Neuromodulation

Depression wird zunehmend als eine Störung verteilter Hirnnetzwerke und nicht als Funktionsstörung isolierter Hirnregionen verstanden. Unsere Forschung kombiniert MRT-gestützte Zielauswahl mit der direkten Messung der Zielaktivierung während der Stimulation, um besser zu verstehen, wie therapeutische Hirnstimulation Netzwerke der Emotionsregulation beeinflusst. Mithilfe von interleaved TMS-fMRT untersuchen wir, wie klinisch relevante Stimulationsprotokolle wie die intermittierende Theta-Burst-Stimulation (iTBS) den dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC) sowie dessen Interaktion mit tiefer gelegenen limbischen Regionen, einschließlich des subgenualen anterioren cingulären Kortex (sgACC), modulieren. Das langfristige Ziel besteht darin, die Personalisierung, Dosierung und das mechanistische Verständnis neuromodulatorischer Therapien zu verbessern.

Neurologische Erkrankungen werden zunehmend als Störungen dynamischer Hirnnetzwerke verstanden. Im Rahmen des EPICONN-Konsortiums werden chronometrische Stimulationsansätze entwickelt, um die kausale Netzwerkdynamik bei Epilepsie zu untersuchen. Durch die Kombination präzise getimter Hirnstimulation mit Ganzhirn-fMRT-Messungen zielt diese Forschung darauf ab, kritische Zeitfenster und Netzwerkzustände zu identifizieren, die mit pathologischer Aktivität und kognitiven Beeinträchtigungen verbunden sind. Diese Ansätze schaffen die Grundlage für zukünftige individualisierte, netzwerkbasierte Interventionen sowie für fortschrittliche Strategien der präoperativen Funktionskartierung.

Sprache entsteht durch dynamische Interaktionen zwischen verteilten kortikalen Regionen und nicht durch statische funktionelle Module. Mithilfe der chronometrischen interleaved TMS-fMRT kann die Stimulation zu präzise definierten Zeitpunkten während der Sprachproduktion und Sprachverarbeitung appliziert werden. Dadurch lässt sich kausal untersuchen, wann und wo Sprachnetzwerke besonders anfällig für Störungen oder Modulationen sind. Dieser Ansatz ermöglicht die Erforschung der zeitlichen Verarbeitungsstufen, die der Sprachproduktion zugrunde liegen, und liefert neue Einblicke in die dynamische Organisation des menschlichen Sprachsystems.

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine Technik, die starke gepulste Magnetfelder verwendet, um eine Gehirnstimulation im Bereich unter dem Stimulatorgerät hervorzurufen. Mithilfe der funktionellen MRT (fMRT) kann diese Stimulation sichtbar gemacht werden. Traditionell musste das TMS-Gerät in einer großen “birdcage”-Kopfspule untergebracht werden, was die Nachteile einer schlechten MR-Bildqualität, einer langsamen Datenaufnahmen und sehr eingeschränkten Möglichkeiten zur Platzierung des TMS-Geräts mit sich bringt. Unser Ansatz bestand darin, ein sehr dünnes HF-Spulenarray zu entwickeln, das zwischen das TMS-Gerät und den Kopf passt. Dies ermöglicht eine drastisch verbesserte MR-Bildqualität und eine sehr flexible Positionierung des TMS-Geräts bei nur minimalem Verlust der TMS-Stimulationseffizienz aufgrund des nur leicht vergrößerten Abstands des TMS zum Kopf.

Die transkranielle Ultraschallstimulation (TUS) ist eine vielversprechende neue Methode der nicht-invasiven Hirnstimulation. Anders als TMS erreicht fokussierter Ultraschall tiefe Strukturen wie Thalamus, Basalganglien oder Amygdala mit hoher Präzision. Der Haken: Bislang lässt sich in Echtzeit nicht zweifelsfrei feststellen, dass der akustische Fokus tatsächlich am gewünschten Ort liegt.

Das CITRUS-Projekt (EIC Pathfinder Horizon Europe 2022 bis 2026, 3,8 Mio. € Fördervolumen), versucht genau diese Lücke zu schließen. Ziel ist es, ein vollständig integriertes, MR-geführtes TUS-System zu entwickeln, das MR-kompatible Wandler, deren Fokus elektronisch gesteuert werden kann, und eine am HFMR Zentrum entwickelte 32-Kanal-MR-Empfangsspule kombiniert. Mit diesem System und einer speziellen MR-Bildgebung, der MR-ARFI, kann der tatsächliche Fokus bestätigt werden, oder aber auch TUS Effekte mittels fMRT untersucht werden. 

Das CITRUS-Konsortium vereint die Medizinische Universität Wien mit dem Fraunhofer IBMT, der Radboud-Universität, der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, der Technischen Universität Brünn, dem dänischen Forschungszentrum für Magnetresonanz, der Localite GmbH sowie dem University College London als assoziiertem Partner. Christian Windischberger koordiniert das Gesamtprojekt und leitet die Wiener Beiträge zur MR-Spulenentwicklung und zur gleichzeitigen Verwendung von TUS und fMRT. 

Das CITRUS-System soll TUS von einer vielversprechenden Methode zu einer validierten Plattform weiterentwickeln – sowohl für die Grundlagenforschung in der Neurowissenschaft als auch für zukünftige klinische Anwendungen bei neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen.

Transkranielle Ultraschallstimulation (TUS) ist eine Technik, die fokussierten Ultraschall verwendet, um Hirnareale zu stimulieren. Mithilfe von MRT kann diese Stimulation sichtbar gemacht werden und die genaue Position der Stimulation nachjustiert werden. Im Rahmen des EU-Projekts CITRUS haben wir zwei Versionen von Spulen entwickelt, die eine gleichzeitige Verwendung von TUS und der MR-Aufnahme ermöglichen. 

Version 1 hat einen helmartigen Aufbau mit 16 Empfangskanälen mit einem integriertem Halterungssystem für die TUS-Schallwandler, das eine reproduzierbare Positionierung der Ultraschallköpfe an den Schläfen des Probanden ermöglicht.

Version 2 verfolgt ein flexibleres Konzept, indem nur die untere Hälfte der Spule in einem fixen Gehäuse ausgeführt wurde, während der obere Teil durch flexible Spulen abgedeckt wird. Die TUS-Wandler werden mithilfe eines Stirnbands direkt am Kopf fixiert. Die Spule verfügt über 31 Empfangskanäle und erzeugt durch die enge Positionierung des flexiblen Spulenelemente am Kopf sehr gute Bilder.