-Mechanismen • TMS induziert Rauschen („Noise“) in die neuronalen Prozesse. → Unwahrscheinlich, dass während einer neuronalen Aktivität und einem gegebenen TMS-Impuls genau das Muster der neuronalen Aktivität induziert wird. → TMS induziert eher Unordnung als Ordnung. → TMS kann damit ähnliche Defizite herbeiführen, die man sonst bei neuropsychologischen Patienten (z.B. durch Läsionen) feststellt. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Impulsarten – Einzelpuls-TMS • Standarddiagnostikverfahren um Funktion des motorischen Kortex zu überprüfen. • TMS-Impuls über motorischem Kortex appliziert. → magnetisch/motorisch evoziertes Potential (MEP) an Hand gemessen. → EMG-Elektroden messen Amplitude, Latenz, Vorhandensein eines Potentials und lassen Rückschlüsse auf Intaktheit des Systems zu. • Einzelimpulse über dem somatosensorischen Kortex führen zu Parästhesien. • Einzelimpulse über Okzipitalkortex resultieren in Phosphenen (kurze Lichtblitze). Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) MEP – Amplitude und Latenz Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Impulsarten – Einzelpuls-TMS → Typischer Fingermuskel • M. abductor pollicis brevis (APB) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Impulsarten – Einzelpuls-TMS → Impulsschwelle • Bei Untersuchungen am motorischen Kortex kann die Stimulation als MEP gemessen werden. • Aus Gründen der Vergleichbarkeit muss jeweils die individuelle Reizschwelle bestimmt werden. • Schwellenwert (Psychophysik): Geringste Reizintensität, die notwendig ist, um bei 50 % der Stimulationen Reizantworten mit mindestens 50 µV in einem Fingermuskel zu evozieren. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Impulsarten – repetitive TMS • Wiederholte Stimulation mit einer Frequenz von bis zu 60 Hz. • Längere rTMS mit niedriger Frequenz (ca. 1 -2 Hz) führen zu einerArt virtueller oder transienter Läsion der stimulierten Hirngebiete. → Funktion des Gebietes kann gehemmt werden. → „long term depression“ → bleibt für ca. 15 Minuten bestehen. • Höherfrequente Stimulationen (> 4 Hz) haben dagegen einen faszilierenden Effekt auf die stimulierten Hirngebiete. → Erhöhung der Effizienz/Bahnung von exzitatorischen Synapsen → „long term potentiation“ → bleibt für mehrere Minuten bestehen. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Anwendungen Neurophysiologie (Bestimmung der Nervenfunktion) → Auslösung magnetisch evozierter Potentiale (MEPs). → Unterscheidung z.B. zwischen demyelinisierenden und axonalen Erkrankungen „experimentell-klinisch“ → M. Parkinson (Koch et al., Neurology 2005) → endogene Depressionen (Isenberg et al.,Ann Clin Psychiatry 2005) → Zwangsstörungen, Gilles de la Tourette (Mantovani et al., Int J Neuropsychopharmacol 2006) → Schizophrenie (Brunelin et al., Schizophr Res 2006) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Anwendungen – Kognitive Neurowissenschaften • Stimulation kann zu einer (undramatischen, aber messbaren) Veränderung der Leistungsfähigkeit in einer engumschriebenen Aufgabe führen. • Zeigt die Relevanz eines Gehirnbereiches für einen bestimmten Denkprozess. • fMRT zeigt nur die Gleichzeitigkeit zwischen Aufgaben-Ausführung und Durchblutungsveränderungen in umschriebenen Hirnbereichen. • Studien am verletzten Gehirn zeigen auch Relevanz eines Hirnareals (Ausfälle), aber durch Reorganisation ist das restliche Gehirn nicht mit dem Gesunden vergleichbar. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Paradigmen – Online • TMS wird während des Experimentes gegeben. • Gleichzeitige Aktivierung grösserer Nervenverbände für wenige Millisekunden. • Kann sich sowohl förderlich als auch hinderlich auf Leistung auswirken (abhängig von dem Zeitpunkt der Stimulation). Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Paradigmen – Offline • TMS wird vor dem Experiment z.B. über 10 Minuten hinweg gegeben. • Noch über wenige Minuten ist die Kommunikation des stimulierten Hirnbereiches mit dem Rest des Gehirns verändert. • Kann sich sowohl förderlich als auch hinderlich auf Leistung auswirken (abhängig von Dauer und Frequenz der Stimulation). Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Platzierung der Spulen – Iterative Suche • Grundproblem: Korrektes Platzieren der Spulen auf Schädeloberfläche. • Vorgehen bei Diagnostik des motorischen Kortex: → → → → • Mittelinie auf Schädelkalotte identifizieren. Position des Motorkortex abschätzen Spule tangential über Motorkortex anbringen und Impuls generieren. Überprüfen ob ein MEP am Finger ableitbar ist und evtl. korrigieren. Wenn die richtige Position gefunden wurde, kann diese markiert werden und für weitereAnwendungen verwendet werden. → Iterative Suche → Problematisch bei Regionen die weniger klar abgrenzbar sind. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Platzierung der Spulen – 10-20-System • 10-20-System ist anerkanntes System mittels dessen man EEG-Elektroden auf der Schädeloberfläche platziert. • Es gibtArbeiten, die anhand von normalisierten Gehirnen die unter den Elektrodenpositionen lokalisierten Hirngebiete kartieren. • Landmarken haben zwar Spannbreiten von bis zu 2 cm, diese liegen aber innerhalb des Ungenauigkeitsbereichs einer TMS-Stimulation. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Platzierung der Spulen – 10-20-System • 10-20-System ist anerkanntes System mittels dessen man EEG-Elektroden auf der Schädeloberfläche platziert. • Es gibtArbeiten, die anhand von normalisierten Gehirnen die unter den Elektrodenpositionen lokalisierten Hirngebiete kartieren. • Landmarken haben zwar Spannbreiten von bis zu 2 cm, diese liegen aber innerhalb des Ungenauigkeitsbereichs einer TMS-Stimulation. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Platzierung der Spulen – Neuronavigation • • Mittels normalisiertem Standardgehirn oder MRT-Bild und einem Analysesystem kann TMS-Spule an die richtige Position navigiert werden. Sehr präzise, noch relativ teuer. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Paradigmen – Online: Timing (Corthout et al., 1999) • Präsentation eines Buchstaben für 10 ms, Aufgabe der Versuchsperson war, den Buchstaben zu erkennen. • TMS wurde über dem Okzipitallappen (visueller Kortex) angesetzt, zu unterschiedlichen Zeitpunkten (von 100 ms vor Targetpräsentation bis 190 ms nach Targetpräsentation). Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Paradigmen – Online: Timing (Corthout et al., 1999) • Erster "Dip" um -50 ms kann aufAugenblinzeln zurückgeführt werden. • Zweiter "Dip" um 0 ms. • Dritter "Dip" um ca. 100 ms. • Interpretation: Es gibt mindestens zwei unterschiedliche Zeiträume, die für die Identifikation eines Objektes bedeutsam sind. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften TMS Paradigmen – Online: Timing (Beckers & Zeki, 1995) • Stimulation über V5 (MT): Effekt auf Erkennen von Bewegungsrichtung bei einem Zeitfenster von -20 bis 10 ms. • Stimulation über Region zwischen V5 und V1: Kein Effekt auf Erkennen von Bewegungsrichtung. • Stimulation über V1: Effekt auf Erkennen von Bewegungsrichtung bei einem Zeitfenster von 60 bis 70 ms nach Target-Präsentation. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Paradigmen – Online: Timing (Beckers & Zeki, 1995) • Bislang wurde davon ausgegangen, dass alle visuelle Information via V1 in weitere visuelle Areale weitergeleitet wird. • Dann müsste eine Stimulation über V1 einen früheren Effekt zeigen als eine Stimulation über V5. • Hier ist es aber umgekehrt → Autoren stellen die Hypothese auf, dass V5 Informationen über mindestens zwei Routen bekommen kann. → V1 → Direkt über Korpus geniculatum laterale. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Kombinationen mit anderen Methoden z.B. fMRI, PET, EEG Zeitpunkt: vorher, nacher, simultan Art: offline, online, Localizer Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Kombination PET - TMS • TMS über motorischem Kortex um Armbewegungen auszulösen. • Armbewegungen sollten in einer zweiten Bedingung imitiert werden. • Gleiche motorischeAreale in beiden Bedingungen aktiviert. Bei willkürlichen Bewegungen zusätzlich vorderer Teil der SMA. (Siebner et al., 1998) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Nebenwirkungen, Gefahren Epileptische Anfälle → 8 Fälle wurden in derAnfangsphase (bis 1996) berichtet → International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996“ (Wassermann, Electroencephal Clin Neurophys 1997):Ausschlusskriterien, Stimulationsmaxima. → seither keineAnfälle mehr berichtet → Paradox: TMS bei Epilepsiepatienten zeigt eher eine Reduktion epileptiformer Aktivität im EEG (Fregni et al., Epilepsy Behav 2005) Zucken der Kopfhaut und der Kaumuskulatur, Spannungskopfschmerz; → keine Langzeitnebenwirkungen! Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Literatur der heutigen Veranstaltung Jänke, L. (2005). Methoden der Bildgebung in der Psychologie und den kognitiven Neurowissenschaften. Stuttgart: Kohlhammer. Kapitel 9: Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Literatur der heutigen Veranstaltung Walsh, V., & Cowey,A. (2000). Transcranial magnetic stimulation and cognitive neurscience. Nature Reviews Neuroscience, 1, 73-79. Siebner, H. R., Willoch, F., Peller, M.,Auer, C., Boecker, H., Conrad, B., & Bartenstein, P. (1998). Imaging brain activation induced by long trains of repetitive transcranial magnetic stimulation. NeuroReport, 9, 943-948. Corthout, E., Uttl, B., Ziemann, U., Cowey,A., & Hallett, M. (1998). Two periods of processing in the (circum)striate visual cortex revealed by transcranial magnetic stimulation. Neuropsychologia, 37, 137-145. Beckers, G., & Zeki, S. (1995). The consequences of inactivating areas V1 and V5 on visual motion perception. Brain, 118, 49-60. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
