Neuroplasticity: induction and modulation by external stimulation and pharmacological intervention

Abstract

Neuroplastizität, die Möglichkeit des menschlichen Gehirns sich strukturell und funktionell zu reorganisieren, ist schon lange ein Gegenstand der neurowissenschaftlichen Forschung. Fortschritte in der Transkranialen Magnetischen Stimulation (TMS) und Transkranialen Gleichstromstimulation (tDCS) ermöglichen nun die nicht-invasive Untersuchung der Neuroplastizität am lebenden menschlichen Gehirn. Die hier vorgestellte Arbeit besteht aus drei wesentlichen Teilen. Im ersten Teil werden die grundlegenden Konzepte und Faktoren der Induktion und des Erhalts der kortikalen Plastizität im menschlichen Gehirn besprochen. Hier untersuchten wir den Unterschied zwischen den Geschlechtern bezüglich der tDCS-induzierten Neuroplastizität. Es konnte eine höhere faszilitierende und eine geringere inhibierende Neuroplastizität in Männern verglichen mit Frauen gezeigt werden. Dies könnte die unterschiedliche, geschlechtsabhängige Inzidenz bestimmter neurologischer Erkrankungen erklären. Der zwe! ite Teil konzentriert sich auf die Modulation kortikaler Plastizität durch pharmakologische Intervention. Es wurde der Einfluss von Dopamin (DA) und Acetylcholin (ACh) auf distinkte Formen der Neuroplastizität untersucht, im speziellen der globalen und der spezifischen synaptischen Plastizität, welche jeweils durch tDCS bzw. paired associative stimulation (PAS) induziert wird. Es wurde herausgefunden, dass sowohl DA, als auch ACh die fokale Erregungs-verstärkende Plastizität erhöht und die globale Erregungs-verstärkende Plastizität herabsetzt. Dies unterstützt die Hypothese, dass DA und ACh spezifische synaptische Reize in neuronalen Netzwerken fokussieren, um das Reiz-zu-Rausch-Verhältnis zu erhöhen und damit die Informationsverarbeitung zu verbessern. Der dritte Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Zusammenhänge zwischen Lernprozessen und der Modulation von Neuroplastizität. Es wird angenommen, dass homöostatische Mechanismen neuronale Netzwerke vor exzessiver kortikaler Erregbarkeit, welche durch positive Rückkopplung Hebbianischer Plastizität hervorgerufen wird, schützen. Um die Regulation homöostatischer Plastizität und ihren Einfluss auf kognitive Funktionen zu untersuchen, demonstrierten wir zuerst homöostatische Plastizität hervorgerufen durch eine Kombination aus tDCS und PAS, wobei ersteres globale Erregbarkeit moduliert und zweiteres die fokale. Es wird angenommen, dass dies die neurophysiologische Basis von Lernprozessen ist. Um zu untersuchen, ob spezifische, in dieser Arbeit demonstrierte homöostatische Mechanismen auf Lernprozesse anwendbar sind, führten wir ein weiteres Experiment durch, in dem wir tDCS und eine motorische Lernleistung kombinierten. Die Resultate dieses Experimentes legen nahe, dass der spezifische Einfluss von tDCS auf motorisches Lernen nicht mit homöostatischen Phänomenen auf neurophysiologischer Ebene in Einklang zu bringen ist, was darauf hindeutet, dass kognitive Funktionen auf eine komplexere Art und Weise reguliert werden, als durch simple homöostatische Mechanismen.