Die elektromagnetische Hirnstimulation ist ein therapeutischer Ansatz, der in der Neurologie und Psychiatrie zunehmend eingesetzt wird, um die intrinsischen Reparaturmechanismen des Gehirns zu aktivieren. Ihre klinischen Ergebnisse bleiben jedoch von Patient zu Patient variabel und wenig reproduzierbar, was zu einem großen Teil darauf zurückzuführen ist, dass die zugrunde liegenden Mechanismen nach wie vor unzureichend verstanden sind. Die Entwicklung therapeutischer Protokolle beruht daher eher auf Versuch und Irrtum als auf einer fundierten, auf die Pathologie ausgerichteten Anpassung. Diese Studie widmete sich der Aufklärung der Wirkung schwacher Magnetfelder und unterschied dabei zwei zentrale Fragen: Sind die Dosis und der Rhythmus der Impulse entscheidend, und wirkt das Magnetfeld unmittelbar auf die Neuronen, unabhängig von jeglicher elektrischer Entladung?
Um dies zu beantworten, setzten die Autoren eine repetitive transkranielle Magnetstimulation geringer Intensität (LI-rTMS, in der Größenordnung von Millitesla) ein, die fokal appliziert wurde, und zwar an einem experimentellen Modell, das eine einfache Quantifizierung eines biologischen Effekts ermöglicht: die Reparatur der olivozerebellären Bahn der Maus nach einer Läsion. Nach einseitiger Durchtrennung des Kleinhirnstiels, die eine Kleinhirnhälfte ihrer Kletterfasern beraubt, wurde die Stimulation zwei Wochen lang täglich zehn Minuten appliziert, sowohl in vivo als auch ex vivo an organotypischen Kulturen. Verschiedene, aus der humanen klinischen Praxis stammende Stimulationsmuster wurden verglichen – Einzelimpulse mit 1 und 10 Hz, kontinuierliche, intermittierende oder zufällige Theta-Burst-Muster sowie ein komplexes biomimetisches Hochfrequenzmuster (BHFS). Die Rolle des Magnetfelds selbst wurde in An- oder Abwesenheit von Cryptochrom, einem vermuteten zellulären Magnetorezeptor, mithilfe von Knockout-Mäusen untersucht. Die Reinnervation wurde immunhistochemisch beurteilt, die Zellaktivierung durch die c-fos-Markierung und die Veränderungen der Genexpression durch quantitative PCR.
Die Arbeiten zeigen, dass die LI-rTMS das axonale Auswachsen und die Synaptogenese induziert, die für die Reinnervation des Kleinhirns erforderlich sind. Dieser reparative Effekt hängt eng vom Stimulationsmuster ab: Komplexe biomimetische Rhythmen erweisen sich als wirksamer als die regelmäßigen Rhythmen, die üblicherweise bei der rTMS am Menschen verwendet werden. Die Reparatur erfordert überdies die Anwesenheit von Cryptochrom. Nur die Muster, die die Reparatur begünstigten, steigerten die Expression von Genen, die an der neuronalen Regeneration beteiligt sind, von denen nahezu 40 % Zielstrukturen des Cryptochroms darstellen.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass schwache Magnetfelder das Gehirn verändern können, ohne unmittelbar die neuronale Aktivität auszulösen. Anstelle einer Aktivierung der Neuronen durch induzierte elektrische Ströme schlagen die Autoren vor, dass diese Felder über das Cryptochrom wirken, um zelluläre Signalkaskaden zu aktivieren. Dieses neue Verständnis der Mechanismen der strukturellen Neuroplastizität eröffnet Ansätze zur Optimierung der elektromagnetischen Stimulation und zur Entwicklung von Behandlungen, die auf verschiedene neurologische Erkrankungen zugeschnitten sind.