Chronische Schmerzen stehen in Verbindung mit Gehirnsignalen im orbitofrontalen Kortex

Eine neue Studie stellt einen Zusammenhang zwischen chronischen Schmerzen und der Aktivität im orbitofrontalen Kortex her, einem Bereich, der an der Emotionsregulierung, Selbsteinschätzung und Entscheidungsfindung beteiligt ist.

Forscher haben zum ersten Mal die Feuermuster des Gehirns aufgezeichnet, während eine Person chronische Schmerzen empfindet, und damit den Weg für implantierte Geräte geebnet, die eines Tages Schmerzsignale vorhersagen oder sogar kurzschließen können.

Mit Hilfe eines schrittmacherähnlichen Geräts, das chirurgisch in das Gehirn eingesetzt wurde, zeichneten die Wissenschaftler die Signale von vier Patienten auf, die seit mehr als einem Jahr ununterbrochene Nervenschmerzen hatten. Die Geräte zeichneten bis zu sechs Monate lang mehrmals täglich auf und lieferten so Anhaltspunkte dafür, wo chronische Schmerzen im Gehirn angesiedelt sind.

Die Studie, die am Montag in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience veröffentlicht wurde, zeigt, dass die Schmerzen mit elektrischen Fluktuationen im orbitofrontalen Kortex verbunden waren, einem Bereich, der an der Emotionsregulierung, Selbsteinschätzung und Entscheidungsfindung beteiligt ist. Die Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass solche Muster der Hirnaktivität als Biomarker dienen könnten, um die Diagnose und Behandlung von Millionen von Menschen mit einschießenden oder brennenden chronischen Schmerzen in Verbindung mit einem geschädigten Nervensystem zu steuern.

„Die Studie bringt eine ganze Generation von Forschungsarbeiten voran, die gezeigt haben, dass die Funktionsweise des Gehirns für die Verarbeitung und Wahrnehmung von Schmerzen wirklich wichtig ist“, sagte Dr. Ajay Wasan, ein Spezialist für Schmerzmedizin an der University of Pittsburgh School of Medicine, der nicht an der Studie beteiligt war.

Etwa einer von fünf amerikanischen Erwachsenen leidet an chronischen Schmerzen, d. h. an anhaltenden oder wiederkehrenden Schmerzen, die länger als drei Monate andauern. Um Schmerzen zu messen, verlassen sich die Ärzte in der Regel darauf, dass die Patienten ihre Schmerzen anhand einer numerischen Skala oder einer visuellen Skala auf der Grundlage von Emojis bewerten. Doch die Selbsteinschätzung der Schmerzen ist subjektiv und kann im Laufe des Tages variieren. Und einige Patienten, wie Kinder oder Menschen mit Behinderungen, haben möglicherweise Schwierigkeiten, ihre Schmerzen genau mitzuteilen oder zu bewerten.

„Es gibt eine große Bewegung im Schmerzbereich, um objektivere Schmerzmarker zu entwickeln, die neben den Selbstberichten verwendet werden können“, sagte Kenneth Weber, ein Neurowissenschaftler an der Stanford University, der nicht an der Studie beteiligt war. Dr. Weber fügte hinzu, dass solche Marker nicht nur unser Verständnis der neuronalen Mechanismen, die den Schmerzen zugrunde liegen, verbessern, sondern auch dazu beitragen können, die von einigen Patienten empfundenen Schmerzen zu bestätigen, die von ihren Ärzten nicht in vollem Umfang gewürdigt – oder sogar ganz ignoriert – werden.

In früheren Studien wurden in der Regel die Gehirne von Patienten mit chronischen Schmerzen gescannt, um Veränderungen des Blutflusses in verschiedenen Regionen zu beobachten, ein indirektes Maß für die Gehirnaktivität. Solche Untersuchungen sind jedoch auf Laborbedingungen beschränkt und erfordern, dass die Patienten mehrmals ein Krankenhaus oder ein Labor aufsuchen.

In der neuen Studie verwendeten Dr. Prasad Shirvalkar, Neurologe an der University of California, San Francisco, und seine Kollegen stattdessen Elektroden, um das kollektive Feuermuster von Tausenden von Neuronen in der Umgebung der Elektroden zu messen.

Die Forscher implantierten die Aufzeichnungsgeräte chirurgisch bei vier Personen, die seit mehr als einem Jahr mit Schmerzen leben und durch Medikamente keine Linderung erfahren hatten. Bei drei der Patienten begannen die Schmerzen nach einem Schlaganfall. Der vierte hatte nach dem Verlust eines Beins sogenannte Phantomschmerzen.

Mindestens dreimal am Tag schätzten die Patienten ihre Schmerzen ein und drückten dann einen Knopf, der ihre Implantate veranlasste, 30 Sekunden lang Gehirnsignale aufzuzeichnen. Da die Patienten täglich zu Hause und bei der Arbeit beobachtet wurden, „ist dies das erste Mal, dass chronische Schmerzen in der realen Welt gemessen wurden“, so Dr. Shirvalkar.

Die Forscher platzierten Elektroden in zwei Hirnregionen: im orbitofrontalen Kortex, der in der Schmerzforschung bisher kaum untersucht wurde, und im anterioren cingulären Kortex, einer Region, die an der Verarbeitung emotionaler Signale beteiligt ist. Viele Studien deuten darauf hin, dass der anteriore cinguläre Kortex sowohl für die Wahrnehmung akuter als auch chronischer Schmerzen wichtig ist.

Die Wissenschaftler speisten die Daten über die Schmerzwerte der Patienten und die entsprechenden elektrischen Signale in Modelle des maschinellen Lernens ein, die dann allein auf der Grundlage der Gehirnsignale hohe und niedrige chronische Schmerzzustände vorhersagen konnten.

Die Forscher fanden heraus, dass bestimmte Frequenzschwankungen aus dem orbitofrontalen Kortex die besten Vorhersagen für chronische Schmerzen lieferten. Obwohl diese Hirnsignatur bei allen Patienten gleich war, so Dr. Shirvalkar, zeigte jeder Patient auch eine einzigartige Hirnaktivität. „Jeder Patient hatte tatsächlich einen anderen Fingerabdruck für seine Schmerzen“, sagte er.

In Anbetracht dieser Unterschiede und der Tatsache, dass es nur vier Studienteilnehmer gab, riet Tor Wager, ein Neurowissenschaftler am Dartmouth College, der nicht an der Studie beteiligt war, zur Vorsicht, wenn es darum geht, die Signaturen des orbitofrontalen Cortex als Biomarker zu bezeichnen.

„Wir wollen dies auf jeden Fall mit anderen Studien unter Verwendung anderer Methoden bestätigen, die eine systematische Erfassung des gesamten Gehirns ermöglichen“, sagte er.

Die Autoren der Studie weisen auch darauf hin, dass andere Hirnregionen beteiligt sein könnten. „Wir stehen erst am Anfang“, sagte Dr. Edward Chang, Neurochirurg an der University of California, San Francisco. „Dies ist nur das erste Kapitel.“

Die Implantate dienen einem weiteren Zweck: der Tiefenhirnstimulation. Im Rahmen einer größeren klinischen Studie zur Behandlung chronischer Schmerzen stimulieren Dr. Shirvalkar und seine Kollegen die Hirnregionen in der Nähe der Elektroden mit leichten elektrischen Strömen. Zusätzlich zu den vier Patienten in der Studie, die diese experimentelle Therapie erhalten, wollen die Forscher zwei weitere Personen rekrutieren und die Studie schließlich auf 20 oder 30 Personen ausweiten. Die Forscher hoffen, die anhaltenden Schmerzen der Patienten zu lindern, indem sie Impulse durch die Elektroden schicken, um die abweichende Hirnaktivität zu korrigieren.