Science-Story ➜ Tiefe Hirnstimulation

Bei der Tiefen Hirnstimulation (englisch: deep brain stimulation, DBS) erzeugt eine Elektrode ein elektrisches Feld in bestimmten Hirnstrukturen.

Das Ziel der Tiefen Hirnstimulation ist es, durch die Stimulation bestimmter Areale im Gehirn die Symptome von z.B. Parkinson-Patienten zu lindern. Die Patienten können dann insbesondere ihre Bewegungen wieder besser koordinieren und benötigen weniger Medikamente.

Mithilfe von Computersimulationen können wir die Aktivierung von Nervenfasern (siehe Abbildung links) oder die elektrische Feldverteilung (siehe unten) abschätzen, die durch die DBS-Elektroden resultierten. Somit können wir dann die Parameter der Elektroden so anpassen, dass die Gehirnstrukturen optimal stimuliert werden.

Die Simulation links zeigt die bei der Tiefen Hirnstimulation aktivierten Nervenfasern der weißen Substanz in der Region des subthalamischen Nukleus. Rot gefärbte Fasern würden durch die Stimulationselektrode aktiviert, violett gefärbte Fasern hingegen beschädigt.

Die numerische Simulation und Optimierung erlaubt daher die künftige Anwendung der Tiefen Hirnstimulation noch effektiver zu machen und Risiken für den Patienten weiter zu reduzieren.

Für die Tiefe Hirnstimulation ist die elektrische Feldverteilung rund um die Stimulationselektrode ausschlaggebend für eine erfolgreiche Therapie.

Parameter, die einen großen Einfluss auf die Feldverteilung haben, sind z.B. die Frequenz und Amplitude des Stimulationssignals, sowie Anzahl und Anordnung der Kontakte auf der Elektrodenoberfläche.

In der Simulation links sieht man, wie die aktiven Kontakte einer stabförmigen Stimulationselektrode eine elektrische Feldverteilung im Hirngewebe erzeugen.

Gewebe in hellen Bereichen gilt als möglicherweise durch die Stimulation aktiviert, also für die Therapie förderlich stimuliert. In roten Bereichen hingegen wird Gewebe möglicherweise überstimuliert und könnte daher Schaden nehmen. Dunkelblaue Segmente auf der Oberfläche der Elektrode entsprechen nicht-aktiven Kontakten.

Bilder und Text: M.Sc. Konstantin Butenko
Text: M.Sc. Hendrikje Raben