Mit zunehmendem Alter verändern sich die kognitiven und motorischen Funktionen des Einzelnen, was seine Selbstständigkeit und die allgemeine Lebensqualität beeinträchtigt. Forschungsarbeiten, die darauf abzielen, dieses Phänomen zu verbessern - oder sogar ganz zu beseitigen - haben zu vielversprechenden Technologien geführt.
Die nicht-invasive Hirnstimulation umfasst eine Reihe von externen Techniken, die die Hirnfunktionen ohne Operation oder Implantate verändern können. Eine dieser Techniken ist die transkranielle anodische Gleichstromstimulation (atDCS), bei der die neuronale Aktivität durch einen schwachen elektrischen Gleichstrom moduliert wird, der durch Elektroden auf der Kopfhaut übertragen wird.
Da die Studien zur atDCS unterschiedliche Ergebnisse erbrachten, haben sich die Forscherinnen und Forscher gefragt, warum manche Menschen von dieser Technik profitieren und andere nicht. Das Problem scheint mit unserem Verständnis der Faktoren zusammenzuhängen, die die Empfänglichkeit für Hirnstimulation beeinflussen können, von denen das Alter eine wichtige Rolle zu spielen scheint.
Zwar legen einige Studien nahe, dass andere Faktoren, insbesondere grundlegende Verhaltensfertigkeiten oder früheres Lernen, wichtig sein könnten, doch die Wechselwirkung zwischen diesen Faktoren und dem Verhalten wurde nicht eingehend untersucht, was den Bedarf an genauen Vorhersagemodellen für die Auswirkungen von atDCS unterstreicht.
Wissenschaftler aus dem Team von Friedhelm Hummel haben nun einen Faktor identifiziert, der die Empfänglichkeit einer Person für atDCS maßgeblich beeinflusst. Sie untersuchten, wie angeborene Lernfähigkeiten die Wirkung der Hirnstimulation bestimmen, die beim Erlernen einer motorischen Aufgabe ausgeübt wird. Die Ergebnisse legen nahe, dass Personen mit schlechteren Lernmechanismen stärker von der Stimulation profitieren, während Personen mit optimalen Lernstrategien möglicherweise negative Auswirkungen erleiden.
Das Forschungsteam rekrutierte 40 teilnehmende Probanden - 20 Erwachsene mittleren Alters (50-65 Jahre) und 20 weitere, die älter als 65 Jahre waren. Jede dieser Gruppen wurde in zwei Hälften geteilt, wobei eine Untergruppe eine atDCS und die andere eine Placebo-Stimulation erhielt.
Zehn Tage lang führten die Studienteilnehmer eine "Fingertipp-Aufgabe" durch - es ging darum, eine Reihe von Zahlen so schnell und genau wie möglich über eine Tastatur einzugeben --, die dazu gedacht war, das häusliche Erlernen von motorischen Sequenzen parallel zur Verabreichung von atDCS zu untersuchen.
Das Team verwendete dann ein Modell des maschinellen Lernens, das mit einem Öffentlich zugänglichen Datensatz trainiert wurde, um die Probanden auf der Grundlage ihrer Anfangsleistungen in die Kategorien "optimale" oder "suboptimale" Lerner einzuordnen. Das Modell sollte vorhersagen, welche Personen von atDCS profitieren würden, und zwar auf der Grundlage ihrer Fähigkeit, die aufgabenbezogenen Informationen bereits in den frühen Phasen des Programms effektiv zu integrieren.
Die Studie zeigte, dass suboptimale Lernende, d. h. Lernende, die die Aufgabe in den ersten Lernphasen weniger effektiv zu integrieren schienen, eine beschleunigte Verbesserung ihrer Genauigkeit erfuhren, wenn sie die Aufgabe mit atDCS bearbeiteten. Dieser Effekt war nicht auf ältere Personen (z. B. die Ältesten) beschränkt, auch in der Gruppe der weniger alten Probanden gab es suboptimale Lernerinnen und Lerner.
Im Gegensatz dazu zeigten Probanden mit optimalen Lernstrategien sogar tendenziell negative Leistungen, wenn sie einer atDCS unterzogen wurden, und zwar unabhängig vom Alter. Dieser Unterschied lässt vermuten, dass die Hirnstimulation für Personen, die zunächst Schwierigkeiten mit motorischen Aufgaben haben, von größerem Nutzen sein könnte. Infolgedessen scheint atDCS eher eine reparierende als eine verbessernde Wirkung zu haben, was wichtige Konsequenzen für die Rehabilitation hätte.
"Durch die Nutzung verschiedener Methoden des maschinellen Lernens konnten wir die jeweiligen Einflüsse verschiedener Faktoren auf die individuellen Effekte der Hirnstimulation unterscheiden", erklärt Pablo Maceira, Erstautor der Studie, "dies wird den Weg für die Optimierung der Effekte der Hirnstimulation bei Probanden und Patientinnen und Patienten ebnen."
Die Studie impliziert, dass langfristig personalisierte Hirnstimulationsprotokolle entwickelt werden, um die Vorteile der Hirnstimulation zu maximieren, die auf den spezifischen Bedürfnissen jedes Einzelnen und nicht auf einem allgemeinen Merkmal wie dem Alter basieren. Dies gilt insbesondere für die Neurorehabilitation, bei der es vor allem darum geht, Fähigkeiten wieder zu erlernen, die nach einer Hirnverletzung (z. B. Schlaganfall oder Trauma) verloren gegangen sind.
"In Zukunft könnten Kliniker eine verbesserte Version unseres Algorithmus anwenden, um zu bestimmen, ob ein Patient für eine Hirnstimulationstherapie in Frage kommt, was die Wirkung der Neurorehabilitation verbessern und die Behandlung personalisieren würde", so Hummel.
