The functional relevance of neuronal plasticity in multiple sclerosis

Die Multiple Sklerose ist eine chronische neurologische Erkrankung, welche in der industrialisierten Welt einen der häufigsten Gründe für eine bleibende Behinderung bei jungen Erwachsenen darstellt. Obwohl die ZNS-Schädigung, charakterisiert durch Demyelinisierung und axonale Schädigung im Rahmen entzündlicher Vorgänge, durch verschiedene Reparaturmechanismen reduziert wird, akkumuliert die Läsionslast im zentralen Nervensystem mit der Zeit. T2-gewichtete MRT-Studien zeigen, dass die dargestellten Pathologien nur mäßig mit den motorischen Defiziten korrelieren. Diese Diskrepanz wird unter anderem auf Vorgänge der Neuroplastizität zurückgeführt, als deren Basismechanismen Langzeitpotenzierung (LTP) und -depression (LTD) gelten. In verschiedenen fMRT-Studien haben sich Hinweise ergeben, dass diese adaptiven Veränderungen zur Reorganisation kortikaler Repräsentationmuster führen können, so dass bei MS-Patienten eine ausgedehntere Aktivierung ipsilateraler sensomotorischer Areale bei motorischen Aufgaben zu beobachten ist. Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) bietet die Möglichkeit, mittels virtueller Läsionstechniken eine direkte Aussage über die kausale Beziehung zwischen Struktur und Funktion zu liefern. Die funktionelle Rolle ipsilateraler Motorareale wurde an 26 MS-Patienten, in Relation zu ihrer motorischen Beeinträchtigung und ZNS-Schädigung, und an nach Alter, Geschlecht und Händigkeit zugeordneten Kontrollprobanden, untersucht. Die motorische Leistungsfähigkeit wurde durch verschiedene Tests zur Handfunktion erhoben. Die ZNS-Schädigung wurde mittels MR-Spektroskopie als NAA/Cr Quotient sowie durch die CML erhoben. Die Aufgabe zur einfachen Reaktionszeit (SRT) bestand aus einer isometrischen Abduktionsbewegung des rechten Daumens gegen einen Kraftaufnehmer auf ein akustisches Go-Signal. Mit TMS-Einzelreizen wurde mit Hilfe einer Neuronavigation eine reversible virtuelle Läsion über bestimmten Gehirnarealen, kontralateraler M1, ipsilateraler M1 und ipsilateraler PMd, erzeugt. Es wurde eine Kontrollstimulation über MO durchgeführt. Die TMS-Einzelreize wurden 100ms nach dem Go-Signal appliziert. Als SRT wurde der Zeitraum zwischen dem Go-Signal und EMG-Beginn im APB definiert. Die signifikanten SRT-Verlängerungen bei TMS über dem ipsilateralen M1 und dem ipsilateralen PMd zeigen, dass diese Regionen eine Rolle bei der motorischen Funktion bei MS spielen. Die fehlenden Korrelationen zwischen motorischen Funktionstest und NAA/Cr-Verhältnis sowie die inverse Korrelation zur kortikomuskulären Latenz sind durch strukturell von der krankheitsbedingten Pathologie betroffenen kompensierenden Gehirnregionen erklärbar. Bei dem Theta Burst Experiments (TBS) wurde ein virtueller Läsionseffekt durch eine repetitive TMS-Intervention über dem ipsilateralen M1 induziert. Die Ergebnisse zeigen ähnliche Veränderungen der Exzitabilität bei MS-Patienten und gesunden Kontrollprobanden, was schließen lässt, dass die LTD bei mild bis moderat betroffenen MS-Patienten weitestgehend unbeeinträchtigt ist. MS-Patienten zeigen im Vergleich zu den Kontrollen eine ähnliche Minderung der Verhaltensleistung, Trefferquote in ein Kraftfenster, der MS-Patienten im Kontrollvergleich. Die Ergebnisse zeigen, dass ipsilaterale motorische Areale in der Lage sind den primär motorischen Kortex soweit zu kompensieren, jedoch die Fähigkeit zur Kompensation in fortgeschrittenen Krankheitsstadien eingeschränkt ist. Abschließend kann man zusammenfassen, dass die funktionelle Rekrutierung von ipsilateralen Motorarealen eine adaptive Antwort auf chronische Gehirnschädigung bei MS-Patienten sein kann, allerdings mit Einschränkung der Kapazität in fortgeschrittenen Krankheitsstadien. Nachdem die synaptische Plastizität weitestgehend intakt scheint, sollte man besonders Mechanismen der späten Phase der Plastizität fördern, welche auf eine langfristige kortikale Plastizität abzielen. Weitere Studien in diesem Forschungszweig könnten einen Beitrag zur Entwicklung therapeutischer Konzepte der Neurorehabilitation bei Multipler Sklerose leisten.Multiple Sclerosis is a chronic neurological disease, which is one of the common reasons in the industrial world causing a lasting disablement at young adults. Despite of reduction by several mechanisms the cns injury characterized by demyelinizing and axonal injury in order of inflammatory processes the lesion load of the cns accumulates over the years. T2-weighted MRI studies only show moderate correlations between the represented pathologies and the motoric deficits. This discrepancy is attributed i.a. to procedures of neuroplasticity whose basic mechanisms are considered as Long-term potentiation (LTP) and -depression (LTD). Several fMRI studies suggest a reogranization of cortical representative pattern due to these adaptive changes. Therefore an extended activation of ipilaterale sensomotoric areas is observed in MS patients performing motoric tasks. Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) provides via lesional techniques the possibility of a direct conclusion causal link to structure and function. The functional role of ipsilateral motor areas has been examined in 26 MS patients in relation to their motor impairment and cns injury. Healthy controls were matched for age, sex and handedness. The motor performance was assessed by a test battery of hand function. The cns injury was evaluated using magnetic resonance spectroscopy (NAA/Cr Quotient) and TMS (CML). The Simple Reaction Time task (SRT) consisted of a brisk isometric abduction of the right thumb against a force transducer as a respond to an auditorily Go-Signal. With the help of a neuronavigational device a reversible virtual lesion, delivered by TMS single pulses, were applied to specific brain areas, contralateral M1, ipsilateral M1 and ipsilateral PMD. A control stimulation were assessed to MO??. TMS Single pulses were applied 100ms after Go-Signal. SRT were defined as the time between Go-Signal and EMG onset. Significant extention of SRT after TMS to ipsilateral M1 and ipsilateral PMd evidence the role of these regions in motoric function in MS. The missing correlation between motor performance and NAA/Cr Quotient as well as the inverse correlation to CML are explainable by compensation brain regions which are themselves structurally affected by disease pathologies. In the Thetaburs experiments (TBS) a virtual lesion was induced by a repetitive TMS intervention to ipsilateral M1. The results show a similar change of excitability in MS patients and healthy controls which concludes that LTD is not compromised in mild to moderate affected MS patients. MS patients presented in comparison to controlls a similiar discrease of behavioral performance, hit rate in a force range. The results evidence that ipsilateral motor areas have the ability to compensate the primary motor cortex. But the ability for compensation is limited in advanced stages of illness. The concluding summary is that functional recruitment of ipsilateral motor areas are adaptive response to chronic brain injury in MS patients but with limited capacity in advanced stages of illness. As the synaptic plasticity seem intact to the greatest possible extent mechanism of the late stadium of plasticity should be supported which aim at long term cortical plasticity. Further studies in this branch of research could contribute the development of therapeutic concepts of neurorehabilitation in MS