Phantomglieder und neu verdrahtete Gehirne

Phantomarme, -beine, -finger und -zehen: scheinbar der Stoff aus Horrorfilmen. Doch für fast 70 Prozent der 4 Millionen Amputierten in den Vereinigten Staaten sind lebhafte Empfindungen in fehlenden Körperteilen – wie Druck, Kribbeln, Wärme, Kälte und Schmerzen, die sowohl konstant als auch qualvoll sein können – allzu real.

Phantomglieder haben Wissenschaftler seit Jahren verwirrt. Jüngste Studien haben jedoch Licht auf mögliche Mechanismen geworfen, die diesem Phänomen zugrunde liegen, einschließlich des Beweises, dass Neuronen im Gehirn, die Input von einer Extremität erhalten, sich selbst neu verdrahten können, um Input von anderen Quellen zu suchen, nachdem die Extremität amputiert wurde. Diese Ergebnisse stellen die seit langem bestehende Überzeugung in Frage, dass das Gehirn über ein bestimmtes Alter hinaus unveränderlich ist, und führen Forscher dazu, neue Therapien für Opfer von Phantomschmerzen und einigen Rückenmarksverletzungen zu entwickeln.

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Diese Geschichte war Teil unserer Januar-Ausgabe 1997



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Jahrelang schrieben Psychologen Phantomempfindungen der Wunscherfüllung zu, einem rein psychologischen Zustand. 1984 führte ein Team unter der Leitung von Michael Merzenich, einem Neurowissenschaftler an der University of California in San Francisco, Experimente durch, die begannen, Phantomglieder als echte physiologische Reaktion zu erklären. Merzenich und seine Kollegen amputierten zuerst die Mittelfinger einer Gruppe erwachsener Eulenaffen und stimulierten später die Finger an der Hand jedes Affen, die neben dem Amputationsstumpf lagen.

Merzenich platzierte Mikroelektroden, die elektrochemische Veränderungen in aktiv feuernden Neuronen erkennen, in verschiedenen Bereichen des Gehirns der Affen und fand heraus, dass die Region des Kortex, die ursprünglich als Reaktion auf die Stimulation des amputierten Fingers gezündet hatte, jetzt jedes Mal ausgelöst wurde, wenn er die beiden benachbarten berührte Finger. Die Neuronen hatten vor der Amputation nicht auf die Stimulation dieser Finger reagiert.

1991 erweiterte Timothy Pons, Neurowissenschaftler am Labor für Neuropsychologie des National Institute of Mental Health, die Erkenntnisse von Merzenich. Bei der Arbeit mit erwachsenen Makaken schnitten Pons und seine Kollegen Nerven ab, die sensorische Informationen zwischen dem Kortex und dem Arm, Unterarm, der Hand und dem Hinterkopf übermittelten. Das Team stimulierte dann verschiedene Körperteile und stellte fest, dass der Teil des Kortex, der zuvor auf den Arm und den Hinterkopf reagiert hatte, nun auf die Stimulation des Gesichts reagierte. Wie Efeu, der sich über nackten Ziegeln ausbreitet, so glaubt Pons, drangen umliegende Neuronen in den brachliegenden kortikalen Bereich ein, der den entafferentierten Gliedmaßen entspricht, und ermöglichten es ihm, auf die Stimulation von anderen Körperteilen zu reagieren.

Menschliche Prüfungen

Im folgenden Jahr führte Vilayanur Ramachandran, ein Neurowissenschaftler an der University of California in San Diego, Experimente an Menschen durch, denen ein Arm oder ein Finger amputiert wurde. Er verband seinen Patienten die Augen und übte Druck auf verschiedene Körperteile aus. Ramachandran bestätigte die Ergebnisse von Pons und entdeckte mehrere Probanden, die berichteten, dass sich der auf das Gesicht ausgeübte Druck anfühlte, als käme er sowohl vom Gesicht als auch von der Phantomhand.

Ramachandran sagt, dass dieser Befund sinnvoll war, da das kortikale Territorium, das einst dem Arm entsprach, neben dem dem Gesicht entsprechenden Gebiet lag. Und so wie Menschen, die in einer überfüllten Bar neben Barhockern stehen, am ehesten diese Plätze bekommen, wenn die Leute gehen, haben Neuronen in der Nähe eines Bereichs, der keine Eingaben mehr erhält, die beste Möglichkeit, einzuziehen.

Ramachandran argumentierte, dass die mit Phantomgliedern verbundenen Schmerzen auftreten könnten, wenn die Neuronen in neue Bereiche vordringen, sich aber nicht selbst neu verdrahten. Fehler bei der kortikalen Neuzuordnung, wie etwa die Querverdrahtung von Berührung und Schmerzeingabe, könnten beispielsweise für Schmerzen in einem Phantomarm verantwortlich sein, der durch eine gutartige Berührung im Gesicht entsteht.

Die Humanstudien zeigten auch, dass die kortikale Reorganisation schneller erfolgte als bisher vermutet. Während Pons 11 Jahre lang deafferentierte Primaten untersucht hatte, fand Ramachandran ähnliche Hinweise bei Menschen, deren Gliedmaßen nur vier Wochen vor den Experimenten amputiert worden waren.
Der Begriff des neuralen Nachwachsens und der kortikalen Reorganisation stellt einen radikalen Wandel in der Art und Weise dar, wie Wissenschaftler das Gehirn betrachten. Historisch wurde angenommen, dass es während der Entwicklung ein kritisches Zeitfenster gibt, wenn das Gehirn verdrahtet ist, sagt Pons. Nun, so sagt er, zeige das Gehirn während des gesamten Lebens eine überraschend hohe Plastizität.

Mögliche Therapien

Eine solche Plastizität könnte der Schlüssel zu möglichen Therapien nicht nur für Phantomschmerz, sondern auch für andere Erkrankungen des zentralen Nervensystems sein, einschließlich Rückenmarksverletzungen, bei denen Entzündungen oder Druck die Nervenbahnen blockieren. Tatsächlich haben Pons und sein Kollege David Good, Direktor des Rehabilitationszentrums der Bowman Gray School of Medicine an der Wake Forest University in North Carolina, in den letzten Monaten Patienten mit Rückenmarksverletzungen beobachtet und den Grad der Genesung mit dem der Umfang der kortikalen Reorganisation, gemessen durch MRT-Scans.

Wie erwartet stellten die Forscher fest, dass diejenigen, die die geringste Reorganisation erlebten, auch die vollständigste Genesung hatten. Wenn sich die Neuronen nicht neu organisieren, erklärt Pons, bleibt der Kortex unverändert und kann mit dem Rückenmark wie früher arbeiten, sobald sich die Dinge im Rückenmark wieder normalisieren.

Pons und Good glauben, dass die künstliche Verhinderung der kortikalen Reorganisation Patienten somit helfen könnte, sich von solchen Rückenmarksverletzungen zu erholen, obwohl sie warnen, dass der Ansatz in Fällen, in denen das Rückenmark tatsächlich durchtrennt wird, nutzlos wäre. Ein Ansatz zur Blockierung der kortikalen Reorganisation, den die Forscher untersuchen, beinhaltet die Verwendung von DAP-V, einem Medikament, das die elektrochemische Aktivität von Glutamat, einem Neurotransmitter im Gehirn, hemmt.

Normalerweise ermöglicht Glutamat die Kommunikation zwischen Neuronen, während sie elektrochemische Nachrichten von einem externen Stimulus, wie einem Schlag auf die Hand, bis zum Gehirn aneinander weitergeben. In ähnlicher Weise ermöglicht Glutamat nach einer Rückenmarksverletzung oder -amputation, wenn Neuronen plötzlich keine Eingangssignale von ihren Nachbarn mehr empfangen, den verlassenen Neuronen, sich mit anderen Neuronen zu verbinden, die sie mit Stimulation versorgen, wodurch die kortikale Reorganisation verbessert wird.

Pons und Good sagen, dass die Bindung von Glutamatrezeptoren an DAP-V die Neuron-zu-Neuron-Kommunikation verhindert, sodass die verlassenen Neuronen, die nicht mehr mit ihren lebenslangen Partnern kommunizieren, nicht mehr mit potenziellen neuen Partnern kommunizieren können , entweder. Daher glauben die Forscher, dass Neuronen an ihre Partner gebunden bleiben. Und wenn sich die Blockade des Rückenmarks auflöst, bleiben die ursprünglichen kortikalen Verbindungen und Funktionen intakt.

Da die kortikale Reorganisation nach einer Amputation der Neuverkabelung nach Rückenmarksverletzungen so ähnlich ist, hofft Pons, dass ein pharmakologisches Mittel wie DAP-V, das die neurale Reorganisation in der Kortikalis verhindert, auch dazu beitragen könnte, Phantomgliedmaßen zu verhindern Schmerzen bei Amputierten. Die Forscher warnen jedoch davor, dass diese Forschung noch in den Kinderschuhen steckt und sich noch grundlegende Fragen wie die Verabreichung des Medikaments und ob es nach einer Amputation für einen kurzen Zeitraum verabreicht werden kann oder ob es auf unbestimmte Zeit verabreicht werden muss, noch nicht angegangen werden muss.

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