Experimentelle Modelle für selektive Nerventransfers der oberen Extremität: Modellbeschreibung und neurophysiologische Effekte

Zusammenfassung Einleitung Nerventransfers werden in der rekonstruktiven Chirurgie eingesetzt um denervierte Muskeln zeitnahe zu reinnervieren. Obwohl sie zunehmend in der Klinik eingesetzt werden, sind die neurobiologischen Grundlagen nur unzureichend erforscht. Essentiell ist hierfür ein realistisches Tiermodel an der oberen Extremität, da Nerventransfers klinisch hauptsächlich hier routinemäßig angewandt werden. Diese Arbeit stellt adulte und neonatale Rattenmodelle vor, bei denen durch einen Nerventransfer des N. ulnaris die Ellbogenflexion wiederhergestellt wurde. Methoden Basierend auf anatomischen Studien in 10 adulten und 5 neonatalen Sprague-Dawley Ratten wurde ein Modell kreiert bei dem der M. biceps brachii durch einen Nerventransfer des N. ulnaris reinnerviert wird. Anschließend wurde in 40 Ratten (30 adulte und 10 neonatale) das Caput laterale des M. biceps mittels Transfer des N. ulnaris bzw. des R. profundus n. ulnaris (RPF) reinnerviert und nach 12 Wochen Regenerationszeit hinsichtlich funktioneller Parameter wie der Muskelkraft und des Muskelgewichtes evaluiert. Ergebnisse Alle Ratten wiesen eine konstante neuronale Anatomie auf und auch in Neonaten war der supermikrochirurgische Nerventransfer reproduzierbar. Alle Nerventransfers reinnervierten den M. biceps brachii und konnten hinsichtlich funktioneller Parameter evaluiert werden. Hier zeigte sich eine Regeneration der Muskelkraft von 2,47 + 0,25 N bei einem Muskelgewicht von 313,8 + 0,25 mg in der Ulnaris-Transfer Gruppe. In der RPF-Transfer Gruppe lag der Wert bei 1,96 + 0,65 N bzw. 226,7 + 0,65 mg und die neonatale Gruppe erreichte 1,1 + 0,23 N Muskelkraft bei 85,5 + 0,23 mg Muskelgewicht. Die nativen Kontrollen ergaben 2,78 + 0,24 N an Kraft bei 325,6 + 0,24 mg Muskelgewicht. Diskussion Um der klinischen Translation gerecht zu werden, bedarf es eines geeigneten Tiermodelles der oberen Extremität. Alle hier gezeigten Modelle waren anatomisch konstant und mikrochirurgisch reproduzierbar. Es zeigte sich eine erfolgreiche Regeneration in allen Gruppen nach den jeweiligen Nerventransfers. Die Unterschiede zwischen den Gruppen lassen sich durch die verschiedene Anzahl an Spenderaxonen erklären. Des Weiteren, scheint die neuronale Plastizität des Neonaten einen Einfluss auf das Regenerationspotential zu nehmen. Schlussfolgerung: Die hier gezeigten Modelle bilden eine Basis zur Evaluation der Veränderungen von Nerventransfers auf allen Ebenen der motorischen Einheit.

Einfluss der Extrazellulären Matrix auf plastische Prozesse in jungen und alten Gehirnen. Extrazelluläre Matrix und Hirnplastizität

ZusammenfassungDie Balance zwischen struktureller Stabilität und funktioneller Flexibilität synaptischer Schaltkreise passt sich im Gehirn höherer Vertebraten ständig an die verschiedenen Lebensumstände an. Zunächst herrscht im juvenilen Hirnstadium hohe strukturelle Plastizität. Als kritischer Schritt in der Hirnreifung gilt die Entstehung der Extrazellulären Matrix (ECM, aus dem Englischen extracellular matrix ), welche das Potenzial für neuronale Plastizität und Regeneration als strukturstabilisierende Einheit limitiert. Neueste Forschungen haben erst begonnen, den Einfluss dieser vermeintlichen Limitierung adulter Plastizität auf lernabhängige Plastizität, lebenslange Gedächtnisanpassungen und höhere kognitive Funktionen zu untersuchen. In diesem Übersichtsartikel fassen wir aktuelle Befunde zusammen, welche die aktivitätsabhängige Modulation der ECM als Schlüsselelement für die Regulation lernabhängiger Plastizität im adulten Gehirn beschreiben. Die experimentelle Modifikation der ECM in lokalen neuronalen Schaltkreisen kann darüber hinaus als Werkzeug genutzt werden, um kurze Zeitfenster aktivitätsabhängiger neuronaler Reorganisationen zu ermöglichen. Wir diskutieren die Einflüsse dieser Verfahren auf entwicklungsabhängige Plastizität sowie Möglichkeiten der kognitiv flexibleren Auswahl wahrend unterschiedlicher Lern- und Verhaltensoptionen. Diese Befunde bieten Implikationen für neue regenerative und therapeutische Konzepte basierend auf zielgerichteter Neuroplastizität.

Schlaf, Gedächtnisbildung & neuronale Plastizität

Die Aufnahme neuer Gedächtnisinhalte (Akquisition) und deren Verfestigung im Langzeitgedächtnis (Konsolidierung) bilden entscheidende Grundlagen für ein adaptives Verhalten von Menschen und Tieren in einer sich ständig verändernden Umwelt. Diese Neuaufnahme und Einbettung von Informationen in bestehende Gedächtnisstrukturen findet ihr Abbild im Gehirn in Form einer Anpassung neuronaler Netzwerkstrukturen (neuronale Plastizität).

Schlaf, neuronale Plastizität und Erholung nach einem Hirnschlag

Ziel dieses Artikels ist es, die Rolle des Schlafs bei der Wiederherstellung der durch einen ischämischen Hirninfarkt eingeschränkten motorischen oder kognitiven Funktion zu erörtern sowie die zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen zu diskutieren.

Neuroplastizität und Lernen im Alter

Trotz des Zitates „was Hänschen nicht lernt, lernt Hans nimmermehr“, ist man niemals zu alt um Neues zu lernen und diese Lernprozesse bewirken bis ins hohe Alter sowohl strukturelle, als auch funktionelle Veränderungen des Gehirns. Neuronale Plastizität beschreibt Veränderungen der Gehirnstruktur und/oder Funktion in Abhängigkeit von Veränderungen im Verhalten, in der Umwelt und in neuronalen Prozessen. Solche Veränderungen können adaptiv (z. B. durch Lernen) oder „restorativ“ (z. B. nach einem Schlaganfall) auftreten und finden ein Leben lang statt. Das erwachsene Gehirn ist bemerkenswert formbar, aber im Vergleich zu Kindern scheint es für Erwachsene oft schwieriger Neues zu erlernen. Aber auch im Alter ist das Erlernen neuer Fähigkeiten bzw. eine körperliche oder kognitive Leistungssteigerung möglich. Insbesondere zugrundeliegende Veränderungen auf struktureller (Hippocampusvolumen) und funktioneller Ebene (Steigerung der Effizienz) dieser Lernprozesse werden in dieser Übersichtsarbeit exemplarisch dargestellt. Der folgende Beitrag liefert einen selektiven Überblick über die Veränderungen im Gehirn während wir altern und stellt Möglichkeiten dar, wie erfolgreiches (Gehirn-) Altern gefördert werden kann. Sowohl eine erhöhte physische, als auch geistige Aktivität ermöglicht Leistungssteigerungen in spezifischen, geübten Bereichen und scheint förderlich für gesundes Gehirnaltern. Allerdings scheitert häufig der Transfer dieser Leistungsverbesserungen auf den Alltag. Die Förderung kreativer Denkprozesse, also der Fähigkeit konventionelle Muster des Denkens zu verlassen und Neues/Originelles zu generieren könnte eine Option bieten Transfereffekte zu erleichtern. Allerdings fehlen aktuell systematische, empirische Untersuchungen im Bereich der Kreativitätsförderung im höheren Alter.

Spezifische Effekte von EEG-basiertem Neurofeedbacktraining auf kognitive Leistungen nach einem Schlaganfall

Der Schlaganfall ist weltweit die häufigste neurologische Erkrankung und oft treten Störungen kognitiver Funktionen als Folgeerscheinungen auf. In dieser Studie wurde untersucht, inwiefern ein Elektroenzephalographie (EEG) basiertes Neurofeedbacktraining (NFT) genutzt werden kann, um neuronale Plastizität nach einem Schlaganfall anzuregen und spezifische kognitive Leistungen von Schlaganfallpatienten zu verbessern. Vorgängerstudien an neurologisch gesunden Probanden konnten zeigen, dass eine willentliche Erhöhung des sensomotorischen Rhythmus (SMR, 12 – 15 Hz) mit einer Verbesserung des deklarativen Gedächtnisses (Langzeitgedächtnis) und eine Verringerung des Theta/Beta Quotienten (4 – 8 Hz/13 – 21 Hz) mit einer Verbesserung der Aufmerksamkeit und Impulskontrolle einhergehen. Sieben neurologisch gesunde Personen (Kontrollgruppe) und sieben Schlaganfallpatienten mit Gedächtnisdefiziten erhielten ein SMR Neurofeedbacktraining. Sechs Schlaganfallpatienten mit Störungen der Aufmerksamkeit und Inhibitionskontrolle nahmen an einem Theta/Beta Neurofeedbacktraining teil. Um die Spezifität der beiden Neurofeedbacktrainings zu überprüfen, wurden vor und nach den Trainings generelle kognitive Fähigkeiten mittels einer umfangreichen neuropsychologischen Testbatterie erhoben. Alle Teilnehmer erhielten 10 Neurofeedback Sitzungen (SMR oder Theta/Beta), wobei sie die Aufgabe hatten ein audio-visuelles Feedbacksignal, das ihre eigene Gehirnaktivität widerspiegelte, zu kontrollieren. Bei Schlaganfallpatienten konnten positive Effekte des Neurofeedbacktrainings auf die kognitive Leistung festgestellt werden. Die Patientengruppen wiesen vor dem Training beträchtliche kognitive Leistungsdefizite im Vergleich zur Kontrollgruppe auf. Nach dem Training unterschieden sie sich jedoch in ihrer kognitiven Leistung nicht mehr auffällig von den Kontrollpersonen. Zusätzliche Analysen bestätigten die Spezifität der unterschiedlichen Trainingsprotokolle. So zeigten die Kontrollgruppe und die SMR Patientengruppe die stärksten Verbesserungen und ebenso die geringsten Verschlechterungen in ihrer deklarativen Gedächtnisleistung im Vergleich zur Theta/Beta Patientengruppe. Währenddessen verbesserte sich die Theta/Beta Patientengruppe im Vergleich zu den anderen Gruppen vor allem in den Tests zu Inhibition und Flexibilität und wies gleichzeitig die geringsten Verschlechterungen auf.