Eigentlich ist es ein Trainingsvideospiel für US-Soldaten. Doch die paar Freiwillige, die im vergangenen Jahr in einem Labor in Albuquerque zusammensaßen und DARWARS Ambush! spielten, taten dies ganz zivil im Dienst der Wissenschaft. In virtuellen Ruinenlandschaften galt es, verdeckte Gefahren aufspüren, sei es der Schatten eines Heckenschützen oder eine improvisierte Sprengfalle hinter einem Mülleimer – sekundenschnell, bevor Explosionen oder Schüsse knallten. Dass dabei ein feuchter Schwamm an ihrer rechten Schläfe ein leichtes Prickeln verursachte, vergaßen die meisten völlig. Nicht mehr als ein paar Milliampere wurde ihnen mit einem simplen Gerät und einer Neun-Volt-Batterie ins Gehirn geleitet.

So unorthodox das Experiment scheinen mag, für Versuchsleiter Vincent Clark, Neurowissenschaftler von der University of New Mexico in Albuquerque, hatte es einen ernsten Hintergrund: Mit der so genannten transkranialen Gleichstromstimulation (tDCS, transcranial direct current stimulation) glaubt der Forscher die Lernfähigkeit seiner Probanden entscheidend verbessern zu können. Und trotz seiner Einfachheit scheint das System zu funktionieren.

Diejenigen Freiwilligen, die über Elektroden an der Kopfhaut die zwei Milliampere erhielten – was in etwa einem Fünfhundertstel des Stromflusses in einer 100-Watt-Glühlampe entspricht –, hatten sich nach kurzem Trainingsspiel mehr als doppelt so stark verbessert wie Teilnehmer mit einem Zwanzigstel des Stromflusses [1]. "Sie lernen schneller, können sich aber nicht richtig erklären, warum", sagt Clark. Sein Projekt förderte die amerikanische Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) – in der Hoffnung, eines Tages die Sinne von Soldaten im Einsatz schärfen zu können.

Gleichstromstimulation
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 Bild vergrößernDenken unter Strom
Einen schwachen Strom an die Kopfhaut anzulegen, hat erstaunliche Auswirkungen auf das darunterliegende Hirn: Wissenschaftler beobachteten, dass die Behandlung nicht nur für Kreativität und bessere Lernfähigkeit sorgt, sondern womöglich auch gegen Depression und zur Rehabilitation eingesetzt werden könnte.
Die Technik selbst ist nicht neu, ihre Ursprünge liegen in über zwei Jahrhunderte alten Experimenten. Doch zurzeit erlebt sie eine regelrechte Renaissance. Clark und andere Wissenschaftler sehen in der tDCS die Chance, Lern- und Denkprozesse zu Untersuchungszwecken systematisch aufdröseln zu können. In absehbarer Zeit dürfte sie Wissenschaftler in die Lage versetzen, per Knopfdruck die Aktivität von Gehirnarealen zu verstärken oder zu dämpfen, während sie gleichzeitig das Verhalten der Probanden beobachten. Das Forschungsfeld "wird schon bald einen gewaltigen Boom erleben und uns alle möglichen neuen Erkenntnisse, aber auch weitere Fragen bringen", meint Clark.

Wie schon frühere Stimulationsverfahren, die starke Magnetfelder oder implantierte Elektroden einsetzen, soll die tDCS nun zur Therapie neurologischer Störungen wie Depression und Schlaganfall einsetzbar werden. Aber gerade angesichts der Einfachheit des tDCS-Geräts bleibt die wichtigste Frage: Ist es ethisch vertretbar, am gesunden Gehirn herumzudoktern, um Lernfähigkeit und Wahrnehmungsvermögen zu verbessern? Die Wirkung der tDCS ist mittlerweile "groß genug, um auch im Alltag ihre Anwendungen zu finden", sagt die Neuroethikerin Martha Farah von der University of Pennsylvania in Philadelphia.

An diesen Punkt zu gelangen, war nicht einfach. Die Gleichstromstimulation stand lange auf der Kippe und lieferte bizarre bis nichtreproduzierbare Studienergebnisse. Und keineswegs alles ist bis heute geklärt.

Der italienische Wissenschaftler Jean Aldini war um 1800 der Erste, der mit der Gleichstromstimulation experimentierte. Erst wollte er Bewegungen in den Leichnamen von kurz zuvor hingerichteten Verbrechern auslösen; später behauptete er in einer Veröffentlichung, zwei Patienten mit dem Gemütsleiden "Melancholie" geheilt zu haben. Bis in die 1940er Jahre wurden viele depressive Patienten im Rahmen der so genannten Elektrokonvulsionstherapie mit so starken elektrischen Impulsen traktiert, dass permanent die Gefahr epileptischer Anfälle bestand. Aber seit Jahrzehnten spielen auch immer wieder Forscher mit dem Gedanken, psychische Erkrankungen mit viel schwächeren elektrischen Strömen zu behandeln, die etwa 1000-fach geringer sind als bei der Elektrokonvulsionstherapie.

Schwacher Start

Im Jahr 1964 übertrug der Psychiater Joe Redfearn vom Graylingwell Hospital in Chichester viel versprechende Ergebnisse aus einem Rattenmodell direkt auf den Menschen, indem er 50 bis 250 Mikroampere an die Kopfhaut von freiwilligen Probanden applizierte. Abhängig von der Stromflussrichtung wurden diese gesprächig und sogar albern oder aber verschlossen [2]. Joe Redfearn behandelte 29 depressive Patienten mit den "albern stimmenden" Bedingungen und fand bei der Hälfte der Patienten eine Verbesserung der Erkrankung [3]. Diese Ergebnisse konnten allerdings nie reproduziert werden, so dass die Technik nicht weiter verfolgt wurde.

"Ehrlich gesagt wurde eine ganze Menge Unsinn gemacht, was der Glaubwürdigkeit des ganzen Feldes geschadet hat."
Marom Bikson
Im Nachhinein erkennt man mehrere Schwachstellen an seiner Arbeit. So nutze Redfearn etwa zehnfach niedrigere Stromstärken als die moderne tDCS, vielleicht weil er nicht messen konnte, wie viel Strom tatsächlich das Gehirn seiner Probanden erreichte. Erst ein paar Jahrzehnte später standen die notwendigen Methoden zur Verfügung, besonders als Wissenschaftler begannen, die Gehirnaktivität nach transkranieller Magnetstimulation (TMS) zu bestimmen. Bei der TMS wird eine von mehreren tausend Volt durchflossene Spule direkt am Kopf angesetzt. Durch die Magnetfelder werden elektrische Impulse im Gehirn ausgelöst, deren Größe mit Hilfe externer Elektroden genau gemessen werden kann.

Der Neurowissenschaftler Alberto Priori von der Università degli Studi di Milano zeigte in den 1990er Jahren, wie die Wirksamkeit der TMS durch die tDCS noch gesteigert werden kann. Er stimulierte sieben Sekunden lang den motorischen Kortex von Probanden mit einem Gleichstrom von 0,5 Milliampere und applizierte anschließend kurze TMS-Impulse.

Wenn Neurone durch die tDCS empfänglicher würden, müssten auch vermehrt Neurone bei einer nachfolgenden TMS reagieren, so seine Überlegung. Die Annahme stellte sich als richtig heraus. So hatten kurze Gleichstromimpulse tatsächlich eine länger anhaltende neuronale Erregbarkeit durch die TMS zur Folge. Als Priori diese Versuche 1993 vorstellte, bezweifelten seine Kollegen jedoch, dass tatsächlich elektrische Ströme durch den Schädel transferiert würden. Erst 1998 konnte er die Kritiker von der Richtigkeit seiner Daten überzeugen [4].

Michael Nitsche, ein klinischer Neurologe der Universität Göttingen, war fasziniert. Er hatte schon zuvor an der Behandlung von Epilepsie mittels Magnetstimulation geforscht. Allerdings war das nötige Gerät unhandlich und teuer, und die Effekte auf die Gehirnaktivität verflogen zu schnell, um Patienten wirklich helfen zu können. Nitsche, damals frischgebackener Absolvent, und sein Chef Walter Paulus beschlossen daraufhin, ein Jahr lang die tDCS zu erproben. Unverzüglich traten bestürzte Kollegen auf den Plan: "Hört sofort mit dem Scheiß auf! Das ist gefährlich", erinnert er sich an ihre Kommentare. Nitsche erwirkte aber die Genehmigung des Ethikrats der Universität, und weil nicht genügend freiwillige Probanden zur Verfügung standen, führte er die Versuche kurzerhand bei seinem Vater, seiner Schwester und sich selbst durch.

Im Jahr 2000 veröffentlichten Nitsche und Paulus schließlich eine Studie, in der sie zeigen konnten, dass der Motorkortex nach einer fünfminütigen Behandlung mit etwa einem Milliampere noch Minuten nach Abschalten des Stroms sensibler auf Signale reagierte als gewöhnlich [5]. Wie schon zuvor Priori, verifizierten sie die Effekte mittels TMS.

Nitsche und andere Wissenschaftler haben seitdem den Wirkmechanismus der tDCS genauer unter die Lupe genommen. Wie Analysen zur Physiologie des Gehirngewebes zeigen, schafft Gleichstrom ein elektrisches Feld, das das neuronale Membranpotenzial der Gehirnzellen verändert.

Reizen und beruhigen

Die so genannte "anodale" Stimulation, bei der Elektronen in die Elektrode am Kopf hineinfließen, verschiebt das Membranpotenzial um wenige Millivolt in Richtung Depolarisation. Hierdurch werden Neurone für Signale anderer Zellen sensibilisiert. Den umgekehrten Effekt hat die "kathodale" Stimulation, bei der Elektronen aus der Elektrode abfließen. Sie bewirkt die Hyperpolarisierung der Membran und macht die Neurone so unempfindlicher für Signale der Nachbarneurone.

Wird der Strom abgeschaltet, sorgt ein zweiter Mechanismus für Effekte, die sogar eine Stunde lang anhalten können. Wie pharmakologische Untersuchungen nahelegen, kurbeln die Stromimpulse die Produktion von so genannten NMDA-Rezeptoren an. Diese Membrankanäle sitzen in den Synapsen und sind entscheidend an Lernprozessen beteiligt. Vermehren sie sich, steigt dadurch die Plastizität des Gehirngewebes: Es kann nun leichter seine synaptischen Verbindungen verändern und lernen – ein Effekt, der letztendlich auch den videospielenden Probanden zugutegekommen sein dürfte.

Wie sich der plastische Zustand konkret nutzen lässt, erforscht unter anderem Leonardo Cohen vom National Institute of Neurological Disorders and Stroke in Bethesda. Im Jahr 2009 konnte er nachweisen, dass mit einer tDCS eine einfache Koordinationsübung leichter erlernt wird [6]. Die Verbesserung war drei Monate nach Abschluss des Experiments immer noch nachweisbar.

Seitdem ist die tDCS auch für die Rehabilitation von Schlaganfallpatienten interessant. In kleinen Studien fanden Cohen, Nitsche und andere Wissenschaftler in der Tat heraus, dass sich die Rehabilitation der Handfunktion durch den Einsatz der tDCS verbessern lässt.

Unter der Leitung von Felipe Fregni vom Berenson-Allen Center for Noninvasive Brain Stimulation in Boston und Paulo Boggio von der Mackenzie Presbyterian University im brasilianischen Sao Paulo wird auch am Einsatz der tDCS zur Behandlung von Depressionen geforscht. Mehrere kleine Studien legen nahe, dass schon einige wenige tDCS-Behandlungen des so genannten dorsolateralen präfrontalen Kortex die Stimmung der Patienten für mehrere Wochen verbessern kann.

Riskanter Ansatz

Die Anwendung der tDCS im selben Gehirnareal mindert aber auch die Risikobereitschaft, wie Boggio und Fregni im Jahr 2007 berichteten [7]. Die Probanden, allesamt gesunde Studenten, spielten ein Computerspiel, bei dem sie mit einer bestimmten Taste Luft in einen fiktiven Ballon pumpen sollten. Je stärker sie pumpten, desto mehr virtuelles Geld verdienten sie. Wenn der Ballon aber platzte, verloren sie all ihre Gewinne. Die tDCS-behandelten Probanden erwiesen sich letztendlich als weniger risikobereit.

Laut Boggio lässt sich das Ergebnis auch auf Suchtsituationen übertragen, die meist mit einem Verlust interner Hemmung einhergehen. Er und Fregni veröffentlichten 2008 drei Studien zur Stimulation des dorsolateralen präfrontalen Kortex [8-10]. Sie konnten zeigen, dass eine Stimulation dieses Gehirnareals das Verlangen nach Alkohol, Zigaretten oder Süßigkeiten dämpfte. Nun hoffen die Forscher, die Technik in einer klinischen Studie zur Raucherentwöhnung testen zu können. Gemessen an all dem Auf und Ab sind die Ergebnisse ermutigend. "Ehrlich gesagt wurde eine ganze Menge Unsinn gemacht, was der Glaubwürdigkeit des ganzen Feldes schadet", so Marom Bikson, ein Bioingenieur vom City College von New York. Aber in neuen Untersuchungen zur Optimierung der Methode "sind alle schon viel sorgfältiger", meint er.

Nicht alle sind davon überzeugt, dass die Rückschläge überwunden sind. Die klinische Psychiaterin Helen Mayberg von der Emory University in Atlanta forscht daran, wie sich Depressionen mit tiefer Hirnstimulation behandeln lassen. Hierbei werden Elektroden tief ins Gehirn gepflanzt. Sie ist von der nichtinvasiven tDCS begeistert, macht aber auch deutlich, dass bisher nur Kurzzeitstudien durchgeführt wurden. Die wesentliche Frage ist ihrer Meinung nach, "wie man die tDCS zur chronischen Behandlung einsetzen kann und mit welchem Rückfallrisiko zu rechnen ist". Boggio und andere haben hierzu klinische Studien gestartet. Dabei werden tDCS-Behandlungen bei Depressionen eingesetzt und die Patienten bis zu sechs Monate nachbeobachtet.

Zielübungen im Gehirn

Die tDCS stimuliert die Gehirnareale nach wie vor weniger fokussiert als die TMS oder die Tiefenhirnstimulation. Die Wirkung lässt außerdem schon wenige Zentimeter unter der Kopfhaut nach, so dass manche medizinisch interessante Zielstrukturen nicht erreichbar sind.

Bikson hat hierzu eine optimierte Version der tDCS entwickelt. Statt nur einer Elektrode platziert er insgesamt fünf in x-förmiger Anordnung auf dem Kopf. Die zentrale Elektrode leitet den Strom in die gewünschte Richtung; die vier umliegenden Elektroden führen überschüssigen Strom ab, der sich sonst ausbreiten könnte und größere Areale aktivieren würde. Diese Elektrodenanordnung erlaubt eine leicht höhere Stromstärke und lässt den Strom tiefer und gezielter in das Gehirn eindringen. Solche Innovationen könnten auch die Industrie dazu bringen, in klinische Studien zu investieren. Denn bislang gibt es schlicht zu wenig zu verdienen mit einer Therapie, für die es nicht mehr als ein Standardequipment im Wert von 1000 Dollar braucht.

Neben den therapeutischen Ansätzen stoßen auch solche zur Steigerung des Denkvermögens von Gesunden auf immer mehr Interesse. Abgesehen von den anfangs beschriebenen Arbeiten von Clark zur Lernfähigkeit bei Videospielen zeigten andere Wissenschaftler, wie die tDCS das Arbeitsgedächtnis [11], die Wortassoziationsfähigkeit [12] und die Fähigkeit, komplexe Probleme zu lösen [13], verbessern kann. Die meisten dieser Studien gehen dabei wissenschaftlichen Fragen nach; ein Neurowissenschaftler allerdings hat ohne jegliche Scheu das Gehirn von Gesunden ins Visier genommen.

Allan Snyder, Direktor des Center for the Mind an der University of Sidney, möchte eine Art "Denkmütze" entwickeln. Dieses tDCS-Gerät soll beispielsweise der Kreativität von Angestellten vor einem Brainstorming noch den letzten Schwung geben. Über Fortschritte machte Snyder bisher ein großes Geheimnis, doch seine letzte Veröffentlichung im Februar 2011 erregte viel Aufmerksamkeit [14]. Er behauptete, die Stimulation des vorderen Temporallappens hätte bei den Probanden deren Gespür für überraschende Erklärungen und Einsichten verstärkt. Aufgabe war es, unter Zeitdruck mathematische Gleichungen mit Hilfe von Streichhölzern zu lösen. Dabei waren tDCS-behandelte Probanden mit zwei- bis dreimal höherer Wahrscheinlichkeit erfolgreich als scheinbehandelte Testpersonen.

"Wenn sich Bastler zu Hause mit ein paar Drähten und Batterien Strom durch ihre Köpfe leiten, dann kann ganz schnell etwas schiefgehen."
Martha Farah
Nach wie vor ist unklar, ob diese Ergebnisse wirklich von praktischem Nutzen sein werden. Nitsches Meinung nach ist es einfacher, kognitive Prozesse von älteren Menschen oder Süchtigen zu verbessern als die von jungen Gesunden, deren Gehirn im Prinzip schon optimal genutzt ist. "Ich würde zwar nicht sagen, dass es unmöglich ist, aber es könnte etwas schwieriger werden", meint er.

Das hält einige nicht davon ab, es zu Hause für sich allein zu versuchen. Beiträge dazu findet man nun schon im Internet: Kauf eine Neun-Volt-Batterie, etwas Draht und einen Widerstand, und du bist theoretisch schon am Ziel. Einer, der seine Konzentration verbessern wollte, wurde von Lichtblitzen aufgeschreckt, eine übliche Nebenwirkung, wie auch Brennen und Juckreiz an den Elektrodenpunkten. "Ich werde es wahrscheinlich nicht wieder versuchen", verkündete er im Internet. Ein anderer berichtete in einem Patientenforum, dass die chronischen Schmerzen seiner Frau durch seine tDCS-Behandlung gelindert seien.

Kommt das Elektrodoping?

Sicherheit ist aber zweifelsohne ein wichtiges Thema. "Wenn sich Bastler zu Hause mit ein paar Drähten und Batterien Strom durch ihre Köpfe leiten, dann kann ganz schnell etwas schiefgehen", sorgt sich Farah.

Ein breiter Einsatz der tDCS führt auch zu ethischen Bedenken, ähnlich wie bei den Medikamenten Adderall und Modafinil, die von manchen Studenten zur Leistungssteigerung eingenommen werden. Studenten könnten sich heimlich mittels tDCS "elektrodopen" in der Hoffnung, bei Prüfungen bessere Noten zu erzielen. Ethiker sorgen sich um einen unfairen Leistungsvorsprung einiger und eine Entwicklung, in der sich der eine oder andere unter Druck gesetzt fühlt, die Methoden auch nutzen zu müssen. Keine der bisher veröffentlichten Studien zeigte eine Schärfung der Sinne, was beim Examen tatsächlich behilflich sein könnte, so Farah. Das könnte allerdings nur eine Frage der Stimulation der richtigen Gehirnareale sein. "Es würde mich nicht wundern", so Farah, wenn dies möglich wäre.

Alles in allem sind die Befürworter der tDCS sehr optimistisch. Trotz einiger Enttäuschungen sind viele davon überzeugt, dass der derzeitigen Begeisterung so schnell nicht der Saft ausgehen wird. "So manches in der Geschichte der Medizin musste ein Jahrhundert später erneut versucht werden", sagt Priori. "Mit neuem technischem Gerät ist man dann genau dort erfolgreich, wo andere zuvor scheiterten."