Förderung der Erholung von einer ZNS-Schädigung durch Rehabilitationsprogramme

Mehrere Belege für die wichtige Rolle von Erfahrung bei der Organisation des sich entwickelnden und des adulten Gehirns haben wieder das Interesse an rehabilitativen Maßnahmen zur Unterstützung der Erholung nach einer ZNS-Schädigung geweckt. Die folgenden innovativen Rehabilitationsprogramme wurden aus solchen Befunden abgeleitet. Vielleicht wäre die Neurotransplantation in Kombination mit einem passenden TYaining erfolgreicher?

Behandlung von Schlaganfällen Kleine Schlaganfalle erzeugen das Kerngebiet einer Hirnschädigung, dem oft ein sich allmählich ausbreitender neuronaler Funktionsverlust in der umgebenden Penumbra folgt. Nudo und Kollegen (1996) erzeugten kleine ischämische Läsionen im Handareal des motorischen Cortex von Affen. Fünf Tage später wurde dann ein TYainings- und Übungsprogramm für die Hand begonnen. Während der darauf folgenden drei oder vier Wochen pflückten die Affen Hunderte von winzigen Futterkügelchen aus unterschiedlich großen Futterbehältern. Diese Übung reduzierte die Ausdehnung der kortikalen Schädigung in die umgebende Penumbra beträchtlich. Die Affen, die dieses Rehabi-litationstraining erhielten, zeigten auch eine größere Erholung im Gebrauch ihrer beeinträchtigten Hand.

Eines der Prinzipien, das aus der Untersuchung der neuronalen Entwicklung abgeleitet wurde, ist, dass sich Neurone in einer Wettbewerbssituation befinden: Sie konkurrieren miteinander um synaptische Andockstellen und Neurotrophine und die Verlierer sterben ab. Weiller und Rijntjes (1999) entwarfen auf der Grundlage dieses Prinzips ein Rehabilitationsprogramm. Ihr Verfahren, die sogenannte Restriktionsthe-rnpie („constnaint-induced-therapy“; siehe Kwakkel et al., 2015; Taub, Uswatte & Elbert, 2002) bestand darin, den funktionierenden Arm für zwei Wochen an den Körper festzubinden, während mit dem betroffenen Arm ein intensives "framing durchgeführt wurde. Die Funktion des beeinträchtigten Arms verbesserte sich über die zwei Wochen merklich und es kam im motorischen Cortex zu einer Ausdehnung des Bereichs, der diesen Arm kontrollierte.

Behandlung von Rückenmarksverletzung Boi einem Ansatz zur Behandlung von Rückenmarksverletzungen (siehe Wolpaw & Tennissen, 2001) wurden Patienten, die nicht mehr fähig waren zu gehen, mit Hilfe eines Laufgeschirrs auf ein sich bewegendes Laufband gestellt. Da der Großteil ihres Gewichts von dem Geschirr gehalten wurde und das Laufband entsprechendes Feedback lieferte, lernten die Patienten allmählich, Gehbewegungen auszuführen. Als sie eine Besserung zeigten, wurde der Umfang der Unterstützung durch das Geschirr allmählich reduziert. In einer Studie, die dieses Verfahren verwendete, konnten schließlich über 90 % der trainierten Patienten selbstständig gehen, verglichen mit nur 50 % der Patienten, die eine konventionelle Physiotherapie erhielten. Die Effektivität dieser Behandlungsmethode wurde für menschliche Patienten bestätigt und erweitert (z. B. Herman et al., 2002), ebenso für nichtmenschliche Probanden (Frigon & Rossignol, 2008).

Nutzen von kognitiven und körperlichen Übungen Personen, die kognitiv und körperlich aktiv sind, erkranken weniger wahrscheinlich an einer neurologischen Krankheit und haben, falls sie doch erkranken, weniger starke Symptome und erholen sich besser (siehe Stranahan & Mattson, 2012; Voss et al., 2013). Eine kausale Interpretation dieser korrelativen Studien ist jedoch immer problematisch: Haben aktivere Menschen bessere neurologische Befunde, weil sie aktiver sind, oder sind sie aktiver, weil sie weniger stark erkrankt sind? Aufgrund dieser Probleme mit einer kausalen Interpretation hat sich die Forschung in diesem Gebiet stark auf kontrollierte Tierexperimente verlassen (siehe Fryer et al., 2011; Gütler, 2011).

Ein experimenteller Ansatz zur Untersuchung der Vorteile kognitiver und körperlicher Aktivität bestand darin, bei Tieren den neurologischen Nutzen einer Haltung in einer angereicherten Umwelt zu untersuchen. Angereicherte Umwelten sind Umgebungen, die kognitive und körperliche Aktivität fördern. Sie beinhalten normalerweise Gruppenhaltung, Spielzeuge, Laufräder und wechselnde Anreize (siehe t Abbildung 11.20], Die gesundheitsfördernden Auswirkungen angereicherter Umgebungen wurden bereits in Tiermodellen der Epilepsie, der Huntington-. der Alzheimer- und der Parkinson-Erkrankung des Down-Syndroms, von Gehirntumoren und verschiedener Formen von Schlaganfällen sowie Schä-del-Him-TYaumata nachgewiesen (siehe Garofalo et al., 2015; Hannan, 2014; Mering & Jolkkonen, 2015) Die Mechanismen, die den neurologischen Vorteilen angereicherter Umgebungen zugrunde liegen sind zwar unklar, es gibt aber viele Erklärungsmöglichkeiten: So wurde gezeigt, dass eine angereicherte Umgebung die dcntritischen Verästelungen, Größe und Anzahl von dentritischen Dornen, Größe der Synapsen, Rate der adulten Neurogenese und den Spiegel verschiedener neurotropher Faktoren erhöht.

Körperliche Übung, z. B. in Form von täglichem Laufen im Laufrad, hat eine Vielzahl von positiven Auswirkungen auf das Gehirn von Nagetieren (siehe Cotman, Berchtold & Christie, 2007). Van Praag und Kollegen fanden zum Beispiel heraus, dass das Laufen im Laufrad die adulte Neurogenese im Hippocampus erhöht (2002), das altersbedingte Absterben einiger Neurone im Hippocampus verringert (2005) und die Leistung in Gedächtnis- und Orientierungstests, zwei Fähigkeiten, die mit dem Hippocampus verknüpft sind, erhöht. Adlard und Kollegen (2005) stellten fest, dass die Bewegung im Laufrad die Entwicklung von Amyloidplaques bei Mäusen, die eine genetische Prädisposition für die Entstehung einer Form der Alzheimer-Erkrankung haben, verringert.

Ein Nagetier in einer angereicherten Laborumge-bung

Abbildung 11.20: Ein Nagetier in einer angereicherten Laborumge-bung.

Exkurs - Körperliche Aktivität verbessert kognitive Leistungen beim Menschen

In zahlreichen Studien an Nagetieren konnte gezeigt werden, dass körperliche Aktivität die neuronale Plastizität des Gehirns steigert. Wir gingen der Frage nach, ob Bewegung sich dadurch positiv auf kognitive Leistungen auswirkt und welche Mechanismen dem Zusammenhang zwischen körperlicher Aktivität und Kognition zugrunde liegen (Hötting & Röder. 2013). Dazu haben wir die Effekte eines mehrmonatigen Ausdauertrainings auf kognitive Funktionen bei gesunden Erwachsenen im mittleren Lebensalter untersucht. Nach dem Training zeigten die Teilnehmer/innen des Fahrradergometer-Trainings eine stärkere Verbesserung in der Gedächtnisleistung im Vergleich zu einer Kontrollgruppe und der Anstieg der kardiorespiratorischen Fitness korrelierte positiv mit der Verbesserung der Gedächtnisleistung (Hötting et al., 2012). Die Veränderung der kardiorespiratorischen Fitness stellt deshalb einen möglichen Mechanismus dar, durch den regelmäßige Bewegung kognitive Leistungen verbessert.

Während komplexer körperlicher Aktivität worden aber auch die Sinnessysteme vermehrt stimuliert, unter anderem das vestibuläre System. In einer weiteren TYai-

ningsstudie haben wir (Doktorarbeit von Ann-Kathrin Rogge) daher Probanden/innen zufällig einem Balancetraining zugewiesen, das hohe Gleichgewichtsanfor-derungen stellte und somit das vestibuläre System forderte, aber die kardiorespiratorische Fitness nicht steigerte. Nach zwölf Wochen Training verbesserten sich die Teilnehmer/innen des Balancetrainings mehr in ihrer Gedächtnisleistung und in Aufgaben zur räumlichen Kognition als die Teilnehmer/innen eines Entspannungstrainings (siehe Abbildung; Rogge et al. 2017). In der strukturellen Magnetresonanztomographie zeigte sich nach dem Training eine Zunahme der grauen Substanz in der Balancegnippe im Vergleich zur Entspannungsgruppo. insbesondere in Himregio-nen. die an der Verarbeitung und Integration von visuellen und vestibulären Informationen sowie an der Wahrnehmung von Eigenbewegungen und der räumlichen Orientierung beteiligt sind (Rogge et al., 2018). Diese Befunde sprechen dafür, dass die Stimulation visuell-vestibulärer Netzwerke während eines Bewegungstrainings zu den positiven Effekten von körperlicher Aktivität auf räumliche Kognition beiträgt.

Veränderung in der Balanceleistung und in kognitiven Leistungen (T' (XTnflw«' 9''

Abbildung: Veränderung in der Balanceleistung und in kognitiven Leistungen (GedatlTs' (XTnflw«' vor Be9'nn des Trai'

itn Vergleich zu einem Entspannungstraining; die kard.oresp.ratorische fitness war nKM beeinflusst p

nings, post = Messung nach einem zwölfwöchigen Training. Adaptiert aus ogge e

Behandlung von Phantomgliedmaßen Die meisten Amputierten nehmen die amputierten Gliedmaßen weiterhin wahr, man spricht hier von Phantomgliedmaßen. Sogar manche Personen (20 %), die mit einem fehlenden Gliedmaß geboren wurden, berichten von empfundenen Phantomgliedmaßen (siehe Melzack et al., 1997).

Die erstaunlichste Eigenschaft von Phantomgliedmaßen ist ihre Echtheit. Ihre Existenz ist so überzeugend, dass es vorkommen kann, dass ein Patient versucht, aus seinem Bett auf ein nicht vorhandenes Bein zu springen oder eine Tasse mit einer nicht vorhandenen Hand hochzuheben. In den meisten Fällen verhält sich die amputierte Gliedmaße wie eine gewöhnliche Gliedmaße. Zum Beispiel schwingt ein Phantomarm. wenn ein Amputierter geht, in perfekter Koordination mit dem unversehrten Arm vor und zurück. Manchmal allerdings hat der Amputierte das Gefühl, dass die amputierte Gliedmaße in einer eigenartigen Haltung feststeckt.

Ungefähr 50 % der Amputierten empfinden starke chronische Schmerzen in ihren Phantomgliedem. Dieser sogenannte Phantomschmerz entsteht vor allem, wenn vor oder während der Amputation Schmerzen bestanden, und die Stärke des Phantomschmerzes steht in engem Zusammenhang mit dem Ausmaß der kortikalen Reorganisation in Folge der Amputation (siehe Flor et al„ 1995). Eine typische Beschwerde ist, dass die amputierte Hand so fest verkrampft ist, dass sich die Fingernägel in die Handfläche graben. Gelegentlich kann der Phantomschmerz behandelt werden, indem sich der Amputierte darauf konzentriert, die amputierte Hand zu öffnen, allerdings werden oft auch chirurgische Eingriffe versucht. Basierend auf der Prämisse, dass der Phantomschmerz durch eine Irritation im Stumpf entsteht, bestanden viele chirurgische Ansätze zur Kontrolle des Phantomschmerzes darin, den Stumpf oder verschiedene Teile der Nervenbahn zwischen Stumpf und Cortex abzuschneiden. Leider waren diese Behandhmgsansätze nicht erfolgreich (siehe Melzack, 1992).

Ein wichtiges Ziel bei der Behandlung von Phantomschmerzen ist vermutlich, die kortikale Repräsentation des fehlenden Gliedmaßes von den benachbarten Repräsentationen (Schulter und Gesicht) zu lösen, was durch asynchrone Stimulation der relevanten Gebiete über längere Zeit oder durch Benutzung einer speziellen Prothese mit sensorischem Feedback erreicht werden kann (siehe Huse et al., 2001; Dietrich et al., 2012). Carlos und Philip hatten Phantomgliedmaßen. Ihr Neuropsychologe war der angesehene Forscher V. S. Ramachandran.

Die Fälle Carlos und Philip: Phantomgliedmaßen und Ramachandran

Dr. Ramachandran las die Studie von Pons und Kollegen (1991), die Sie in diesem Kapitel bereits kennengelernt haben. In dieser Studie führte eine Durchtrennung der sensorischen Neurone in den Armen von Affen zu einer Reorganisation des somatosensorischen Cortex: Der Bereich des somatosensorischen Cortex, der ursprünglich Input von dem geschädigten Arm empfing, erhielt nun Input von den Bereichen des Körpers, die normalerweise in den angrenzenden Bereichen des somatosensorischen Cortex kartiert sind. Ramachandran hatte eine plötzliche Erkenntnis: Vielleicht befanden sich die Phantomgliedmaßen überhaupt nicht im Stumpf, sondern im Gehirn. Vielleicht hatte die Wahrnehmung des Phantomarms ihren Ursprung in Körperteilen, die nun das ursprüngliche Armareal des somatosensorischen Cortex innervier-ten (siehe Ramachandran & Blakeslee, 1998).

Angeregt durch seine Hypothese fragte Dr. Ramachandran einen seiner Patienten, Carlos, ob er an einem

11 — einfachen Test teilnehmen würde. Er berührte verschiedene Teile von Carlos Körper und fragte ihn, was er spürte. Bemerkenswerterweise hatte Carlos, wenn sein Gesicht auf der Seite seines amputierten Arms berührt wurde, sowohl Empfindungen in verschiedenen Teilen seiner Phantomhand als auch in seinem Gesicht. Und wenn ein wenig warmes Wasser auf sein Gesicht getropft wurde, so empfand er es so, als wenn es seine Phantomhand hinunterlief. Es wurde außerdem eine zweite Karte seiner Hand auf seiner Schulter entdeckt (siehe ► Abbildung 11.21).

Philip, ein anderer Patient von Dr. Ramachandran. litt an schweren chronischen Schmerzen in seinem Phantomarm. Die letzten zehn Jahre war Philips Phantomarm in einer unangenehmen Stellung „eingefroren" (Ramachandran & Rogers-Ramachandran. 2000) und Philip litt an starken Schmerzen in seinem Ellenbogen.

Könnten Philips Schmerzen dadurch gelindert werden, dass man ihm beibrachte, seinen Phantomarm zu bewegen? Da Dr. Ramachandran wusste, wie wichtig Feedback bei der Bewegung ist (siehe Kapitel«). konstruierte er einen speziellen Feedback-Apparat für Philip. Dieser bestand aus einer Box, die durch einen vertikalen Spiegel in zwei Teile unterteilt wurde. Philip wurde angewiesen, seine gesunde rechte Hand durch eine Öffnung an der Vorderseite in die Box zu stecken und sie durch ein Loch an der Oberseite zu betrachten. Sobald er auf seine Hand schaute, konnte er sie und ihr Spiegelbild sehen. Er wurde auch instruiert, sein Phantomgliedmaß in die Box zu stecken und es so zu positionieren, dass es so gut wie möglich mit dem Spiegelbild seiner gesunden Hand übereinstimmte. Dann wurde er angewiesen, synchrone, bilateral symmetrische Bewegungen seiner Arme auszuführen - seines realen rechten /Krms und seines linken Phantomarms - während er seinen gesunden z m und sein Spiegelbild betrachtete. Ramachandran entließ Philip nach Hause mit der Box und der Anweisung, sie häufig zu benutzen. Drei Wochen später war Philips Schmerz vergangen.

Die Stellen an Carlos' Körper, wo Berührungen Empfindungen in seiner Phantomhand auslösten

Abbildung 11.21: Die Stellen an Carlos' Körper, wo Berührungen Empfindungen in seiner Phantomhand auslösten. Gesicht und Schultet sind im somatosensorischen Homunculus neben der Handregion repräsentiert (adaptiert nach Ramachandran & Blakeslee 1998).

Der ironische Fall von Professor P.: Die Genesung

Wenn Sie sich an den Fall zurückorinnorn, mit dem das Kapitel begann, werden Sie sicher verstehen, warum dieses Kapitel für Prof. P. (JP) eine besondere Bedeutung hat. Es zu schreiben, hat für meine Genesung eine wichtige Rolle gespielt.

Als ich aus dem Krankenhaus entlassen wurde, hatte ich infolge dos neurochirurgischen Eingriffs viele Probleme. Ich wusste, dass ich mit Hör- und Gleichgewichtsproblemen würde leben müssen, da ich keinen rechten Nervus vestibulocochlearis mehr besaß. Meine anderen Probleme beschäftigten mich aber mehr. Die rechte Seite meines Gesichts hing herab und es war schwierig. Gesichtsausdrücke zu zeigen. Mein rechtes Auge schmerzte oft, vermutlich wegen unzureichender TYänenflüssigkeit. Ich hatte Schwierigkeiten zu sprechen und erlebte kräftezehrende Anfalle von Müdigkeit. Leider wussten weder mein Neurochirurg noch mein Arzt, wie sie diese Probleme behandeln sollten, und so musste ich mich ganz alleine durchschlagen.

Dabei verwendete ich das Wissen, das ich durch das Schreiben dieses Kapitels erlangt hatte. Ober die Erholung nach einer Himschädigung gibt es wenige Befunde, aber die Ergebnisse aus 'nerexperimenten waren aussagekräftig. Ich würde gerne glauben, dass das Programm, das ich entwickelte, zu meinem aktuell guten Gesundheitszustand beigetragen hat, aber natürlich gibt es keine Möglichkeit, das sicher zu wissen.

Ich begründete mein Genesungsprogramm auf Belegen. dass kognitives und körperliches Training die Genesung und andere Formen von Neuroplastizität fördert. Meine Arbeit bildete den kognitiven Teil meines Genesungsprogramms. Da ich durch die jüngsten Befunde wusste, dass die positiven Auswirkungen von Übungen gleich nach dem TYauma am größten waren ging ich schon zwei Wochen, nachdem ich das Krankenhaus verlassen hatte, wieder zur Arbeit.

Sobald ich wieder bei der Arbeit war, bekam ich mehr mentales, orales und fasziales TYaining, als ich erwartet hatte. Ein paar Gespräche reichten aus und mein Hals und mein Gesicht schmerzten und ich war vollkommen erschöpft. Das war der Zeitpunkt, mich in mein Büro zurückzuziehen, bis ich wieder fit war, um wieder eine neue „Behandlungseinheit" anzugehen.

Universitätsprofessor zu sein, ist körperlich nicht sehr anspruchsvoll - vielleicht haben Sie das schon bemerkt. Ich brauchte etwas körperliches Training. aber meine Gleichgewichtsprobleme schränkten meine Möglichkeiten hierzu ein. Ich wandte mich afrikanischen Handtrommeln zu. Ich liebe den Rhythmus und ich stellte fest, dass das Lernen und Spielen der Trommeln eine emstzunehmende kognitive und physische Herausforderung sein kann - besonders für eine so enthusiastische und ungeschickte Person, wie ich es bin. Also begann ich zu üben, Stunden zu nehmen und bei jeder Gelegenheit mit meinen neuen Freunden zu spielen. Schritt für Schritt arbeitete, redete, lachte und trommelte ich mich zur Genesung. Heute ist mein Gesicht halbwegs symmetrisch, meine Sprache gut, ich bin fit und mein Gleichgewichtsgefühl hat sich verbessert.

Das Wichtigste in Kürze

Das ist das zweite Kapitel dieses Buchs mit einem Schwerpunkt auf „Neuronale Plastizität". Es behan-------- delte die neuroplastischen Veränderungen, die mit neurologischen Krankheiten und Himschädigungen verbunden sind, und die Bemühungen, neuroplastische Veränderungen zu maximieren, um die Genesung zu fördern.

Da sich das gesamte Kapitel mit klinischen Themen beschäftigte, kam das Hinweisschild „Klinische Implikationen" häufig vor. Es lenkte die Aufmerksamkeit insbeson---dere auf die vielen Fallgeschichten in diesem Kapitel: der ironische Fall von Professor P.. Junior Seau, der American-Football-Spieler, die Fälle von komplex-partieller Epilepsie, die Fälle mit einer MPTP-Vergiftung und Carlos und Philip, die Amputierten mit Phantomgliedmaßen.

„Kreatives Denken" wurde an mehreren Stellen in diesem Kapitel betont. Sie wurden dazu angeregt, über die Notwendigkeit der Identifikation der Hauptsymptome der Alzheimer-Erkrankung. über die Anwendbarkeit von Tiermodellen auf den Menschen und über den Zusammenhang von Funktionserholung und Training nach einer Schädigung des Nervensystems nachzudenken. Besonders interessant war der kreative Ansatz von Dr. Ramachandran bei der Behandlung von Philip, der an Phantomschmerzen litt.

Auch die evolutionäre Perspektive wurde an melireren Stellen hervorgehoben. Ihnen wurde das Konzept von Tiermodellen vorgestellt, das auf dem vergleichenden Ansatz beruht, und Sie haben gelernt, dass der Großteil der Forschung über neuronale Regeneration und Reorganisation nach einer Hirnschädigung an Tiermodellen durchgeführt wurde. Schließlich haben Sie gelernt, dass Forschung über die Mechanismen der neuronalen Regeneration durch die Tatsache stimuliert wurde, dass dieser Prozess bei einigen Arten zielgenau abläuft.

MyLab I Biopsychologie

■ Vertiefen Sie die Inhalte des Kapitels mit Videos zu den Schwerpunkten, lernen Sie zentrale Begriffe mit Flashcards und erkunden Sie mit VisualBrain neurobiologische Strukturen und Prozesse.

■ Trainieren Sie das Gelernte: Steigen Sie mit interaktiven Übungsaufgaben noch einmal tief in die Themen des Kapitels ein und überprüfen Sie Ihren Lernerfolg mit den Kapiteltests.

 
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