Die gezielte Anwendung von Radiowellen könnte helfen, neurologischen Erkrankungen entgegenzuwirken

Eine neue Studie ergab, dass die präzise Anwendung von Radiowellen die Aktivität von Gehirnzellen auf eine Weise verändern kann, die neurologischen Erkrankungen entgegenwirken könnte.

Unter der Leitung von Forschern der NYU Langone Health stellt die Arbeit eine Technik namens Transkranielle Radiofrequenzstimulation (TRFS) vor, die verspricht, neurologische Erkrankungen ohne die Invasivität einer Operation oder das häufige Versagen von Medikamenten zu behandeln, da Patienten (z. B. 30 Prozent der Menschen mit Depressionen und Epilepsie) Resistenzen entwickeln.

Kürzlich online in der Zeitschrift veröffentlicht GehirnstimulationIn der Studie wird die Verwendung von Radiofrequenz- oder RF-Energie beschrieben, die wirksam in biologisches Gewebe eindringt. Der Studie zufolge könnte TRFS die Grenzen älterer Technologien überwinden, da es je nach Art der Krankheit entweder auf einen kleinen Teil des Gehirns oder auf das gesamte Organ abzielen und die Nervensignale nach oben oder unten steuern kann.

Unsere Studie ist die erste, die an lebenden Mäusen das Potenzial der Technologie für eine hochwirksame Anpassung der neuronalen Aktivität zeigt.“

György Buzsáki, MD, PhD, leitender Studienautor, Biggs-Professor für Neurowissenschaften, Abteilung für Neurowissenschaften, NYU Grossman School of Medicine

„Der Bedarf an besseren, nichtinvasiven Techniken wird immer dringlicher, da jeder dritte Mensch weltweit im Laufe seines Lebens von irgendeiner Form einer Hirnstörung betroffen ist“, sagte Dr. Buzsáki, ebenfalls Dozent am Institut für Translationale Neurowissenschaften.

Hochfrequenzwellen werden im Gehirn seit langem als Teil der MRT-Bildgebung verwendet, die Bilder erzeugt, indem sie Änderungen im Energiezustand von Atomen auferlegt und verfolgt. Radiowellen werden auch verwendet, um Wärme zu erzeugen, die Krebszellen zerstört.

Trotz dieser Verwendungsmöglichkeiten wurde HF-Energie nicht für die direkte Hirnstimulation erforscht.

Obwohl verschiedene transkraniell ausgeübte Effekte – elektrischer (Gleich- oder Wechselstrom), magnetischer und Ultraschalleffekt – routinemäßig zur direkten Stimulation eingesetzt werden, sind alle durch die Art der verwendeten Energie, ihre Wechselwirkung mit dem Gewebe oder die Anatomie des Kopfes begrenzt. Energie, die beispielsweise über Kontakte auf der Kopfhaut gesendet wird, kann sich nicht auf einen kleinen Bereich konzentrieren. Die durch elektromagnetische Spulen ausgeübte Stimulation lässt mit zunehmender Entfernung schnell nach und kann tiefe Hirnregionen nicht erreichen. Der Schädel kann den Ultraschall stören und Nebenwirkungen verursachen.

Die Autoren der Studie sagten, sie hätten diese Einschränkungen durch die Entwicklung kleiner, maßgeschneiderter Antennen aus den Spitzen von Koaxialkabeln überwunden. Diese Antennen übertragen Hochfrequenzsignale, um HF-Energie präzise an Orte tief im Gehirn zu leiten. Auf diese Weise zugeführte HF erwärmt das gezielte Gehirngewebe, wodurch sich die Leichtigkeit des Ein- und Ausströmens geladener Ionen in die Gehirnzellen und aus diesen heraus verändert und die Signalstärke beeinflusst wird.

Laut den Autoren der Studie wurde TRFS so konzipiert, dass es in zwei Modi funktioniert. Zu den wichtigsten Erkenntnissen der Studie gehörte, dass TRFS dazu genutzt werden könnte, die Signalaktivität von Gehirnzellen entweder zu unterdrücken oder zu fördern. Mit einer Technik namens 1-Photonen-Faserphotometrie zeichnete das Team lokale, durch Hitze verursachte Veränderungen der Gehirnzellaktivität bei Studienmäusen auf. Die Ergebnisse zeigten, dass die Anwendung von HF-Energie auf das intakte, normale Gehirn, die sie als „unberührten Modus“ bezeichneten, eine besonders starke Wirkung auf Gehirnzellen hatte, die als hemmende Interneurone bezeichnet werden.

Hemmende Interneurone sind darauf spezialisiert, Zellen in Schaltkreisen zu verbinden. Sie dienen als Bremsen für Nachrichten, die von Neuron zu Neuron wandern, und formen die Gehirnsignale in Handlungen, Wahrnehmungen und Gedanken. Die Tatsache, dass HF-Energie eine starke Wirkung auf diese Zellen hat, sei tiefgreifend, so die Autoren, denn ihre Unterdrückung helfe nachweislich Depressionen, chronischen Schmerzen und Angststörungen entgegen.

HF-Energie erhöhte die Temperatur in normalen Interneuronen und führte zu einer dosisabhängigen Unterdrückung der Aktivität. Die Temperaturveränderungen lagen im kleinen, normalen Bereich für gesunde Zellen (nicht im schädlichen Bereich).

In anderen Experimenten zeigte das Team, dass HF-Energie auch den gegenteiligen Effekt erzielen kann, indem sie die Signalstärke in gezielt anvisierten Zelltypen fördert. Dieser zweite Ansatz, der als „RF-Genetik-Modus“ bezeichnet wird, kombiniert RF-Energie mit Gentechnik, die den Oberflächen von Zielzellen mehr Vanilloid-1-Ionenkanäle (Transient Receptor Potential Vanilloid 1, TRPV1) hinzufügt. TRPV1-Kanäle, bekannt als molekulare Thermometer, machen Zellen empfindlicher gegenüber Hitze.

Die HF-Stimulation von TRPV1-überexprimierenden Regionen erzeugte eine temperaturabhängige Anregung neuronaler Aktivität, sobald die lokale Temperaturänderung 1,5 Grad Celsius überschritt. Frühere Studien haben gezeigt, dass eine erhöhte Erregung in bestimmten Zelltypen der Parkinson-Krankheit, Autismus, Epilepsie, Sucht und anderen Erkrankungen entgegenwirken kann.

Um die Fähigkeit von TRFS zu demonstrieren, das Verhalten von Mäusen sowohl im reinen als auch im RF-Genetik-Modus zu ändern, zielten die Forscher auf striatale Neuronen ab, von denen bekannt ist, dass sie Rechts- oder Linksdrehungen steuern. TRFS-gesteuerte Neuromodulation veränderte die Rotationsrichtung bei sich frei bewegenden Mäusen, je nachdem, auf welche Seite des Gehirns die HF-Energie angewendet wurde.

Im Pristine-Modus neigten Mäuse dazu, sich in Richtung der Seite des Kopfes zu drehen, wo das Gehirn stimuliert wurde, während sie im RF-Genetik-Modus das Gegenteil taten.

„Interessanterweise führten die weit verbreitete Nutzung von Mobiltelefonen und die Befürchtungen, dass sie die Gehirnfunktion beeinträchtigen könnten, zu einer umfangreichen Forschungsliteratur über die Wirkung von HF-Energie auf das Gehirn“, sagte der leitende Studienautor Omid Yaghmazadeh, PhD, ein ehemaliger Postdoktorand am Buzsáki-Labor. „Unsere früheren Arbeiten haben gezeigt, dass alltägliche HF-Dosen tatsächlich keinen Einfluss auf die neuronale Aktivität haben, und jetzt zeigen wir, dass höhere, aber sichere Dosen für die Neuromodulation genutzt werden können“, sagte Dr. Yaghmazadeh, jetzt Assistenzprofessor am Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der Boise State University mit einem neu eingerichteten Labor.

Zusammen mit Dr. Buzsáki und Yaghmazadeh, Studienautoren waren Jiangyang Zhang, PhD, Leeor Alon, PhD und Zakia Ben Youss in der Abteilung für Radiologie an der NYU Grossman School of Medicine, sowie Tanzil M. Arefin, PhD, in der Abteilung für Neurowissenschaften am University of Rochester Medical Center. Die Arbeit wurde durch das National Institutes of Health-Stipendium 1R01NS113782-01A1 unterstützt.

Quellen: