Hochfrequenzschwingungen könnten zur Heilung epileptischer Anfälle beitragen
Epilepsie ist eine lebenslange neurologische Störung, die durch plötzliche Ausbrüche abnormaler elektrischer Hirnaktivität verursacht wird, und durch wiederkehrende kurzzeitige Bewusstseinsstörungen, Muskelzuckungen oder länger andauernde Anfälle gekennzeichnet ist. Sie ist eine der häufigsten neurologischen Erkrankungen. Mit entsprechenden Medikamenten können zwar manche Anfälle gestoppt werden, die zugrunde liegende epileptische Aktivität kann aber immer noch Schäden verursachen und das Gedächtnis bei Erwachsenen oder die kognitive Entwicklung bei Kindern beeinträchtigen. Medikamente haben zudem Nebenwirkungen, und bei manchen Patientinnen und Patienten treten trotz ihrer Einnahme weiterhin Anfälle auf. „Die Epilepsiechirurgie bietet eine echte Heilungschance, wenn eine eindeutige Identifizierung des epileptischen Hirngewebes möglich ist, so dass es bei der Operation vollständig entfernt werden kann“, erklärt Maeike Zijlmans(öffnet in neuem Fenster), Koordinatorin des EU-finanzierten Projekts Epilepsy_Core. Das Projekt hat zu besseren chirurgischen Ergebnissen beigetragen, da das epileptische Gehirn auf Grundlage der während der Operation feststellbaren elektrischen Aktivität lokalisiert werden konnte. „Wir haben die relativ alte Methode der intraoperativen Elektrokortikographie weiterentwickelt, und sowohl die Aufzeichnung als auch die Analyse der elektrischen Hirnaktivität verbessert“, erklärt Zijlmans vom University Medical Center Utrecht(öffnet in neuem Fenster) (UMC Utrecht), der gastgebenden Einrichtung des Projekts.
Die in den elektrischen Signalen des Gehirns verborgenen Informationen erschließen
Die Inspiration für Epilepsy_Core, das durch den Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde, lag in der Entwicklung einer Möglichkeit, die elektrischen Signale des Gehirns zu erschließen, um Informationen über die Quelle der epileptischen Aktivität zu erhalten. „Während die Elektroenzephalographie(öffnet in neuem Fenster) oder EEG die Hirnaktivität über die Kopfhaut aufzeichnen kann, lassen sich elektrische Signale auch direkt über das Gehirn aufzeichnen. Obwohl dies während eines Anfalls möglich ist, ist es schwierig, das erkrankte Gewebe abzugrenzen. Die Detektion während der Operation könnte als direkte Orientierung bei der Neurochirurgie dienen“, erklärt Zijlmans. Eine chirurgische Reaktion auf unvorhersehbare und schnell auftretende Anfälle ist jedoch offenkundig keine tragbare Strategie, weshalb sich das Team eine wichtige Entdeckung zunutze machte. Zwischen den Anfällen sind sogenannte „interiktale epileptiforme Entladungen“, die mit der Lage des epileptischen Gewebes zusammenhängen, detektierbar. Diese Entladungen treten zwar außerhalb des epileptischen Gewebes auf, es zeigte sich jedoch, dass wenn die Frequenzen der invasiven EEGs bei über 80 Hz (oder sogar 250 Hz(öffnet in neuem Fenster) – höher als normal – überprüft werden, diese Signale bei der Lokalisierung des epileptischen Bereichs behilflich sind. Die Amplituden(öffnet in neuem Fenster) der Hochfrequenzschwingungen sind jedoch klein und treten zufällig auf, so dass das Team von Epilepsy_Core vor der Aufgabe stand, eine bessere Aufzeichnung und Analyse zu erreichen. „Da die epileptische Hirnaktivität in winzigen Bereichen auftritt, wird sie bei üblichen Rasterelektroden mit geringer Dichte, bei denen die Elektroden einen Zentimeter voneinander entfernt sind, leicht übersehen. Deshalb haben wir Rasterelektroden mit hoher Dichte und viermal so vielen Elektroden erprobt, die etwa 25 % mehr Hochfrequenzinformationen detektieren“, erklärt Zijlmans. Für die Aufzeichnung in engen chirurgischen Bereichen des Gehirns wurden flexible Rasterelektroden entwickelt – insbesondere um zu verifizieren, ob das gesamte epileptische Gewebe entfernt wurde. „Erfreulicherweise stellten wir auch fest, dass elektrische Reize tatsächlich Hochfrequenzschwingungen hervorrufen können, so dass man nicht auf ihr natürliches Auftreten warten muss. Die direkte intraoperative Umsetzung wird jedoch eine Herausforderung sein“, ergänzt Zijlmans.
Auf dem Weg zu einer chirurgischen Heilung für Epilepsie
Auf seinem Weg zu einer chirurgischen Heilung für Epilepsie, überprüfte das Team eine Reihe von Signalmerkmalen, die zu weiteren vielversprechenden Entdeckungen führten. Die spektrale Entropie im Hochfrequenzbereich (Unvorhersehbarkeit bei höheren Frequenzen) lässt sich beispielsweise mühelos berechnen, wobei hohe Schwankungen der spektralen Entropie auf epileptische Aktivität hinweisen. Unter Verwendung von maschinellem Lernen zur Analyse dieser Elektrokortikographie-Signalmerkmale kann bestätigt werden, dass Betroffene nach der Operation keine Anfälle mehr haben werden. „Unsere Forschung trägt auch zum allgemeinen Wissensstand über Epilepsie bei, da sie zum Beispiel verdeutlicht, welche negativen Auswirkungen epileptische Aktivität auf die kognitiven Funktionen haben, unabhängig von Anfällen, und einen klaren Zusammenhang zwischen epileptischer Aktivität und Entzündungsmarkern im darunter liegenden Gewebe herstellt“, merkt Zijlmans an. Um einem klinischen Produkt näher zu kommen, wird das Team die Signale unter Verwendung fortgeschrittener Techniken des maschinellen Lernens eingehender untersuchen und die flexiblen Rasterelektroden und Stimulationsmethoden weiterentwickeln.
