Wäre es nicht praktisch, wenn wir unserem Denkvermögen mit einer Art Hightechstirnband auf die Sprünge helfen könnten? Einfach so neues Wissen in den Kopf einzutrichtern, klappt zwar nicht. Doch ganz abwegig ist die Idee nicht. Es könnte durchaus funktionieren – und zwar mit Elektrizität.

Die "transkranielle Hirnstimulation", wie sich das Verfahren nennt, soll tatsächlich das Denken und Lernen fördern. Nicht nur das: Ärzte erhoffen sich neue Wege, um Depressionen zu lindern oder Schmerzen zu bekämpfen. Und schon seit Jahren investiert die DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), die Forschungsabteilung des US-Verteidigungsministeriums, viel Geld, um mit dieser Technik die Reaktionsgeschwindigkeit von Soldaten zu steigern oder deren Müdigkeit zu vertreiben. Gleichwohl bleibt die praktische Anwendung ausgesprochen knifflig, und bei unsachgemäßem Einsatz kann sich die Wirkung ins Gegenteil umkehren.

Wie funktioniert die Hirnstimulation per Strom? Um die Hintergründe zu verstehen, müssen wir einen kurzen Ausflug in die Neurobiologie von Nervenzellen unternehmen. Diese kommunizieren untereinander über Synapsen, an denen chemische Botenstoffe die Signale von einer Zelle auf die nächste übertragen. Innerhalb der Nervenzelle läuft die Signalverarbeitung jedoch über elektrische Prozesse. Grundlage hierfür ist die Spannung, die an der Zellmembran zwischen innen und außen herrscht. Wird die Zelle erregt, verringert sich dieses Membranpotenzial, während es umgekehrt bei Erregungsabnahme anwächst.

Es liegt somit nahe, das Membranpotenzial mit schwacher Gleichspannung über Kontaktelektroden am Kopf zu verändern. Aus Tierversuchen wissen wir, dass sich Neurone bereits mit elektrischen Feldern von wenigen Volt pro Meter beeinflussen lassen. Solche Feldstärken werden mit Spannungen in der Größenordnung von zehn Volt erreicht. Bei einer Stromstärke von etwa einem Milliampere verursacht das an der Kopfhaut allenfalls ein leichtes Prickeln. Da das Verfahren ohne invasiven Eingriff von außen durch den Schädel wirkt, spricht man von "transkranieller Gleichstromstimulation" (von lateinisch: cranium = Schädel) oder kurz tDCS (englisch:transcranial direct current stimulation).

Neurone transportieren ihre Signale über einen langen Zellfortsatz, das Axon. Dabei fließt nicht einfach ein elektrischer Strom. Vielmehr wird die Information über kurze Spannungspulse verschlüsselt, die Aktionspotenziale oder Spikes.

Schwache Gleichströme können zwar die Schwelle zum Auslösen eines Aktionspotenzials je nach Stromflussrichtung herauf- oder herabsetzen und damit indirekt die Feuerungsrate beeinflussen. Direkt am Axon vermögen sie aber keine zusätzlichen Spikes hervorzurufen. Dies ist jedoch mit Magneten möglich. Dazu legt man eine Magnetspule an den Schädel an. Für Sekundenbruchteile wird nun ein Wechselstrom von mehreren tausend Ampere durch die Spule geleitet. Dadurch baut sich ein starkes Magnetfeld auf, das im Gehirn einen ebenso kurzen Stromfluss schmerzfrei auslöst. Der wiederum genügt, um Neurone zu Entladungen zu zwingen.

Magnetisierte Muskeln

Die Wirkung dieser transkraniellen Magnetstimulation (TMS) lässt sich steigern, wenn man nicht nur einzelne Magnetfeldpulse, sondern ganze Salven in Frequenzen von mehreren Hertz einsetzt. Eine solche repetitive TMS (rTMS) führt wie die transkranielle Gleichstromstimulation zu nachhaltigen, über die Stimulationsdauer hinaus anhaltenden Veränderungen im Gehirn.

Lange Zeit fehlte eine geeignete Messmethode, um die Wirkung von elektrischen Feldern auf das menschliche Nervensystem exakt zu bestimmen. Das änderte sich erst, als der englische Medizinphysiker Anthony Barker von der University of Sheffield 1985 erstmals TMS beim Menschen einsetzte. Besonders beeindruckende Ergebnisse brachte die Reizung des motorischen Kortex: Wenn die Wissenschaftler mit einer so genannten fokalen Magnetspule ganz bestimmte Regionen in diesem Hirnareal stimulierten, konnten sie gezielt einzelne Muskelgruppen des Körpers zum Zucken bringen. Die so ausgelöste Muskelaktivität ließ sich wiederum einfach über dem Muskel messen.

Diese Messmethode machten wir uns in Göttingen zu Nutze, um die Wirkung von Gleichstrom auf das menschliche Gehirn zu bestimmen. Von Tierversuchen aus den 1960er Jahren wussten wir, dass bereits wenige Minuten Gleichstrom ausreichen, um die Entladungsraten von Neuronen für mehrere Stunden zu verändern. Um herauszufinden, ob es solche längerfristige Veränderungen auch beim Menschen gibt, kombinierte im Jahr 2000 mein Kollege Michael Nitsche tDCS und TMS miteinander: Wir maßen bei unseren Versuchspersonen zunächst die Muskelkontraktion auf Grund einer Magnetstimulation des Motorkortex. Dann behandelten wir dieselbe Hirnregion mit Gleichstrom. Wenn sich die Empfindlichkeit der Neurone dadurch verändert, sollten sie auf eine anschließende Magnetstimulation mehr oder weniger stark ansprechen.

Hirnstimulation per Magnet
© Bryan Christie Design
(Ausschnitt)
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Mit transkranieller Hirnstimulation (TMS) lassen sich Nervenzellen lokal im Gehirn anregen. Dazu platzieren Forscher eine Spule über dem Kopf einer Versuchsperson und senden ein starkes, gepulstes Magnetfeld durch Haut und Knochen ins Gehirn. Jeder einzelne Puls dauert etwa 100 Mikrosekunden und transportiert nur wenig Energie. Die Prozedur ist daher schmerzlos und unbedenklich. Da die Intensität des Magnetfelds mit der Entfernung rasch abfällt, dringt es lediglich wenige Zentimeter tief ins Hirngewebe ein und erreicht gerade die oberflächennahen Bereiche der Hirnrinde (siehe rechts oben). In den Neuronen des Zielgebiets erzeugt das Feld elektrische Ströme und aktiviert oder hemmt so die jeweilige Hirnregion (siehe rechts unten).

Dem war tatsächlich so: Bereits nach einer fünfminütigen Gleichstromstimulation reagierte der Motorkortex noch Minuten später empfindlicher auf die Reizung per Magnetfeld. Diese Nacheffekte hielten umso länger an, je länger die Stromstimulation gedauert hatte. Bei einer 13-minütigen tDCS blieb der Effekt noch nach über einer Stunde nachweisbar.

Hemmung und Bahnung

Entscheidend war hierbei, wie wir die Elektroden auf dem Kopf platzierten: Wir brachten zunächst den Pluspol, also die Anode, direkt über der motorischen Rinde nahe dem Scheitel an, während die Kathode, der Minuspol, weit entfernt davon über der Stirn auf der anderen Kopfseite lag. Bei dieser "anodalen" Stimulation verringerte sich das Membranpotenzial an den tiefer gelegenen Axonen des Motorkortex um wenige Millivolt – die spontane Entladungsrate nahm hier zu. Umgekehrt bewirkte eine "kathodale" Stimulation, bei der sich der Minuspol am Motorkortex befand, eine geringere Empfindlichkeit, da sich das Membranpotenzial an den Axonen noch weiter zum Negativen verschob. Wir konnten also eine "anodale Bahnung" von einer "kathodalen Hemmung" unterscheiden.

Ganz so eindeutig waren die Effekte allerdings nicht. Eine anodale tDCS von mehr als 20 Minuten schraubte die neuronale Empfindlichkeit nicht wie erwartet noch weiter herauf, sondern herab! Auch die Stromstärke erwies sich als entscheidend. So kehrte sich der hemmende Effekt einer kathodalen Stimulation bei zwei Milliampere um und führte zu einer Bahnung. Außerdem beobachteten wir, dass die Nacheffekte nur bei ganz entspannten Probanden auftraten. Wie Andrea Antal in unserem Labor zeigen konnte, ließen sich die Effekte nicht mehr nachweisen, wenn sie die Versuchspersonen durch zusätzliche Aufgaben ablenkte.

Die scheinbar paradoxen Ergebnisse könnten mit Regulierungsmechanismen des Gehirns zusammenhängen. Denn unkontrollierte Erregungen bergen etwa das Risiko von epileptischen Anfällen. Um das zu vermeiden, steuert das Gehirn dagegen an und strebt ständig auf ein mittleres Erregungsniveau hin.

Daraus lässt sich erahnen, wie komplex die Vorgänge im Gehirn sind. Wie wir 2015 herausfanden, beeinflussen neben Stimulationsdauer und Intensität auch die Dicke des Schädelknochens sowie die Positionierung der meist zwei, mitunter aber auch bis zu acht Elektroden auf dem Kopf erheblich das Ergebnis (siehe "Dickkopf"). Bei der Stimulation müssen wir ebenfalls berücksichtigen, dass elektrischer Strom entlang von Nervenbahnen etwa zehnmal besser fließt als quer dazu. Wir haben hier noch lange nicht alle physikalischen Variationsmöglichkeiten systematisch erprobt.

Nicht nur Gleich-, sondern auch Wechselstrom verändert die Entladungsraten von Neuronen. Diese transkranielle Wechselstromstimulation (tACS: transcranial alternating current stimulation) erweist sich als besonders effektiv, wenn sie sich an biologischen Phänomenen orientiert. So kennen Hirnforscher typische Rhythmen im Elektroenzephalogramm (EEG), wie etwa Thetawellen mit Frequenzen um sechs Hertz. Sie spielen beim Abruf von Gedächtnisinhalten eine wichtige Rolle. Vermutlich werden hierdurch weit entfernte Hirnzentren miteinander synchronisiert.

Wie Rafael Polanía und unser Team 2012 beobachteten, lässt sich mit einer Wechselstromstimulation zwischen Stirn- und Schläfenlappen in einer Frequenz von sechs Hertz die Reaktionszeit von Probanden um etwa zehn Prozent steigern. Dazu müssen die Wellen des Wechselstroms und der EEG-Schwingungen allerdings zeitlich synchron, also gleichphasig verlaufen. Bei gegenphasiger Stimulation reagierten die Versuchspersonen langsamer.

Stimulierte Klarträume

So genannte luzide oder Klarträume, bei denen der Schläfer weiß, dass er träumt, und den Inhalt kontrollieren kann, offenbaren sich im EEG durch Gammawellen in Frequenzen um 40 Hertz, die eigentlich für den Wachzustand typisch sind. Dies brachte Ursula Voss von der Universität Frankfurt auf die Frage, ob sich solche luziden Träume auch künstlich per Hirnstimulation erzeugen lassen. Wie wir 2014 herausfanden, steigt tatsächlich das Ausmaß des Klartraumanteils an, wenn der Schläfer in der Traumphase durch Wechselstrom mit 25 bis 40 Hertz im Stirnhirnbereich stimuliert wird.

Medizinisch lässt sich dieses Verfahren ebenfalls einsetzen: 2013 konnten Forscher um Peter Brown von der University of Oxford das typische Zittern von Parkinsonpatienten mit Wechselstromstimulation kurzfristig lindern. Dieser Erfolg macht aber auch das Manko aller transkraniellen Stimulationsmethoden deutlich: Die Effekte halten meist nicht sehr lange an. Das ist anders bei der tiefen Hirnstimulation, bei der Elektroden ins Gehirn implantiert werden. So lassen sich Symptome der Parkinsonkrankheit und selbst schwere Depressionen langfristig lindern. Die eingepflanzten Elektroden sind ständig aktiv – was bei transkranieller Stimulationen kaum möglich ist, da die Patienten sonst mit sichtbaren Elektroden am Kopf herumlaufen müssten. Ärzte versuchen, diesen Nachteil zu überbrücken, indem sie ihre Patienten bis zu einer halben Stunde stimulieren und diese Prozedur täglich wiederholen, um so auch längerfristige Erfolge zu erzielen.

Dickkopf
© mit frdl. Gen. von Alexander Opitz
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernDickkopf
Der Schädel besitzt einen hohen elektrischen Widerstand. Je nach Dicke des Knochens (links) fließt daher mehr oder weniger Strom (Mitte). Der höchste Stromfluss tritt im Bereich der Knochenlücke auf (Kreis). Entsprechend wird die darunterliegende Hirnwindung nach den Berechnungen von Alexander Opitz stärker aktiviert (rechts).

Dass das im Prinzip funktioniert, konnten Mediziner in den USA nachweisen. Die Wissenschaftler um John O’Reardon von der University of Pennsylvania behandelten Depressionspatienten, denen Psychopharmaka nicht geholfen hatten, vier Wochen lang täglich mit einer repetitiven transkraniellen Magnetstimulation mit jeweils 3000 Reizen. Die Symptome der Patienten besserten sich daraufhin, und das Verfahren ist mittlerweile in den USA zugelassen.

Wie schmal die therapeutischen Fenster offenbar sind, zeigte eine Studie von Uwe Herwig von der Universität Zürich und seinen Kollegen: Die Wissenschaftler hatten die Intensität der rTMS lediglich um zehn Prozent verringert und nur 2000 Reize täglich verabreicht. Prompt blieb die Therapie wirkungslos.

Erfolgreicher war ein Team um Andre Brunoni von der Universität São Paulo 2013. Sie behandelten Depressionspatienten mit Gleichstrom. Dabei erwies sich die tDCS als besonders wirksam, wenn die Patienten außerdem regelmäßig das Antidepressivum Sertralin einnahmen.

Die widersprüchlichen Daten deuten darauf hin, dass auch die eingangs erwähnten Leistungsverbesserungen nur mit bestimmten Reizkonstellationen möglich sind. Immerhin zeigen Studien an Gesunden sowie an Patienten mit Alzheimerdemenz: Mittels Magnetstimulation lässt sich das Abschneiden in Gedächtnis- und Rechentests um bis zu zehn Prozent steigern. Das weckt Hoffnung, dass auch Schlaganfallpatienten mit Sprachstörungen geholfen werden kann, indem man die Sprachzentren des Gehirns stimuliert.

Eingeschränkte Pianisten

Wie weit sich mittels transkranieller Stimulation die Hirnleistung steigern lässt, haben wir 2014 zusammen mit Shinichi Furuya und Eckart Altenmüller von der Musikhochschule Hannover an Pianisten getestet: Während ungeübte Klavierspieler tatsächlich nach Gleichstromstimulation besser spielten, nahm die Anschlagsgenauigkeit bei den Profis ab. Offensichtlich kann man die Leistung eines Hirnareals, das schon sein Optimum erreicht hat, nicht mehr verbessern, sondern sogar verschlechtern.

Angesichts der Komplexität des Gehirns ist es überraschend, dass wir mit so groben Methoden wie tDCS oder TMS überhaupt positive Effekte erzielen. Letztlich können wir transkranielle Stimulationsverfahren wohl am ehesten bei Krankheiten einsetzen, bei denen ein Aktivierungsdefizit oder -überschuss in einer bestimmten Hirnregion vorliegt. Ein typisches Beispiel ist die Depression: Viele Forscher haben bei Betroffenen eine Funktionsschwäche im linken Stirnhirn festgestellt, und diese lässt sich vergleichsweise einfach durch Aktivierung per tDCS oder TMS normalisieren. Genauso können wir Patienten mit chronischen Schmerzen helfen, indem wir die Aktivität des motorischen Kortex erhöhen, was wiederum die Schmerzwahrnehmung unterdrückt. Und bei Schlaganfallpatienten lassen sich verbliebene Restfunktionen eines geschädigten Hirnareals durch Stimulation stärken. Hier hilft auch die Hemmung der gesunden Hirnhälfte, um wieder ein Gleichgewicht zu erreichen.

Schwieriger wird es bei Erkrankungen, bei denen keine Über- oder Unterfunktion einzelner Hirnareale vorliegt, sondern die Verknüpfung großer Bereiche untereinander nicht mehr richtig funktioniert, wie etwa bei Schizophrenie oder der Parkinsonkrankheit. Hier brauchen wir komplexere Verfahren wie die gepaarte assoziative Stimulation (PAS: paired associative stimulation), bei der die Reizung peripherer Nerven mit transkraniellen Stimulationen kombiniert werden. Wenn man zum Beispiel die Armnerven kurz elektrisch reizt, dauert die Informationsübermittlung zum Gehirn etwa 20 Millisekunden. Wird nach dieser Zeit der motorische Kortex durch eine kurze Magnetstimulation aktiviert, dann verrechnet das Gehirn diese beiden Reize. Damit sollte es möglich sein, in einem Hirngebiet nicht alle Zellen wahllos zu erregen, sondern bevorzugt diejenigen, die schon auf Grund einer Voraktivierung quasi "scharf" gestellt sind.

Die Verfahren lassen sich weiter verfeinern: Durch moderne Bildgebungsverfahren, insbesondere die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT), können wir sehen, welche Hirnareale durch welche Stromflüsse beeinflusst werden. So haben wir 2012 nachgewiesen, dass eine Gleichstromstimulation des motorischen Kortex auch tiefere Hirnregionen wie den Thalamus mitaktiviert. Beobachtungen mittels EEG helfen außerdem, Stimulationseffekte in beliebigen Hirnregionen zu erfassen, so dass wir nicht mehr auf die Messmethode der Magnetstimulation am motorischen Kortex angewiesen sind.

In Zukunft werden Stimulationsverfahren sicher helfen, neurophysiologische Ausfallerscheinungen bei bestimmten Krankheiten zu lindern. Diese Techniken ermöglichen es Hirnforschern, die erstaunlichen Leistungen unseres Denkorgans immer besser zu verstehen. Dass auch gesunde Menschen ihre geistige Leistungsfähigkeit damit im Sinne eines "Neuroenhancements" steigern können, erscheint allerdings zweifelhaft. Und vielleicht ist das auch gut so.