Forscher haben zum ersten Mal die Feuermuster des Gehirns aufgezeichnet, während eine Person chronische Schmerzen verspürt, und damit den Weg für implantierte Geräte geebnet, die eines Tages Schmerzsignale vorhersagen oder sie sogar kurzschließen können.
Mithilfe eines Herzschrittmacher-ähnlichen Geräts, das chirurgisch im Gehirn platziert wurde, zeichneten Wissenschaftler vier Patienten auf, die seit mehr als einem Jahr ununterbrochen Nervenschmerzen verspürten. Die Geräte zeichneten bis zu sechs Monate lang mehrmals täglich auf und lieferten Hinweise darauf, wo sich chronische Schmerzen im Gehirn befinden.
Die am Montag in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience veröffentlichte Studie berichtete, dass der Schmerz mit elektrischen Fluktuationen im orbitofrontalen Kortex zusammenhängt, einem Bereich, der an der Regulierung von Emotionen, der Selbstbewertung und der Entscheidungsfindung beteiligt ist. Die Forschung legt nahe, dass solche Muster der Gehirnaktivität als Biomarker für die Diagnose und Behandlung von Millionen von Menschen mit stechenden oder brennenden chronischen Schmerzen im Zusammenhang mit einem geschädigten Nervensystem dienen könnten.
„Die Studie bringt eine ganze Generation von Forschungen wirklich voran, die gezeigt haben, dass die Funktion des Gehirns für die Verarbeitung und Wahrnehmung von Schmerzen wirklich wichtig ist“, sagte Dr. Ajay Wasan, Schmerzmediziner an der University of Pittsburgh School of Medicine Ich bin nicht an der Studie beteiligt.
Etwa jeder fünfte amerikanische Erwachsene leidet unter chronischen Schmerzen, also anhaltenden oder wiederkehrenden Schmerzen, die länger als drei Monate anhalten. Um Schmerzen zu messen, verlassen sich Ärzte in der Regel darauf, dass Patienten ihre Schmerzen bewerten, entweder mithilfe einer numerischen Skala oder einer visuellen Skala basierend auf Emojis. Selbstberichtete Schmerzwerte sind jedoch subjektiv und können im Laufe des Tages variieren. Und einige Patienten, wie Kinder oder Menschen mit Behinderungen, haben möglicherweise Schwierigkeiten, ihre Schmerzen genau zu kommunizieren oder einzuschätzen.
„Es gibt eine große Bewegung im Schmerzbereich, um objektivere Schmerzmarker zu entwickeln, die neben Selbstberichten verwendet werden können“, sagte Kenneth Weber, ein Neurowissenschaftler an der Stanford University, der nicht an der Studie beteiligt war. Dr. Weber fügte hinzu, dass solche Marker nicht nur dazu beitragen, unser Verständnis darüber zu verbessern, welche neuronalen Mechanismen dem Schmerz zugrunde liegen, sondern auch dazu beitragen können, die Schmerzen einiger Patienten zu validieren, die von ihren Ärzten nicht vollständig gewürdigt oder sogar völlig ignoriert werden.
In früheren Studien wurden typischerweise die Gehirne von Patienten mit chronischen Schmerzen gescannt, um Veränderungen im Blutfluss in verschiedenen Regionen zu beobachten, ein indirektes Maß für die Gehirnaktivität. Solche Forschungen sind jedoch auf Laborumgebungen beschränkt und erfordern, dass Patienten mehrmals ein Krankenhaus oder Labor aufsuchen.
In der neuen Studie verwendeten Dr. Prasad Shirvalkar, ein Neurologe an der University of California in San Francisco, und seine Kollegen stattdessen Elektroden, um das kollektive Feuermuster Tausender Neuronen in der Nähe der Elektroden zu messen.
Die Forscher implantierten die Aufzeichnungsgeräte chirurgisch bei vier Menschen, die seit mehr als einem Jahr mit Schmerzen lebten und keine Linderung durch Medikamente fanden. Bei drei der Patienten begannen die Schmerzen nach einem Schlaganfall. Der vierte hatte nach dem Verlust eines Beines sogenannte Phantomschmerzen.
Mindestens dreimal am Tag bewerteten die Patienten die Schmerzen, die sie verspürten, und drückten dann einen Knopf, der ihre Implantate dazu veranlasste, 30 Sekunden lang Gehirnsignale aufzuzeichnen. Durch die tägliche Beobachtung der Patienten zu Hause und am Arbeitsplatz „ist dies das erste Mal, dass chronische Schmerzen in der realen Welt gemessen werden“, sagte Dr. Shirvalkar.
Die Forscher platzierten Elektroden in zwei Gehirnbereichen: dem orbitofrontalen Kortex, der in der Schmerzforschung noch nicht viel untersucht wurde, und dem anterioren cingulären Kortex, einer Region, die an der Verarbeitung emotionaler Signale beteiligt ist. Viele Studien deuten darauf hin, dass der anteriore cinguläre Kortex für die Wahrnehmung sowohl akuter als auch chronischer Schmerzen wichtig ist.
Die Wissenschaftler speisten die Daten über die Schmerzwerte der Patienten und die entsprechenden elektrischen Signale in Modelle für maschinelles Lernen ein, die dann starke und niedrige chronische Schmerzzustände allein auf der Grundlage von Gehirnsignalen vorhersagen konnten.
Die Forscher fanden heraus, dass bestimmte Frequenzschwankungen des orbitofrontalen Kortex die besten Prädiktoren für chronische Schmerzen waren. Obwohl diese Gehirnsignatur bei Patienten häufig vorkam, zeigte jeder Patient laut Dr. Shirvalkar auch eine einzigartige Gehirnaktivität. „Jeder Patient hatte tatsächlich einen anderen Fingerabdruck für seine Schmerzen“, sagte er.
Angesichts dieser Unterschiede und nur vier Studienteilnehmern riet Tor Wager, ein Neurowissenschaftler am Dartmouth College, der nicht an der Studie beteiligt war, zur Vorsicht bei der Bezeichnung orbitofrontaler Kortexsignaturen als Biomarker.
„Wir möchten dies auf jeden Fall mit anderen Studien untermauern, die andere Methoden verwenden, die eine systematische Abdeckung des gesamten Gehirns ermöglichen“, sagte er.
Die Autoren der Studie stellten außerdem fest, dass möglicherweise auch andere Gehirnregionen beteiligt sein könnten. „Wir fangen gerade erst an“, sagte Dr. Edward Chang, Neurochirurg an der University of California in San Francisco. „Das ist nur Kapitel eins.“
Die Implantate dienen einem anderen Zweck: der Tiefenhirnstimulation. Im Rahmen einer größeren klinischen Studie zur Behandlung chronischer Schmerzen verwenden Dr. Shirvalkar und seine Kollegen milde elektrische Ströme, um die Gehirnregionen in der Nähe der Elektroden zu stimulieren. Zusätzlich zu den vier Patienten der Studie, die diese experimentelle Therapie erhalten, wollen die Forscher zwei weitere Personen rekrutieren und die Studie schließlich auf 20 oder 30 Personen erweitern. Die Forscher hoffen, die anhaltenden Schmerzen der Patienten zu lindern, indem sie Impulse durch die Elektroden senden, um fehlerhafte Gehirnaktivitäten zu korrigieren.
