vorlesung neuroplastizität und motorisches lernen - iwenv.de neuroplastizitaet.pdf · das prinzip...
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Vorlesung
Neuroplastizität und motorisches
Lernen Querschnittsbereich Rehabilitation
M. Lippert-Grüner
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Lernziele
I. Evidenzbasierte Maßnahmen einschätzen lernen
II. Mechanismen der neuronalen Reorganisation kennen
III. Therapeutische Ansätze analysieren können
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Lernziele
I. Evidenzbasierte Maßnahmen einschätzen lernen
II. Mechanismen der neuronalen Reorganisation kennen
III. Therapeutische Ansätze analysieren können
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Therapie basierend auf der besten externen Evidenz
Klinische Expertise abgestimmt auf die individuellen
Bedürfnisse
Ethische Grundhaltung
Strategie für eine lebenslange selbständige Fortbildung
Frage
Wie wahrscheinlich es ist, dass die Therapie den Krankheits-,
Rehabilitationsverlauf zum Günstigeren hin beeinflusst?
Ziel
Jedem Patienten die individuell optimale therapeutische
Versorgung zu ermöglichen
Evidenzbasierte Praxis
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1. Formulierung einer präzisen klinischen Fragestellung
2. Suche nach externer Evidenz (Forschungsergebnisse)
3. Kritische Bewertung der Forschungsergebnisse
4. Integration der Forschungsergebnisse in das „Clinical
Reasoning“
5. Evaluation der Ergebnisse der Intervention (Outcomes)
Antes G, Bassler D, Forster J 2003: Evidenz-basierte Medizin.
Praxis-Handbuch für Verständnis und Anwendung der EBM. Thieme.
Stuttgart, New York
Evidenzbasierte Praxis („best clinical practice“)
Lernstrategie
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I a Meta-Analysen randomisierter kontrollierter
Studien (z.B. Cochrane)
I b Randomisierte kontrollierte Studie
II a Kontrollierte Studien ohne Randomisierung
II b Gut angelegte quasi experimentelle Studie
III Nicht experimentelle deskriptive Studien:
Vergleichstudien, Korrelationsstudien,
Fall-Kontrollstudien
IV Fallberichte (Verlaufsstudien)
Expertenmeinungen
Evidenzhierarchie (ÄZQ): Ärztliches Zentrum für
Qualitätssicherung in der Medizin
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Weltweiter Verbund von Medizinern und Rehabilitations-
wissenschaftlern
Erstellen systematischer Reviews und Meta-Analysen
insbesondere von randomisierten kontrollierten Studien
um wissenschaftliche Erkenntnisse über die Wirkungen
von Therapien schnell von der Wissenschaft in die
Praxis umzusetzen
Deutsches Cochrane Zentrum: www.cochrane.de
Cochrane Collaboration: www.cochrane.org
Cochrane AL Effectiveness & Efficiency. Random Reflections on
Health Services. The Rock Carling Fellowship 1971. The Royal
Society of Medicine Press 1972
Cochrane Collaboration
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Lernziele
I. Evidenzbasierte Maßnahmen einschätzen lernen
II. Mechanismen der neuronalen Reorganisation kennen
III. Therapeutische Ansätze analysieren können
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Lernprozesse als Ausdruck der zentralnervösen
Plastizität
Unter Lernen verstehen wir den Erwerb eines neuen
Verhaltens bzw. eine relativ überdauernde Verhal-
tensänderung auf der Grundlage von Erfahrungen,
das bisher im Verhaltensrepertoire des Organismus
nicht vorkam (Bierbaumer und Schmidt 2001).
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Verhaltensadaptation
Die schnelle Adaptation des Verhaltens eines
Organismus an eine sich verändernde Umwelt stellt
einen Selektionsvorteil dar, der im Laufe der
Evolution zur Entstehung von Nervenzellen und
Nervensystemen führte.
Das Lernen ist die Wissensakquisition, aufgrund
derer sich das Gehirn ein Modell der Umwelt
aufbaut, das als Berechnungsgrundlage für Voraus-
schauende Handlungen dient.
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Bedeutung der Lernprozesse
Lernprozesse sind als Ausdruck der Plastizität des
zentralen Nervensystems zu werten, aber nicht jeder
plastische Prozess bedeutet Lernen.
(Birbaumer und Schmidt 1996)
Tierexperimentelle Studien, konnten zeigen, dass Lernen
und Erfahrung zu einer Vielzahl spezifischer und
unspezifischer makroskopisch-anatomischer, histologi-
scher und molekularer Änderungen führt.
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Veränderungen der Hirnstruktur und Funktion
- Kortexdicke und Schwere
- Anzahl dendritischer Fortsätze
- Transmittersyntheseraten
- Vergrößerungen von Zellkörpern und Zellkernen
- Anzahl und Aktivität von Gliazellen
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Neuroplastizität als Grundlage der NeuroRehabilitation
Hypothese:
Die übungsspezifische Aktivierung der Nervenzellnetz-
werke im Rahmen der rehabilitativen Förderung kann
möglicherweise sogar eine neuroprotektive Wirkung
zugeschrieben werden.
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Anpassungsmechanismen an äußere und innere
Bedingungen des Individuums
Trainingsmaßnahmen führen zu einer Veränderung der
neuroanatomischen Struktur des Gehirns (Greenough et al. 1988, Bland et al. 2000)
Basis für alle in der Neurorehabilitation zum Einsatz
kommenden Therapieverfahren.
Art und Intensität der modulierenden Aktivität ist von
großer Bedeutung
Definition Neuroplastizität
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A. Strukturell
1.Intra-areal
(Ausweitung das zuständigen geschädigten Areals)
2.Inter-areal
(andere Areale übernehmen die Funktion)
3.Kompensatorisch
(z.B. mehr Kraft in der anderen Extremität, z.B durch die
kontralaterale nicht läsionale Seite)
Wirkungsmechanismen der Neuroplastizität
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Größe und Aktivität corticaler und subcorticaler motorischer
Areale ist funktions- und gebrauchsabhängig
(intra-areale Plastizität)
Willkürmotorik ist modular in Netzwerken organisiert,
innerhalb dieser Netzwerke ist eine Kompensation möglich
(inter -areale Plastizität)
Das sind die Ursachen, warum sich beim Üben etwas
bessert!
Richards LG, Stewart KC, Woodbury ML, Senesac C, Cauraugh
JH. Movement-dependent stroke recovery: a systematic review and
meta-analysis of TMS and fMRI evidence. Neuropsychologia. 2008 Jan
15;46(1):3-11
Intra-areale und Inter-areale Plastizität der
Willkürmotorik.
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Prinzip der motorischen Äquivalenz (Lashley)
Das Gehirn findet eine Lösung des Problems….
Trotz motorischer Ausfälle (aufgrund corticaler
Läsionen) ist es möglich, mit Kompensations- („Trick“)
bewegungen zum Ziel zu gelangen
Lashley, K.S.: The accuracy of movement in the absence of
excitation from the moving organ. American Journal of Physiology
43 (1917) 169-194
Kompensatorische Plastizität der Willkürmotorik.
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B. Synaptisch
Plastizität als Veränderung der Effizienz der
synaptischen Übertragung
1.LTP (long-term Potentiation)
2.LTD (long-term Depression)
Wirkungsmechanismen der Neuroplastizität
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LTP (long-term Potentiation)
Einzelne (elektrische) Aktivierungen in schneller Folge
(5Hz) erhöhen die Erregbarkeit des postsynaptischen
Neurons
Stunden nach der wiederholten Reizung noch
nachweisbar ist
Grundmechanismus des Lernens und der Plastizität !
Wiederholte Aktivierung verbessert die synaptische
Effizienz und damit die Erregungsübertragung
(Notwendigkeit des repetitiven Übens)
Bliss TV, Lomo T. Long-lasting potentiation of synaptic transmission
in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation
of the perforant path. J Physiol. 1973 Jul;232(2):331-56
Synaptische Effizienz und Erregungsübertragung
.
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LTD (long-term Depression)
Niederfrequente elektrische Stimulation (2Hz)
erniedrigt die Erregbarkeit des postsynaptischen
Neurons.
Auch längere Zeit nach der wiederholten Reizung noch
nachweisbar.
Ebenfalls Grundlage für Lernen und Gedächtnis.
Sowohl die LTP als auch die LTD sind Prozesse der
neuronalen Plastizität!
Migaud M et al. Enhanced long-term potentiation and impaired
learning in mice with mutant postsynaptic density-95 protein.
Nature. 1998: 3;396(6710):433-9
Synaptische Effizienz und Erregungsübertragung
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Veränderung der neuronalen Erregbarkeit
z.B. transkranielle Gleichstromstimulation, engl.
transcranial direct current stimulation / tDCS: Auslösung
von Aktionspotentialen erhöht
z.B. periphere Elektrostimulation: fokale Steigerung der
Erregbarkeit sensorischer Areale
Ebene der Transmitter
z. B. Gabe von Noradrenalin oder GABA-Antagonisten
oder Erhöhung der Ausschüttung durch therapeutische
Intervention (z.B. Morbus Parkinson)
Weitere Mechanismen (neuronale) Plastizität
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Ebene der Wachstumsfaktoren
z.B. intavenöse Gabe von BDNF (brain-derived
neurotrophic factor)
oder
Erhöhung der BDNF-Produktion durch Training*
Griesbach GS, Hovda DA, Molteni R, Wu A, Gomez-Pinilla F.
Voluntary exercise following traumatic brain injury: brain-derived
neurotrophic factor upregulation and recovery of function.
Neuroscience. 2004;125(1):129-39
Motivation ist ein starker Plastizität fördernder Faktor
Depression ist ein Plastizität behindernder Faktor.
Weitere Mechanismen (neuronale) Plastizität
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Wenn kein Training / Benutzung einer Extremität
stattfindet, schrumpft die corticale Repräsentation über
den Läsionsort hinaus
Nudo RJ, Milliken GW. Reorganization of movement
representations in primary motor cortex following focal ischemic
infarcts in adult squirrel monkeys. J Neurophysiol. 1996
May;75(5):2144-9
Negative neuronale Plastizität
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Elbert T, Rockstroh B. Reorganization of human cerebral cortex: the
range of changes following use and injury. Neuroscientist.
2004;10(2):129-41
•”practice makes perfect”
Übung macht den Meister
•“use it or loose it”
Benutze oder verliere
•“fire together, wire together”
Was zusammen aktiviert wird, wird zusammen verknüpft
•“without reward no changes”
Ohne Belohnung / positive Rückmeldung kein Erfolg
Neurobiologische Prinzipien corticaler
Reorganisation (Zusammenfassung)
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Lernziele
I. Evidenzbasierte Maßnahmen einschätzen lernen
II. Mechanismen der neuronalen Reorganisation kennen
III. Therapeutische Ansätze analysieren können
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Übungstherapie
a. Restitution der beeinträchtigten Funktion durch
spezifisches Training / Therapie
b. Kompensation des Defizits durch erhaltenen
Funktionen
c. Einsatz von Hilfsmitteln zur Funktionsrestitution
Interventionsformen
.
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Neurophysiologische Behandlungskonzepte
•Bobath, PNF, Vojta
•Perfetti, Affolter
•FOTT, etc.
Isoliertes senso-motorisches Üben
Aufgaben-orientiertes Training (= task-orientiertes)
Üben des Gehens, Laufbandtraining
lattform-Training
Forced-use / constraint-induced-movement-therapy
(CIMT)
Interventionsformen - Übungstherapie
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•Spiegeltherapie
•Bewegungsbeobachtung, mentales Üben
•Sensibilitätstraining
•Üben unter rhythmisch-akustischer Stimulation
•Elektrostimulation
•Biofeedback
•Neuromodulation (TMS, tDCS)
•Bilaterale Aktivierung
Weitere Interventionsformen
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Auf welche Grundannahme ist das jeweilige therapeutische
Vorgehen abgestützt? Warum wird das so gemacht?
A. Theoretische Rahmenkonzeption / Begründung des
Vorgehens
Wie sieht das therapeutische Vorgehen konkret aus?
B. Praktische Durchführung
Ist die Wirkung der Therapie durch Studien überprüft und
belegt? Wenn ja welcher Studientyp?
C. Wirkungsnachweis
Analyse der Therapiekonzepte
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A. Theoretische Rahmenkonzeption / Begründung
des Vorgehens
Wiederholtes (repetitives) Training führt zu einer
Vergrößerung der Repräsentationen (corticalen Areale)
im Gehirn
Darüber hinaus verbessert sich die synaptische
Effizienz und Erregungsübertragung innerhalb der
beteiligten kortikalen Neuronenpopulationen
Isoliertes senso-motorisches Üben
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Wenn die Bewegung schneller wird, ist dies das
klinisches Zeichen für die Verbesserung eben der
synaptischen Effizienz und Erregungsübertragung
Asanuma H, Pavlides C: Neurobiological basis of motor learning
in mammals. Neuroreport, 1997; 8: 1-6
Isoliertes senso-motorisches Üben
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B. Praktische Durchführung
Das Prinzip des besteht in der wiederholenden
Ausführung gleicher oder ähnlicher Bewegungen
Geübt werden initial eingelenkige Bewegungen ohne
Schwerkrafteinwirkung, die Komplexität und die
Kraftleistung der Anforderung werden schrittweise
gesteigert
Krafttraining stellt eine Form des isolierten senso-
motorischen Übens dar
Einsatz von elektro-mechanischen und robotergestützten
Systemen
Isoliertes senso-motorisches Üben
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C. Wirkungsnachweis
•Kontrollierte klinische Studien
•Kontrollierte randomisierte Studien
Verbessert Kraft und Aktivität in beübter Muskulatur
Bütefisch C, Hummelsheim H, Denzler P et al.: Repetitive
training of isolated movements improves the outcome of motor
rehabilitation of the centrally paretic hand. J Neurol Sci, 1995; 130:
59-68
Isoliertes senso-motorisches Üben
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Wirkungsnachweis Krafttraining
•Review mehrerer randomisierter kontrollierter Studien
Verbessert Kraft und Aktivität in beübter Muskulatur
ohne Verstärkung der Spastik
Ada L, Dorsch S, Canning CG. Strengthening interventions
increase strength and improve activity after stroke: a systematic
review. Aust J Physiother. 2006;52(4):241-8
Pak S, Patten C. Strengthening to promote functional recovery
poststroke: an evidence-based review. Top Stroke Rehabil.
2008;15(3):177-99
Isoliertes senso-motorisches Üben
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A. Theoretische Rahmenkonzeption / Begründung
des Vorgehens
Initial frustrierende Bewegungsversuche führen zu einem
Nichtgebrauch und zwar auch dann, wenn die neuronale
(Re-)Organisation funktionelle Fertigkeiten (wieder)
ermöglichen würden („learned non-use“)
Durch die Immobilisierung der nichtbetroffenen
Extremität muss die betroffene Extremität bei
Alltagsaktivitäten eingesetzt werden Provokation der
für eine neuronale Reorganisation notwendigen Aktivität.
Erzwungener Gebrauch
Forced use / Constraint induced movement Therapy
(CIMT)
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B. Praktische Durchführung
Die nicht betroffene obere Extremität wird durch eine
Schiene, einen Handschuh oder eine Armschlinge
immobilisiert
Die Restriktion wird während der Wachstunden getragen
und die anfallenden Alltagsaktivitäten mit der betroffenen
Seite ausgeführt
Forced use bedeutet nur Schiene tragen
CIMT zusätzlich aufgabenspezifisches Training
Erzwungener Gebrauch
Forced use / Constraint induced movement Therapy
(CIMT)
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C. Wirkungsnachweis
•Kontrollierte randomisierte Studien
Funktionsverbesserung
Vermehrter Alltagseinsatz der betroffenen Seite
van der Lee JH, Wagenaar RC, Lankhorst GJ, Vogelaar TW,
Deville WL, Bouter LM. Forced use of the upper extremity in
chronic stroke patients: results from a single-blind randomized
clinical trial. Stroke 1999; 30(11): 2369-75
Willis JK, Morello A, Davie A. Forced-use treatment of childhood
hemiparesis. Pediatrics, 2002; 110: 94-96
Erzwungener Gebrauch
Forced use / Constraint induced movement Therapy
(CIMT)
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A. Theoretische Rahmenkonzeption / Begründung des
Vorgehens
Bewegungsvorstellung und Bewegungsbeobachtung
aktivieren dieselben Hirnareale wie die tatsächliche aktive
Ausführung und verstärken die Bewegungsrepräsentation
Spiegelneurone sind die Neurone, welche „feuern“,
wenn wir eine Bewegung beobachten
Cattaneo L, Rizzolatti G. The mirror neuron system. Arch Neurol. 2009
May;66(5):557-60
Spiegeltherapie
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Wiederherstellung der Bewegungsrepräsentation und
Steigerung der motorischen Erregbarkeit durch die
visuelle Stimulation
Bei synchroner Führung der betroffenen Extremität
werden auch Mechanismen der bilateralen
Funktionsrestitution diskutiert
Moseley GL, Wiech K. The effect of tactile discrimination training
is enhanced when patients watch the reflected image of their
unaffected limb during training. Pain. 2009 Aug;144(3):314-9
Spiegeltherapie
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B. Praktische Durchführung
Der Patient wird aufgefordert, eine Bewegung mit der
nicht betroffenen Hand durchzuführen und diese
Bewegung in einem sagittal gestellten Spiegel zu
beobachten
Die Bewegung des betroffenen Armes hinter einem
Spiegel kann entweder vom Patienten gleichzeitig aktiv
durchgeführt, mental vorgestellt oder vom Therapeuten
passiv bewegt werden
Spiegeltherapie
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C. Wirkungsnachweis
• Einzelfallstudien und eine kontrollierte randomisierte
Studien
Kraft und Sensibilitätsverbesserung
Altschuler EL, Wisdom SB, Stone L, Foster C, Galasko D,
Llewellyn DM, Ramachandran VS. Rehabilitation of hemiparesis
after stroke with a mirror. Lancet. 1999 (12) ;353:2035-6
Dohle C, Püllen J, Nakaten A, Küst J, Rietz C, Karbe H. Mirror
therapy promotes recovery from severe hemiparesis: a randomized
controlled trial. Neurorehabil Neural Repair. 2009;23(3):209-17
Spiegeltherapie
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The development of a clinical practice stroke guideline
for physiotherapists in The Netherlands: a systematic
review of available evidence
van Peppen RP, Hendriks HJ, van Meeteren NL, Helders PJ,
Kwakkel G.: Disabil Rehabil. 2007 May 30;29(10):767-83
Von 9482 relevanten Studien wurden 322 selektioniert
Ergebnisse
65 Empfehlungen zur Wahl der physiotherapeutischen
Maßnahmen…
Clinical practice stroke guideline for
physiotherapists in The Netherlands
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Empfehlungsgrad 1
•Hohe Trainingsintensität
•Aufgaben (task)-spezifisches Training
•Kontext-spezifisches Training
•Plattformtraining (posturale Kontrolle im Stehen)
•Funktionelles Krafttraining paretischer Muskeln
•Laufbandtraining (mit und ohne Gewichtsentlastung)
•CIMT
•TENS (zur Reduktion der Spastik)
Clinical practice stroke guideline for
physiotherapists in The Netherlands
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Empfehlungsgrad 2
•Mentales Üben motorischer Fertigkeiten
•Rhythmisch-akustische Stimulation
•Spiegeltraining
•Üben mit Biofeedback
•EMG-initialisierte elektrische Muskelstimulation
•Sprunggelenks-Orthesen
•Aufblasbare Schienen
•Dehnen (Finger, Handgelenk)
•Lagerungen
Clinical practice stroke guideline for
physiotherapists in The Netherlands