Het verbeteren van neuroplasticiteit en motorisch leren door middel van hersenstimulatietechnieken

Neuroplasticiteit verwijst naar het vermogen van het brein om zich aan te passen als gevolg van ervaringen. Dit geeft aan dat het brein plastisch en vervormbaar is. Met synaptische plasticiteit wordt bedoeld dat synapsen versterken of verzwakken als gevolg van een stijging of daling van activiteit. In de klinische context bepaalt synaptische plasticiteit hoe patiënten met een hersenletsel kunnen herstellen, bv. na een beroerte, om terug onafhankelijk te kunnen functioneren en om dagelijkse activiteiten uit te voeren (bv. aankleden, eten, zelfzorg en persoonlijke hygiëne). Eerdere studies hebben aangetoond dat plasticiteit kan worden verbeterd door verscheidene mechanismen.

In dit doctoraatsproject testten we in hoeverre niet-invasieve hersenstimulatie neuroplasticiteit kan beinvloeden.

Ten eerste testten we of beloningsinterventies neuroplasticiteit kunnen verhogen. Het werd reeds aangetoond bij mensen dat beloningen in de vorm van geldbedragen, het leren en in het bijzonder het behoud van nieuwe motorische vaardigheden op lange termijn kan verbeteren. Het fysiologische substraat dat dit effect bemiddelt, is waarschijnlijk dopamine (DA); een neuromodulator die cognitieve, emotionele, motivationele en motorische processen beïnvloedt.

Ten tweede testten we het effect van transcraniële gelijkstroomstimulatie (tDCS) bij gezonde jonge vrijwilligers. Eerder onderzoek suggereert dat anodale tDCS over de primaire motorische cortex (M1) synaptische plasticiteit kan bemiddelen door modulatie van NMDA receptor afhankelijke processen. We pasten anodale versus sham tDCS toe terwijl de proefpersonen herhaaldelijk flexiebewegingen van de duim uitvoerden. Het repetitieve oefenen van deze taak leidt tot prestatieverbeteringen en gebruiksafhankelijke plasticiteit vloeit vervolgens voort uit NMDA-receptor geïnitieerde langdurige potentiatie (LTP)-achtige processen. Ondanks de vele aandacht die tDCS verkreeg door de eenvoudige toepassing in een klinische context, zijn de onderliggende mechanismen nog niet duidelijk. Om de werkingsmechanismen te bestuderen, werd besloten een diermodel te ontwikkelen.

In het derde experiment onderzochten we beroerte in een diermodel. We trachtten het effect van anodale tDCS over M1 aan de zijde van de laesie te testen, terwijl ratten doelgerichte reiktaken uitvoerden met hun ledematen dmv een pasta matrix. Deze aanpak laat toe om het gebruik van de ledematen te manipuleren en om menselijke klinische verschijnselen na te bootsen. We induceerden een fototrombotische beroerte in M1 contralateraal van de gewenste ledematen. Deze fototrombotische beroerte in het diermodel beoogt ischemische schade in een corticaal gebied te induceren via de foto-activatie van een in de bloedbaan ingespoten lichtgevoelige kleurstof.

We concludeerden dat gedragsmatige markers van gebruiksafhankelijke plasticiteit verrassend ongevoelig zijn voor monetaire beloning of straf, welke mogelijks kunnen voortvloeien uit de aard van de taak. Onze gegevens suggereren dat anodale tDCS langdurige geheugenvorming vergemakkelijkt wat gebruiksafhankelijke plasticiteit reflecteert. Dit ondersteunt het idee dat anodale tDCS synaptische plasticiteit vergemakkelijkt dmv een LTP-mechanisme. Onze gegevens toonden ook aan dat bij post-stroke ratten de toepassing van anodale tDCS tijdens het trainen van een reiktaak haalbaar is. Dit blijkt daarenboven gunstig te zijn voor het herstel van de bovenste ledematen, maar enkel wanneer de dieren de reiktaak trainen. De beschikbaarheid van een diermodel dat kan worden gebruikt om revalidatie training bij mensen nauwkeurig na te bootsen, opent nieuwe mogelijkheden voor het verkrijgen van een beter inzicht in het mechanisme en de onderliggende principes. Onze resultaten suggereren dat tDCS een veelbelovende aanvullende therapie is die motorisch herstel na een beroerte kan vergemakkelijken.