Einfluss der repetitiven transkraniellen Magnetstimulation (rTMS) auf den Lernerfolg von Ratten und die zugrunde liegenden zellulären Prozesse
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS), und auch die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS), haben als nicht-invasive Hirnstimulationsverfahren mittlerweile einen großen klinischen Stellenwert als therapeutische Instrumente bei der Behandlung neurodegenerativer und neuropsychiatrischer Erkrankungen. Dem gegenüber steht jedoch ein begrenztes Wissen hinsichtlich der zellulären Wirkungsweisen. Daher war es mein Bestreben, diese Wissenslücken durch einen breiten methodischen Ansatz aus histochemischen, molekularbiologischen, elektrophysiologischen Studien sowie Verhaltensstudien an Ratten zu reduzieren. Als Ursache für die Modulation der kortikalen Erregbarkeit beim Menschen durch die rTMS wurde zu dem Zeitpunkt eine Plastizität erregender kortikaler Synapsen in Sinne einer Langzeit-Potenzierung (LTP) oder -Depression (LTD) angenommen. Wir haben in der ersten Förderperiode zeigen können, dass unterschiedliche Reiz-Muster recht selektiv die Expression bestimmter Proteine verändern, die für die Aktivität bestimmter Klassen hemmender Interneurone relevant sind, wie z.B. die Kalzium-bindenden Proteine Parvalbumin (PV) und Calbindin (CB) und die Enzyme GAD65 und GAD67, die den hemmenden Transmitter GABA synthetisieren. Es schien daher nahe liegend, dass die rTMS auch die Aktivität verschiedener hemmender Systeme moduliert, bzw. die Balance kortikaler Erregung und Hemmung verändert. Besonders deutliche Effekte zeigten sich bei Verwendung der so genannten Theta-Burst Stimulationsprotokolle (TBS), die beim Menschen je nach zeitlicher Strukturierung der Reizfolgen eine förderliche (iTBS, intermittent) oder depressive (cTBS, continuous) Wirkung haben. Ebenfalls in der ersten Förderperiode haben wir daher getestet, ob diese Veränderungen einen Einfluss auf die kognitive Leistung der Ratten haben. Tatsächlich förderte die iTBS die Leistung der Ratten bei einer taktilen Lernaufgabe, während dies bei der cTBS nicht der Fall war. Das effizientere Lernen korrelierte mit Veränderungen der PV Expression in den an der Lernaufgabe beteiligten Kortexarealen. Eine Modulation der Aktivität solcher Interneurone, die die Rate und zeitliche Struktur (z.B. gamma- Oszillationen) der Ausgangsaktivität von Pyramidenzellen kontrollieren, die PV+ Neurone des „fastspiking“ Typs, schien daher ein entscheidender Mechanismus der Wirkung der rTMS zu sein. In der zweiten Förderperiode haben wir unsere Studien daher auf diesen Prozess und die Wirkung der iTBS und cTBS fokussiert. In mehreren Projektteilen sind wir daher folgenden Fragen nachgegangen und haben diese erfolgreich durch Publikationen abschließen können: 1) Wie hängt die Wirkung der iTBS und cTBS von der Anzahl der applizierten Reizpulse ab (Dosis-Wirkung)? 2) Sind NMDA-Rezeptoren an der Vermittlung der Effekte beteiligt? 3) Welchen Zeitgang haben die Veränderungen der Proteinexpression nach iTBS? 4) Inwieweit sind die Effekte beider Protokolle vom verwendeten Rattenstamm abhängig (Variabilitäts-Aspekt)? 5) Wie hängt der iTBS-Effekt im Hinblick auf die kortikale Entwicklung vom Alter der Tiere ab? 6) Kann mit der iTBS eine Deprivations-bedingte Fehlentwicklung des visuellen Kortex positiv beeinflusst werden? 7) Wie verändert sich die Aktivität der fast-spiking Interneurone (FSI) nach iTBS und PV-Reduktion, und wie hängt dies vom Alter der Tiere ab? Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass 1) die Effekte prinzipiell mit der Anzahl der applizierten Reizpulse zunehmen, 2) die Reduktion der PV Expression die Beteiligung von NMDA- Rezeptoren benötigt, 3) frühe (10 min) Anzeichen einer Steigerung erregender (c-Fos, zif268) und hemmender (GAD65) Aktivität direkt durch die iTBS nach 20-40 min von einer Reduktion des PV, Calbindin (CB) und GAD67 gefolgt werden, die eine veränderte Aktivität der hemmenden Interneurone anzeigen, 4) deutliche Unterschiede des cTBS Effektes bei verschiedenen Rattenstämmen zu finden sind, 5) der iTBS Effekt der PV Reduktion erst nach Reifung der FSI ab dem postnatalen Tag 30 eintritt, 6) die iTBS eine durch visuelle Deprivation verzögerte Kortexentwicklung kompensieren kann, und 7) die iTBS ebenfalls ab dem 30.Tag die spontane Aktivität des Kortex erhöht, aber auch die Erregbarkeit der FSI erhöht. In einer begleitenden Studie (SFB 874, TP A4) konnten wir ferner zeigen, dass mit jedem iTBS Block evozierte sensorische Aktivitäten im Barrel-Kortex der Ratte stärker und hemmende Interaktionen schwächer werden. Die cTBS hatte nur beim ersten Block einen gegenteiligen Effekt, mit weiterer Wiederholung wurden die cTBS Effekte denen der iTBS ähnlicher, wenn auch deutlich schwächer. In einem durch das BMBF geförderten Forschungsverbund „German Center for Brain Stimulation“ (GCBS) im Forschungsnetz „Psychiatrische Erkrankungen“ untersuchen wir derzeit in Rattenmodellen mit Hilfe der etablierten Methoden das Potenzial der iTBS (und cTBS) bei der Behandlung psychiatrischer Erkrankungen und deren zugrunde liegende zelluläre Mechanismen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2011) Modulation of Cortical Inhibition by rTMS – Findings Obtained from Animal Models. J Physiol Lond 589.18: 4423-4435
Funke K, Benali A
- (2011) Theta-burst transcranial magnetic stimulation alters cortical inhibition. J Neurosci 31: 1193-1203
Benali A, Trippe J, Weiler E, Mix A, Petrasch-Parwez E, Girzalsky W, Eysel UT, Erdmann R and Funke K
- (2013) Dose-dependence of changes in cortical protein expression induced with repeated transcranial magnetic theta-burst stimulation in the rat. Brain Stimul 6: 598-606
Volz LJ, Benali A, Mix A, Neubacher U, Funke K
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.brs.2013.01.008) - (2013) Time-course of changes in neuronal activity markers following iTBS-rTMS of the rat neocortex. Neurosci Lett 536: 19-23
Hoppenrath K, Funke K
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.neulet.2013.01.003) - (2014) Modulation of inhibitory activity markers by intermittent theta-burst stimulation in rat cortex is NMDA-receptor dependent. Brain Stimul 7(3): 394-400
Labedi A, Benali A, Mix A, Neubacher U, Funke K
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.brs.2014.02.010) - (2014) Strain differences in the effect of rTMS on cortical expression of calcium binding proteins in rats. Exp Brain Res 232: 435-442
Mix A, Benali A, Funke K
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00221-013-3751-6) - (2015) Effects of chronic iTBS-rTMS and enriched environment on visual cortex early critical period and visual pattern discrimination in dark-reared rats. Dev Neurobiol, 2015 Apr 17 [Epub ahead of print]
Castillo-Padilla, DV, Funke K
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/dneu.22296) - (2015) Reduction in cortical parvalbumin expression due to intermittent theta-burst stimulation correlates with maturation of the perineuronal nets in young rats. Dev Neurobiol 75(1): 1-11
Mix A, Hoppenrath K, Funke K
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/dneu.22205)
