Blockphänomene bei Elektrostimulation

Die Elektrostimulation von Nervenzellen wird in der Neuroprothetik eingesetzt, um Nervenaktivität künstlich zu erzeugen oder zu blockieren. Gerade wird das erfolgreiche Beispiel des Cochleaimplantates auf das Auge übertragen, um Blinden das Sehen zu ermöglichen. Neben anderen Anwendungen wird auch das Rückenmark stimuliert um Schmerzen zu unterdrücken oder BewegungenbeiQuerschnittpatientenauszulösen. Moderne Technologienverwenden Mikroelektroden, die gewünschte Nervenzellen extern anregen und somit nicht in die Zellen selbst eindringen. Bei kathodischer Stimulation wird ein ausreichend großer negativer Stromimpuls benutzt, um an einer Stelle der Zelle die in der Zellmembran befindlichen Natriumkanäle zu öffnen sodass durch den Einstrom von Natriumionen ein künstliches Nervensignal entsteht. Bei stärkeren Signalen entsteht aber kein Nervenimpuls beziehungsweise wird seine Ausbreitung in eine oder beide Richtungen verhindert und man nennt das einen Block oder eine Inhibition. Vor kurzem wurde ein neues biophysikalisches Prinzip vorgestellt, das die im Zellkörper beobachtete Inhibition bei Nervenzellen derNetzhauterklären soll wenn bei Mikroelektrodenstimulation zu starke negative Ströme eingesetzt werden. Es wurde vermutet, dass das elektrische Feld zu einem lokalen Herausströmen von Natriumionen aus der Zelle führen muss, was das Entstehen eines Nervenimpulses verhindert. Es ist jedoch nicht sicher ob dieser Effekt der Stromumkehr wirklich relevant auftritt weil es für diesen beobachteten Block auch eine andere physikalische Interpretation gibt. Das Verständnis wie sich jedes der beiden physikalischen Prinzipien auswirkt ist sowohl für die Neuroprothetik als auch für die Neurophysiologie sehr wichtig. In diesem Forschungsprojekt wird mit Hilfe von Computersimulationen untersucht inwieweit die Geometrie der Nervenzelle, ihre elektrischen Eigenschaften und die Position von Stimulationselektroden das Ausbreiten von Nervensignalen durch Inhibition bei starken Stimulationen verhindern und das für beide physikalischen Prinzipien.

Die elektrische Stimulation wird seit mehr als 30 Jahren sehr erfolgreich bei Taubheit und schwerem Hörverlust eingesetzt. Diese Erfolge mit Cochlea-Implantaten basieren auf dem Einspielen künstlich erzeugter Nervenpulse in den 30000 Fasern des Hörnerven durch eine im Vergleich sehr niedrige Anzahl von 10-20 Mikroelektroden, die imstande sind Nervensignale mit genügender Individualität zu generieren wie sie zum Sprachverständnis notwendig sind. Die beeindruckend guten Ergebnisse haben zu weiteren Anwendungen in der Neuroprothetik geführt, zum Beispiel zur möglichen visuellen Wahrnehmung von Blinden oder zur Bewegung von Muskeln nach Querschnittlähmung oder Schlaganfällen. In solchen Fällen wo ein ganz bestimmtes zeitlich sich änderndes Muster von Nervenimpulsen in einer kleinen Gruppe von Nervenzellen eingespielt werden soll, ist es wichtig die grundsätzlichen Mechanismen der Elektrostimulation zu verstehen, um nicht gleichzeitig gegensätzliche Effekte zu erzeugen. Dies ist besonders für die Netzhaut (Retina) wichtig, wo etwa eine Million Nervenfasern die Information eines menschlichen Auges zum visuellen Kortex im Gehirn übertragen und derzeit nur ca 1000 Mikroelektroden oder sogar noch viel weniger, Blinden helfen sollen wieder ein rudimentäres Sehen zu ermöglichen. Hier möchte man Mechanismen besser verstehen, um bei gewissen Stromintensitäten eine Gruppe von Nervenzellen mit einer Elektrode zu stimulieren. Aber andere Zelltypen aus der gleichen Region sollen dabei nicht aktiviert sein und zwar durch einen Blockadeeffekt, der bei starken Stromsignalen einsetzt. So genannte ON Zellen senden Nervenpulse, wenn es hell ist, während OFF Zellen bei Dunkelheit aktiv sind. Eine gleichzeitige elektrische Aktivierung von beiden Typen würde dem Gehirn vermitteln es ist in der betreffenden Region sowohl hell als auch dunkel. Um die Situation zu analysieren werden Netzhäute in Tierversuchen unter dem Mikroskop untersucht und neben den Stimulationselektroden auch Messelektroden eingesetzt. Die Messelektroden werden in die Zellkörper gestochen, weil dies die größten Strukturen der Nervenzelle sind. Wir konnten durch Simulationen der biophysikalischen Vorgänge zeigen, dass die üblichen Beobachtungen in Zellkörpern bei entsprechenden Grundlagenexperimenten keine sichere Aussage liefern, ob nicht doch Nervensignale über die Nervenfasern weitergeleitet werden, wenn man im Zellkörper kein Signal misst. Ähnliche Verhaltensweisen wurden durch Computersimulationen auch für die am häufigsten vorkommenden Pyramidenzellen im Gehirn gefunden. Die Blockade von Nervensignalen durch Elektrostimulation von Nervenfasern des Rückenmarks wird oft für die Unterdrückung chronischer Schmerzen angewandt. Auch dazu konnten wir durch Computersimulationen interessante Erklärungen finden. Die Computersimulation ist damit nicht nur ein gutes Werkzeug, das qualitative und quantitative Aussagen zu den elektrischen Vorgängen der Reizweiterleitung in Nervenzellen ermöglicht, sondern durch deren Analyse oft wesentlich bessere Aussagen erlaubt als es durch Tierversuche möglich ist. Die Zahl von Tierversuchen lässt sich durch diese alternative Methodik stark verringern.