Band 21, Heft 4

Zusammenfassung Brain-Computer Interfaces (Gehirn-Computer -Schnittstellen, BCI) nutzen neuroelektrische und metabolische Hirnaktivität, um periphere Geräte und Computer ohne Vermittlung des motorischen Systems zu bedienen. Um die Gehirn-Computer-Schnittstelle zu aktivieren, müssen die Personen ein gewisses Ausmaß an Hirnkontrolle erlernen. Es zeigte sich, dass die Selbstkontrolle der Hirnaktivität den Prinzipien des Fertigkeiten-Lernens und des instrumentellen Konditionierens folgt. Diese Übersicht konzentriert sich auf die klinische Anwendung von Gehirn-Computer-Schnittstellen bei gelähmten Patienten mit Lockedin Syndrom und/oder vollständigem Lockedin Syndrom (CLIS). Es wurde gezeigt, dass EEG-basierte Gehirn-Computer-Schnittstellen die Auswahl von Buchstaben und Wörtern in einem Computermenü mithilfe verschiedener EEG-Signale ermöglichen. Bei Patienten mit vollständigem Lockedin Syndrom ohne jede Muskelkontrolle, insbesondere der Augenbewegungen, waren EEG-basierte Gehirn- Computer-Schnittstellen jedoch nicht erfolgreich. Sogar nach der Implantatation von Elektroden in das Gehirn waren CLIS-Patienten nicht in der Lage, zu kommunizieren. Wir entwickelten ein theoretisches Modell, das dieses grundlegende Defizit des instrumentellen Lernens der Hirnkontrolle und der willentlichen Kommunikation erklärt: Patienten mit vollständiger Lähmung löschen zielgerichtetes reaktionsorientiertes Denken und Absichten. Daher wurde ein reflexives klassisches Konditionierungsverfahren entwickelt und mithilfe der Messung der metabolischen Hirnsignale mit Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIRS) waren CLIS-Patienten in der Lage, einfache Fragen mit einer „ja“- oder „nein“-Hirnantwort zu beantworten. Die bisher erhobenen Daten zeigen, dass erstmals CLIS-Patienten mit einem solchen BCI-System kommunizieren können, indem sie metabolische Hirnsignale und einfache reflexive Lernaufgaben verwenden. Schließlich werden Gehirn-Maschine- Schnittstellen und Rehabilitation bei chronischem Schlaganfall beschrieben und gezeigt, dass chronische Schlaganfallpatienten ohne jede Restbewegung der oberen Extremität eine erstaunliche Wiederherstellung der motorischen Funktion sowohl auf der motorischen als auch auf neuronaler Ebene mit BCI erreichen können. Nach umfangreichem BCITraining kombiniert mit verhaltensorientierter Physiotherapie konnte eine signifikante Verbesserung der motorischen Funktion bei dieser bisher unbehandelbaren Lähmung en erreicht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die klinischen Anwendungen von Gehirn-Maschine-Schnittstellen bei gut definierten und umschriebenen neurologischen Erkrankungen überraschend positive Wirkungen gezeigt haben. Die Anwendung von Gehirn- Computer-Schnittstellen bei psychiatrischen und klinisch-psychologischen Störungen hat bisher jedoch nicht zu einer wesentlichen Verbesserung dieser komplexen Verhaltensstörungen geführt.

Zusammenfassung GABA A - Rezeptoren sind Liganden-gesteuerte Chloridionenkanäle, die aus fünf Untereinheiten bestehen und durch GABA geöffnet und von vielen klinisch wichtigen Medikamenten moduliert werden können. Diese Rezeptoren kommen im Nervensystem vor, wurden aber auch in peripheren Geweben gefunden, wo ihre Funktion weitgehend unbekannt ist. Die Existenz einer Vielzahl von Rezeptorsubtypen, die sich in ihrer Untereinheitszusammensetzung unterscheiden, resultiert in einer Vielzahl von homologen Liganden- Bindestellen mit variabler Ähnlichkeit zueinander. Kristallstrukturen homologer Proteine, sowie eines GABA A - Rezeptorsubtyps, haben in Verbindung mit Homologiemodellen Einblicke in die Lokalisation von Bindestellen ermöglicht, wobei einige der Bindestellen bereits experimentell verifiziert werden konnten. Für viele Liganden dieser Rezeptoren sind die Bindestellen jedoch noch nicht bekannt. Wir geben einen Überblick über die Funktion verschiedener GABA A - Rezeptorsubtypen und diskutieren die strukturellen Gegebenheiten sowie die experimentelle Evidenz für Wirkprinzipien, die erhebliches therapeutisches Potenzial haben könnten.

Zusammenfassung Die Kontrolle des Laufens bei Insekten ist ganz wesentlich eine Aufgabe neuronaler Netzwerke in den thorakalen Ganglien. Während absteigende Signale aus den Kopfganglien eher globale Kommandos vorgeben, z. B. zu Laufrichtung und Geschwindigkeit, werden im thorakalen ZNS Bewegungen einzelner Gelenke und der Beine insgesamt kontrolliert. Die Koordinationsmuster der Beine verändern sich geschwindigkeitsabhängig, ein eindeutiges stereotypes Koordinationsmuster jedoch fällt nur bei hohen Geschwindigkeiten auf. Ganz im Sinne des Unit-Burst- Oscillator-Konzepts kontrollieren oszillatorische Netzwerke (CPG, central pattern generator), in enger Verzahnung mit Bewegungsund Belastungsrezeptoren der Beine, die zeitlichen Parameter und Amplituden der Bewegungen einzelner Gelenke. Für Beinbewegungen sind verschiedene Gelenk-CPGs eines Beins im Wesentlichen über Propriozeptoren gekoppelt. Durch eine differenzielle Verarbeitung propriozeptiver Signale werden Beinbewegungen aufgabenspezifisch modifiziert, etwa für Laufrichtungswechsel. Lokaler neuronaler Kontrolle unterliegt der Wechsel zwischen Lauf- und Suchbewegungen eines Beins. Durch fehlende sensorische Eingänge, z. B. bei einem Tritt ins Leere, werden durch Aktivierung eines lokalen Kommandoneurons stereotype Suchbewegungen des Beins ausgelöst.

Brain-computer interfaces (BCI) use neuroelectric and metabolic brain activity to activate peripheral devices and computers without mediation of the motor system. In order to activate the BCI patients have to learn a certain amount of brain control. Self-regulation of brain activity was found to follow the principles of skill learning and instrumental conditioning. This review focuses on the clinical application of brain-computer interfaces in paralyzed patients with locked-in syndrome and completely locked-in syndrome (CLIS). It was shown that electroencephalogram (EEG)-based brain-computer interfaces allow selection of letters and words in a computer menu with different types of EEG signals. However, in patients with CLIS without any muscular control, particularly of eye movements, classical EEG-based brain-computer interfaces were not successful. Even after implantation of electrodes in the human brain, CLIS patients were unable to communicate. We developed a theoretical model explaining this fundamental deficit in instrumental learning of brain control and voluntary communication: patients in complete paralysis extinguish goal-directed responseoriented thinking and intentions. Therefore, a reflexive classical conditioning procedure was developed and metabolic brain signals measured with near infrared spectroscopy were used in CLIS patients to answer simple questions with a “yes” or “no”-brain response. The data collected so far are promising and show that for the first time CLIS patients communicate with such a BCI system using metabolic brain signals and simple reflexive learning tasks. Finally, brain machine interfaces and rehabilitation in chronic stroke are described demonstrating in chronic stroke patients without any residual upper limb movement a surprising recovery of motor function on the motor level as well as on the brain level. After extensive combined BCI training with behaviorally oriented physiotherapy, significant improvement in motor function was shown in this previously intractable paralysis. In conclusion, clinical application of brain machine interfaces in well-defined and circumscribed neurological disorders have demonstrated surprisingly positive effects. The application of BCIs to psychiatric and clinical-psychological problems, however, at present did not result in substantial improvement of complex behavioral disorders.

GABA A receptors are ligand-gated chloride ion channels composed of five subunits that can be opened by GABA, and modulated by multiple drugs, some of utmost clinical importance. GABA A receptors occur in the nervous system as well as in peripheral tissues where their function is largely unknown. The existence of multiple GABA A receptor subtypes with distinct subunit composition leads to multiple homologous binding sites with different degrees of similarity. Crystal structures of proteins homologous to GABA A receptors and of a GABA A receptor subtype, combined with homology modeling studies, have provided insights into the possible location of drug interaction sites. Some of these sites have been confirmed by experimental studies. For many receptor ligands, however, binding sites are not yet known. Here we will briefly review the function of distinct types of GABA A receptors and provide structural insights and experimental evidence on binding sites for ligands that could be of considerable clinical interest.

The control of walking in insects is to a substantial amount a function of neuronal networks in the thoracic ganglia. While descending signals from head ganglia provide general commands such as for walking direction and velocity, it is the thoracic central nervous system that controls movements of individual joints and legs. The coordination pattern of legs is velocity dependent. However, a clear stereotypic coordination pattern appears only at high velocities. In accordance with the unit burst oscillator concept, oscillatory networks (central pattern generators (CPGs)) interlocked with movement and load sensors control the timing and amplitude of joint movements. For a leg’s movements different joint CPGs of a leg are mainly coupled by proprioceptors. Differential processing of proprioceptive signals allows a task specific modulation of leg movements, for example, for changing movement direction. A switch between walking and searching movements of a leg is under local control. When stepping into a gap missing sensory input and the activation of a local command neuron evokes stereotypic searching movements of the leg.