Neuroplastizität und Untersuchungsmethode 3

Lernziele Vorlesung 3

• Verschiedene bildgebende Verfahren und deren Einsatzgebiete kennen
• Vor- und Nachteile der MRT, EEG, TMS Methodik
• Strategien zur motorischen Leistungssteigerung
• Möglichkeiten der Neuromodulation mittels nicht-invasiver Hirnstimulation
• Faktoren die die Effektivität der Neuromodulation beeinflussen

Das Konzept der "Neuroplastizität"

• Neuroplastizität ist die neurophysiologische Grundlage für motorisches Lernen.
• Die neuroplastische Fähigkeit des Gehirns ändert sich über die gesamte Lebensspanne.
• In der frühen Kindheit ist das Gehirn sehr formbar, während im Erwachsenenalter die Funktion eher festgelegter ist.

Funktionelle Anpassungen des Gehirns: Beispiele Tiermodell

• Periphere Stimulation beeinflusst die funktionellen Anpassungen des Gehirns. (Studienbeispiel: Jenkins et al., 1990)
• Motorisches Lernen führt zu einer Reorganisation des Gehirns. (Studiebeispiel: Nudo et al., 1996)

Funktionelle Anpassungen des Gehirns: Beispiele Tiermodell - Motorisches Lernen

• Durch Training verändern sich die Repräsentationen im Gehirn.
• Vor und Nach Training gibt es Unterschiede in der Repräsentation
• Digit, Wrist/Forearm Repräsentationen im Gehirn werden erfasst
• Die visuelle Darstellung zeigt Unterschiede vor und nach dem Training.

Perspektiven beim Menschen

• Motorisches Lernen kann bei Menschen über Verhalten, Hirnfunktionen und Hirnstruktur untersucht werden.
• Verhalten (motorische Kontrolle/Lernen)
• Hirnfunktion (fMRT, EEG, Hirnstimulation)
• Hirnstruktur (graue und weiße Substanz (MRT))

Motorisches Lernen: funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)

• Nicht-invasives Verfahren zur Darstellung physiologischer Funktionen des Gehirns.
• Starkes Magnetfeld (1,5-7 Tesla), keine Röntgenstrahlung.
• Macht Durchblutungsveränderungen im Gehirn sichtbar, die mit der neuronalen Aktivität korrelieren.
• Misst Änderungen im Hämoglobin (oxy- zu desoxy-Hb), nicht die neuronale Aktivität direkt.

Wie funktioniert die MRT?

• Hochfrequenzsender und -empfänger erzeugen und erfassen hochfrequente Impulse, um Protonen im Gewebe zu aktivieren.
• Bilder aus Birbaumer, Schmidt: Biologische Psychologie, Springer Verlag.

MRT Sicherheitsaspekte

• Starkes Magnetfeld, Metallteile dürfen nicht in den Scanner gebracht werden.
• Magnetische Anziehung kann zu Verletzungen führen.

MRT Sicherheitsaspekte - Kontraindikationen

• Epilepsie (auch in der Familie)
• Metallteile nahe des Stimulationsortes (Implantate, Schrittmacher, etc.)
• Medikamente mit zentralnervöser Wirkung
• Neurologische Vorerkrankungen
• Schwangerschaft
• Schwere Kopfverletzungen

Lernstudien: Lernbedingte Veränderungen des motorischen Systems

• Die Rolle des primären Motorkortex (M1) beim motorischen Lernen (Frühphase des Lernprozesses).
• Drei Wochen Training und eine Verlaufsbeurteilung (2 Studien).

fMRT Diagnostik im Spitzensport: Beispiel einer "Einzelfallanalyse"

• Effiziente Fußmotorik durch Neymar's Gehirn anhand von fMRT.
• Unterschiedliche Gehirnaktivitäten von Sportlern bei bestimmten Bewegungen.

Motorisches Lernen: Elektroenzephalographie (EEG)

• Nicht-invasives Verfahren zur Messung neuronaler Aktivität.
• Misst summierte elektrische Aktivität an der Kopfoberfläche (5-100 µV).
• Elektroden dienen als Ableitungsorte.
• Messung von Amplituden und Hirnwellen in verschiedenen Frequenzbereichen.

Unterschiede im Erregbarkeitssystem

• Unterscheidungen in der Erregbarkeit des Somatosensorischen Systems (S1) bei Fußballspielern und Nichtsportlern.
• SEP nach N. tibialis und N. medianus Stimulation.

Nicht-invasive Hirnstimulation

• Transkranielle Magnetstimulation (TMS): Nicht-invasives Verfahren zur Messung der Hirnaktivität.
• Transkraniell: Durch die Schädeldecke hindurch. Prinzip der elektromagnetischen Induktion.
• TMS aktiviert Hirnareale durch Aktionspotentiale.

Sicherheitsaspekte der nicht-invasiven Hirnstimulation

• Etablierte Sicherheitsrichtlinien.
• Risiko zur Auslösung epileptischer Anfälle.
• Andere Nebenwirkungen: Synkope, Schmerz, Hörbeeinträchtigungen, kognitive Veränderungen, Hautreizungen (insbesondere bei tDCS).
• Langzeiteffekte unbekannt.

Diagnostik trainingsbedingter Anpassungen

• Kartierung (Mapping) der kortikalen Handrepräsentation in M1 mittels 5-tägigem Training einer seriellen Reaktionszeitaufgabe (SRTT).
• Übungen bei denen rechte Hand trainiert wird und welche die linke Hand nicht.
• Beobachtbarkeit vor und nach dem Training.

Vor- und Nachteile der Untersuchungsmethoden

• Bewertung von räumlicher und zeitlicher Auflösung von fMRT, EEG und TMS.
• fMRT: Gute räumliche, schlechte zeitliche Auflösung.
• EEG: Geringe räumliche, gute zeitliche Auflösung.
• TMS: Gute räumliche und zeitliche Auflösung.
• Kombination von Techniken ist ideal.

Motorisches Lernen und strukturelle Veränderungen des Gehirns

• Motorisches Lernen lässt die Hirnstruktur ständig verändern.
• Detaillierte Untersuchung der Struktur, mit Fokus auf graue und weiße Substanz (MRT)

Motorisches Lernen: Strukturelle Magnetresonanztomographie (SMRT)

• Anatomische Bilder der grauen Substanz (Auflösung < 1 mm).
• Fasertrakte in der weißen Substanz sichtbar machen.
• Je stärker das Magnetfeld, desto besser die Auflösung.

Unterschiede in der Hirnstruktur bei Experten: Musiker

• Vergleich zwischen Musikern und Nicht-Musikern.
• Unterschiedliche Gehirnaktivitätsmuster

Besonderheiten in Hirnmorphologie bei Leistungssportlern: Einzelfallanalysen

• Spezielles Beispiel von Leistungssportlern (z. B. Speerwurf, Weitsprung) und deren Gehirnstruktur.

Unterschiede in der Hirnstruktur bei Experten: Leistungssportler

• Vergleich von Speerwurf-, Weitsprung- und Weitsprungsportlern in Hinblick auf Gehirnaktivität.
• Analyse der Signalstärke im Striatum als Maß für die Speicherung hochkomplexer Bewegungen.

Nature versus Nurture

• Frage ob Unterschiede in der Hirnstruktur und -Funktion durch Training verursacht sind oder schon vorher vorhanden waren.
• Trainingsstudien im Labor können hilfreich sein.

Lerninduzierte Veränderungen der Hirnstruktur I

• Veränderungen der grauen Substanz durch motorisches Lernen.
• Beispiele: Juggling-Training und dessen Auswirkungen auf junge und ältere Erwachsene.

Lernbedingte Veränderungen der Hirnstruktur: Korrelation mit Verhalten

• Sequentielle Pinch Force Aufgabe (SPFT)
• Analyse der Lernrate in Bezug auf Veränderungen in der Hirnstruktur.

Individuelle Unterschiede in der Hirnstruktur

• Unterschiede in der Hirnstruktur vor dem Lernen und deren Beziehung zur motorischen Leistung.
• Kann die Hirnstruktur vor dem Lernen den Lernerfolg vorhersagen?

Kann die individuelle motorische Lernleistung weiter gesteigert werden?

• Beispiele von Intensivierungsstrategien.

Steigerung motorischer Lernleistung: Lernen durch Beobachtung

• Intervention: 20 Minuten Golf Putting Beobachtung pro Tag über 3 Tage.
• Vergleich von Beobachtungs-, aktiven Trainings- und Kontrollgruppen.

Steigerung motorischer Leistung: Nicht invasive Hirnstimulation

• Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS)
• Vergleich von anodaler und kathodaler Stimulation mit Sham-Kontrollen.

Nicht-invasive Hirnstimulation: mögliche Effekte

• Mögliche Effekte der nicht-invasiven Hirnstimulation (NIBS) auf Verhaltensebene bei jungen Erwachsenen
• Beispiele: Aufmerksamkeit, Impulskontrolle, Arbeitsgedächtnis und Kognition.

tDCS Applikation zur Optimierung motorischer Leistungsvoraussetzungen

• tDCS Effekt auf Kraftausdauer
• Vergleich von HEAD- und SHOULDER-gruppen von tDCS in Bezug auf die Kraftausdauer.

Positive Effekte der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS)

• Effekt von tDCS auf die Absolutkraft
• Effekt von tDCS auf das Beinareal in M1.

Positive Effekte der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS)

• Wirkung von tDCS auf Cerebellum und M1 in einer Cross-Over-Studie.
• Verbesserung der motorischen Leistungen.

Positive Effekte der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS)

• Effekt von tDCS auf die Ausdauerleistung.

Positive Effekte der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS)

• Effekt von tDCS auf komplexes motorisches Lernen.

Einsatz der nicht-invasiven Hirnstimulation

• Positive Effekte der Hirnstimulation bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen.
• Limitationen und weitere Forschungsbedarf.

Variabilität der nicht-invasiven Hirnstimulation

• Faktoren welche die Effektivität der nicht-invasiven Hirnstimulation beeinflussen.
• Interindividuelle Faktoren, z.B. Alter, Geschlecht.
• Andere Variablen wie Medikamente oder Tageszeiten.

Zusammenfassung IV

• Zusammenfassung der Ergebnisse und Erkenntnisse über Lernen und die Veränderungen in Hirnaktivität und -Struktur