Team 4

Entwicklung eines neuartigen Hirnschrittmachers mit Methoden der statistischen Physik und nichtlinearen Mathematik

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu
ihren nominierten Projekten

Parkinson ist eine der häufigsten Erkrankungen des Nervensystems. In Deutschland gibt es offiziell etwa 150.000 Parkinson-Patienten, Schätzungen gehen jedoch von 250.000 bis 400.000 Betroffenen aus. Bei Parkinson-Patienten feuern die Nervenzellen ungebremst gleichzeitig statt gezielt und nacheinander, d. h. sie sind krankhaft synchron aktiv. Das verursacht das typische Zittern der Patienten.

Die Behandlung mit einem Hirnschrittmacher ist die Standardtherapie für Patienten mit schweren, medikamentös nicht behandelbaren Bewegungsstörungen wie der Parkinsonschen Erkrankung und essentiellem Tremor. Hierzu werden Elektroden in Hirngebiete implantiert, in denen die Nervenzellverbände krankhaft synchron aktiv sind. Durch eine elektrische Dauerreizung wird die Aktivität der Nervenzellen in den Zielgebieten massiv verändert und unterdrückt. Vielen Patienten kann hierdurch geholfen werden, doch das Verfahren hat Grenzen. Eine relevante Anzahl von Patienten hat Nebenwirkungen oder spricht überhaupt nicht auf die Behandlung an, bzw. die therapeutische Wirkung lässt im Laufe der Behandlung nach oder verschwindet sogar ganz.

Prof. Peter Tass und Prof. Volker Sturm haben deswegen einen neuartigen Hirnschrittmacher entwickelt, der deutlich schonender und effektiver den eigentlichen Krankheitsprozessen entgegenwirkt. Die elektrischen Impulse werden bedarfsgesteuert verabreicht, nämlich nur dann, wenn die Hirnzellen beginnen, krankhaft im gleichen Takt zu feuern. Die Tätigkeit der Nervenzellen in den überaktiven Hirnbereichen wird somit nicht unterdrückt, sondern gezielt aus dem Takt gebracht. Hierzu haben Sturm und Tass die betroffenen Nervenzellverbände in mathematischen Modellen nachgebildet und schonende, sehr effiziente Stimulationstechniken mit Methoden der modernen Mathematik und statistischen Physik entwickelt. Die Entwicklung des herkömmlichen Hirnschrittmachers entsprang Zufallsbeobachtungen während neurochirurgischer Operationen.

Die besondere Wirksamkeit des neuen Hirnschrittmachers beruht darauf, dass er gezielt grundlegende Gesetzmäßigkeiten des Nervensystems – dynamische Selbstorganisationsprinzipien und plastische Lernregeln – ausnutzt, um mit minimalen Einwirkungen maximale Effekte zu erzielen. Der neue Hirnschrittmacher desynchronisiert – d. h. er wirkt selektiv den krankhaften Synchronisationsvorgängen in den betroffenen Nervenzellpopulationen entgegen. Neben einer möglichst schonenden Unterdrückung der Symptome zielt die Wirkweise des neuen Hirnschrittmachers darauf ab, durch ein über die Stimulation gesteuertes Verlernen der krankhaften Interaktionen in den betroffenen Nervenzellverbänden eine ausheilende Wirkung zu ermöglichen.

Bei intraoperativen Teststimulationen, d. h. während der Implantation von Elektroden bei Patienten mit krankhaftem Tremor (Zittern) wie Parkinson, essentiellem Tremor und Tremor bei Multipler Sklerose, zeigte sich eine – im Vergleich zum herkömmlichen Hirnschrittmacher – deutlich effektivere und schonendere Wirkung. Die desynchronisierende Wirkung des neuen Hirnschrittmachers eröffnet eine völlig neue Behandlungsmöglichkeit für ein breites Spektrum an neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen, die sich durch übersteigerte Synchronisationsvorgänge auszeichnen: Dies betrifft Bewegungsstörungen, Funktionsstörungen nach Schlaganfällen, Epilepsien und schwerste, anders nicht behandelbare psychiatrische Erkrankungen.

Die Arbeit von Sturm und Tass hat die tiefe Hirnstimulation vom Stadium der empirischen, zufallsbasierten Entwicklung auf eine moderne Stufe des modellgestützten Designs hochwirksamer Stimulationsverfahren mittels statistischer Physik und nicht-linearer Mathematik geführt.

Zurzeit werden Patienten, bei denen die Elektrode, aber noch nicht der Generator implantiert ist, in der ersten Woche nach der Operation mit dem neuen Verfahren erfolgreich stimuliert. Im nächsten Schritt wird der neue Hirnschrittmacher weiter optimiert und verkleinert. Gemäß Zeitplan soll er in den nächsten drei Jahren klinisch einsetzbar sein.

Zudem haben Sturm und Tass 2005 eine Firma ausgegründet, die ab 2009 die Behandlung einer sehr großen Anzahl von Patienten ermöglichen soll. Diese Arbeit zeigt, dass sich mit der modernen Mathematik und Physik hochwirksame und besonders milde Behandlungsmethoden entwickeln lassen, die nicht nur einem großen Kreis von Betroffenen zugute kommen, sondern auch relevant zur Schaffung von Arbeitsplätzen beitragen.

Forschungszentrum Jülich
Das Forschungszentrum Jülich ist mit rund 4.300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern das größte multidisziplinäre Forschungszentrum in Europa und eines der 15 Helmholtz-Forschungszentren. Seine Themen spiegeln die großen Herausforderungen der Gesellschaft wider:

  • die Sicherung von Ernährung und Gesundheit einer wachsenden Weltbevölkerung,
  • die Bereitstellung und lösungsorientierte Verknüpfung großer Mengen an Information,
  • den verantwortlichen Umgang mit den natürlichen Ressourcen der Umwelt,
  • die nachhaltige und umfassende Versorgung mit Energie.

Langfristige, grundlagenorientierte und fächerübergreifende Beiträge zu Naturwissenschaft und Technik werden ebenso erarbeitet wie konkrete technologische Anwendungen für die Industrie. Charakteristisch für Jülich ist, dass sich die Forscher zwei zentraler Schlüsselkompetenzen bedienen: der Physik und des wissenschaftlichen Rechnens mit Supercomputern.

Das Forschungszentrum Jülich nutzt sein Jubiläumsjahr 2006 zur weiteren Fokussierung seines einzigartigen Profils. Das Forschungszentrum geht strategische Allianzen ein mit anderen Zentren der Helmholtz-Gemeinschaft sowie Hochschulen, Unternehmen und Forschungseinrichtungen weltweit.

www.fz-juelich.de

Helmholtz-Gemeinschaft
Die Helmholtz-Gemeinschaft ist mit ihren 15 Forschungszentren die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Die Mission der Helmholtz-Gemeinschaft ist es, zu den großen Herausforderungen und drängenden Problemen in den Bereichen Energie, Erde und Umwelt, Gesundheit, Verkehr und Weltraum, Schlüsseltechnologien und Struktur der Materie signifikante Lösungsbeiträge zu leisten.

www.helmholtz.de

Universität zu Köln
Das Klinikum der Universität zu Köln verfügt über den einzigen Lehrstuhl für Stereotaxie in Deutschland. Durch eine entschlossene Finanzierungsanstrengung der nordrhein-westfälischen Landesregierung wurden einzigartige operative Möglichkeiten geschaffen. Es stehen drei OPs zur Verfügung, einschließlich eines Hochfeld-Kernspintomographen, in dem stereotaktische Eingriffe durchgeführt werden, sowie einer optimalen Rechnerausstattung.

Klinische Schwerpunkte sind neuromodulatorische Verfahren, insbesondere die tiefe Hirnstimulation bei motorischen Störungen und konservativ nicht behandelbaren psychiatrischen Erkrankungen. Die Klinik für Stereotaxie gehört weltweit zu den Kliniken mit der größten Erfahrung auf diesem Gebiet. Zum Beispiel wurde in Köln die weltgrößte Serie Parkinson-Patienten operiert.

Ein weiterer Schwerpunkt sind die operative Schmerzbehandlung und die stereotaktische Tumortherapie (Implantation von Radionukliden, Hirntumore zur Kontaktbestrahlung, Strahlenchirurgie mit Linearbeschleunigung). Wissenschaftliche Schwerpunkte sind die Weiterentwicklung stereotaktischer Strahlungsverfahren von Tumoren und insbesondere die Weiterentwicklung neuromodulatorischer Verfahren durch Tiefenhirnstimulation.

Die Klinik für Stereotaxie führt diese Forschungsprogramme in engster Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich, dem Leibnitz-Institut für Neurobiologie in Magdeburg sowie neurologischen und psychiatrischen Universitätskliniken insbesondere in NRW durch.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden
deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Entwicklung eines neuartigen Hirnschrittmachers mit Methoden der statistischen Physik und nichtlinearen Mathematik“ wurde von der Helmholtz-Gemeinschaft vorgeschlagen.