Verbund

Etablierung eines experimentell-validierten Multiskalencomputermodells der repetitiven Transkraniellen Magnetstimulation (rTMS)

Das BMBF ist Partner der multilateralen Förderinitiative „Collaborative Research in Computational Neuroscience (CRCNS)“ der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF). In diesem Rahmen fördert das BMBF den deutschen Partner in gemeinsamen Projekten zwischen deutschen, amerikanischen, israelischen und französischen Forschungsgruppen.

In diesem Verbundprojekt arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Freiburg und Gießen mit zwei amerikanischen Arbeitsgruppen an der Temple University Philadelphia und der University of Minnesota zusammen.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die Wirkmechanismen der nichtinvasiven Hirnstimulationstechniken aufzuklären. Nichtinvasive Hirnstimulationstechniken - wie die Transkranielle Magnetstimulation (TMS) - werden in der Diagnostik und Therapie eingesetzt, zum Beispiel zur Verbesserung von Lernfähigkeiten nach einem Schlaganfall. Da die stimulierenden Magnetfelder von außen angewendet werden und die Haut und den intakten Schädelknochen durchdringen, gilt dieses Verfahren unter Beachtung etablierter Sicherheitsrichtlinien als ungefährlich. Trotz ihres mittlerweile breiten klinischen Einsatzes sind die Wirkmechanismen der Hirnstimulation noch weitgehend unerforscht.

In diesem Projekt werden die mit TMS erzeugten Magnetfelder mithilfe von Computermodellen in den Schichten der Hirnrinde simuliert. Die Computermodelle ergänzen tierexperimentelle Untersuchungen und sollen dabei helfen aufzuklären, welche Anpassungsreaktionen und Veränderungen bei Nervenzellen und neuronalen Netzwerken durch eine Magnetfeld-Stimulation ausgelöst werden.

Mithilfe der Projektergebnisse könnten die Mechanismen aufgeklärt werden, die bewirken, dass bestimmte Gehirnfunktionen – wie zum Beispiel Lernen und Gedächtnis – über eine Stimulation beim Gesunden und Kranken verbessert werden können. Dies könnte auch zu besseren Therapieansätzen für die Behandlung von Patienten mit Hirnschäden führen.

Teilprojekte

Etablierung eines experimentell-validierten Multiskalencomputermodells der repetitiven Transkraniellen Magnetstimulation (rTMS)

Förderkennzeichen: 01GQ1804A
Gesamte Fördersumme: 198.019 EUR
Förderzeitraum: 2018 - 2021
Projektleitung: Prof. Dr. Andreas Vlachos
Adresse: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Medizinische Fakultät - Universitätsklinikum, Institut für Anatomie und Zellbiologie, Abt. Neuroanatomie
Albertstr. 24
79106 Freiburg im Breisgau

Etablierung eines experimentell-validierten Multiskalencomputermodells der repetitiven Transkraniellen Magnetstimulation (rTMS)

Die Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine nicht-invasive Hirnstimulationstechnik, die zu diagnostischen, therapeutischen und wissenschaftlichen Zwecken in der Neurologie und Psychiatrie eingesetzt wird. Sie beruht auf dem physikalischen Grundprinzip der elektromagnetischen Induktion und ermöglicht die lokale Aktivierung kortikaler Areale durch den intakten Schädel des Probanden und Patienten. Trotz ihres mittlerweile breiten klinischen Einsatzes, sind die Wirkmechanismen der TMS noch nicht genau geklärt. Einem effektiven klinischen Einsatz dieser Technologie stehen 1) die enormen Parameterräume (z. B. Orientierung des Feldes, Stimulationsfrequenz, biophysikalische Eigenschaften des Nervengewebes); 2) technische und ethische Limitationen bei der Untersuchung des menschlichen Gehirns sowie 3) das Fehlen fundierter Erkenntnisse zu den Wirkmechanismen der TMS entgegen. Das Vorhaben zielt auf die Entwicklung und Validierung eines Computermodells der repetitiven TMS ab. Hierzu sollen Simulationen elektromagnetischer Felder, Netzwerk- und Einzelzellsimulationen sowie realistische 3D-Kalzium-Modelle einzelner Nervenzellen und Synapsen kombiniert/gekoppelt werden. Die Entwicklung erfolgt im Rahmen eines iterativen Prozesses zwischen Computersimulationen und experimenteller Datenerhebung in Kooperation mit den US-amerikanischen Partnern. Es ist zu erwarten, dass dieser wissenschaftliche Ansatz zu neuen wichtigen Erkenntnissen rTMS-induzierter Neuroplastizität und somit zu einer Optimierung rTMS-basierter Therapien beitragen wird.

Etablierung eines experimentell-validierten Multiskalencomputermodells der repetitiven Transkraniellen Magnetstimulation (rTMS)

Förderkennzeichen: 01GQ1804B
Gesamte Fördersumme: 165.006 EUR
Förderzeitraum: 2018 - 2021
Projektleitung: Prof. Dr. Peter Jedlicka
Adresse: Justus-Liebig-Universität Gießen, Fachbereich Medizin, Institut für Medizinische Informatik
Rudolf-Buchheim-Str. 6
35392 Gießen

Etablierung eines experimentell-validierten Multiskalencomputermodells der repetitiven Transkraniellen Magnetstimulation (rTMS)

Die Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine nicht-invasive Hirnstimulationstechnik, die zu diagnostischen, therapeutischen und wissenschaftlichen Zwecken in der Neurologie und Psychiatrie eingesetzt wird. Sie beruht auf dem physikalischen Grundprinzip der elektromagnetischen Induktion und ermöglicht die lokale Aktivierung kortikaler Areale durch den intakten Schädel des Probanden und Patienten. Trotz ihres mittlerweile breiten klinischen Einsatzes, sind die Wirkmechanismen der TMS noch nicht genau geklärt. Einem effektiven klinischen Einsatz dieser Technologie stehen 1) die enormen Parameterräume (z. B. Orientierung des Feldes, Stimulationsfrequenz, biophysikalische Eigenschaften des Nervengewebes); 2) technische und ethische Limitationen bei der Untersuchung des menschlichen Gehirns sowie 3) das Fehlen fundierter Erkenntnisse zu den Wirkmechanismen der TMS entgegen. Das Vorhaben zielt auf die Entwicklung und Validierung eines Computermodells der repetitiven TMS ab. Hierzu sollen Simulationen elektromagnetischer Felder, Netzwerk- und Einzelzellsimulationen sowie realistische 3D-Kalzium-Modelle einzelner Nervenzellen und Synapsen kombiniert/gekoppelt werden. Die Entwicklung erfolgt im Rahmen eines iterativen Prozesses zwischen Computersimulationen und experimenteller Datenerhebung in Kooperation mit den US-amerikanischen Partnern. Es ist zu erwarten, dass dieser wissenschaftliche Ansatz zu neuen wichtigen Erkenntnissen rTMS-induzierter Neuroplastizität und somit zu einer Optimierung rTMS-basierter Therapien beitragen wird.