Photobiomodulation gegen Parkinson, beginnende Demenz, Depression

Was ist PBM-Photobiomodulation?

Die Photobiomodulation (PBM) beschreibt die Verwendung von rotem oder nahem Infrarotlicht zur Stimulierung, Heilung, Regeneration und zum Schutz von Gewebe, das entweder verletzt wurde, degeneriert oder vom Sterben bedroht ist. Eines der Organsysteme des menschlichen Körpers, das für das Leben am notwendigsten ist und dessen optimale Funktion von der Menschheit im Allgemeinen am meisten befürchtet wird, ist das Gehirn.

Das Gehirn leidet unter vielen verschiedenen Störungen, die in drei große Gruppen eingeteilt werden können: traumatische Ereignisse (Schlaganfall, traumatische Hirnverletzung und globale Ischämie), degenerative Erkrankungen (Demenz, Alzheimer und Parkinson) und psychiatrische Störungen (Depressionen, Angstzustände, posttraumatische Erkrankungen) Belastungsstörung). Es gibt Hinweise darauf, dass all diese scheinbar unterschiedlichen Zustände durch das Aufbringen von Licht auf den Kopf positiv beeinflusst werden können. Es besteht sogar die Möglichkeit, dass PBM zur Verbesserung der kognitiven Fähigkeiten bei normalen gesunden Menschen eingesetzt werden kann. Bei dieser transkraniellen PBM (tPBM) -Anwendung wird aufgrund der besseren Penetration häufig Licht im nahen Infrarot (NIR) auf die Stirn aufgebracht.

Indikationen
1. Traumatische Ereignisse (Schlaganfall, traumatische Hirnverletzung und globale Ischämie).
2. Degenerative Erkrankungen (Demenz, Alzheimer und Parkinson).
3. Psychiatrische Störungen (Depressionen, Angstzustände, posttraumatische Belastungsstörungen).Kontra-Indikationen
1. Vermeiden Sie direkten Kontakt gegenüber Augen, Bauch schwangerer Frauen, Melanomen und braunen Flecken.
2. Nicht einsetzen bei Patienten mit malignen Tumoren im Früh- und Mittelstadium.
3. Nicht einsetzen bei Patienten mit akuten Blutungsstörungen.

Univ.-Prof. DI DDr. Gerhard Litscher der medizinische Universität Graz hat den Biophotonenhelm eingehend getestet. Lesen Sie hier seinem Befund.

Gerhard Litscher
TRANSKRANIELLE, FREQUENZMODULIERTE PHOTOBIOMODULATION
Forschungseinheit für komplementäre und integrative Lasermedizin, Forschungseinheit für biomedizinische Technik in
Anästhesie und Intensivmedizin, TCM-Forschungszentrum Graz, Medizinische Universität Graz, Österreich

Zusammenfassung
Die transkranielle Photobiomodulationstherapie (PBM) stellt eine innovative optische Stimulationsmethode zur Verbesserung der Gehirnfunktion dar. In dieser Arbeit wird eine neue Helmkonstruktion vorgestellt. Das Equipment liefert frequenzmodulierte Stimuli und besteht aus 256 Infrarot-LEDs (lichtemittierende Dioden; Wellenlänge 810 nm; Dauer- oder Frequenzmodus;
24 mW/cm2 ; insgesamt ~ 15 W im Dauerbetrieb). Der Bispektralindex (BIS), die Herzrate (HR), die Herzratenvariabilität (HRV), Thermografiebilder und der Blutdruck wurden bei einem 61-jährigen Probanden unter verschiedenen Bedingungen (kontinuierlich, 2 Hz, 40 Hz, 136,1 Hz und Placebo) ermittelt. Die Interventionen zeigten bei allen Modalitäten eine Abnahme des
BIS, außer während der Placebositzung. Die größte BIS-Abnahme wurde bei einer Frequenz von 136,1 Hz festgestellt. Es ist interessant, dass die Abnahme auch bei dieser speziellen Frequenz („Om-Frequenz“ in Meditation) am stabilsten war und dass der Effekt viel länger anhielt, als dies bei den anderen Stimulationstechniken der Fall war. Eine Abnahme der HR und Einflüsse von Blutdruckwellen (0,1 Hz) traten in der Spektralanalyse der HRV vorwiegend auch während dieser 136,1-Hz-Stimulation auf. Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass die zerebrale PBM unter Verwendung eines neuen Helms bioelektrische und andere neurospezifische Parameter in Abhängigkeit von der Frequenz der Stimulation modulieren kann.

Einleitung
Die zerebrale Photobiomodulationstherapie (PBM) wurde als innovative Stimulationstechnik zur Verbesserung der Gehirnfunktion eingeführt. Die moderne Technik beinhaltet die Exposition von Nervengewebe gegenüber Licht – im Bereich von < 1 bis > 20 J/cm2 und bei Wellenlängen im Bereich von Rot bis Nahinfrarot (NIR) (600–1100nm) [1]. Eine neue Methode für die zerebrale Applikation von Licht stellt die Entwicklung von Helmkonstruktionen dar, für die bisher nur sehr wenig wissenschaftliche Arbeit geleistet wurde. Nur die Forschungsgruppe des Autors dieses Artikels berichtete über erste wissenschaftliche Beweise in zwei Leitartikeln mit unterschiedlichen Prototypen von Helmkonstruktionen und kontinuierlicher Laser- oder LED-Stimulation (LED = light emitting diodes; Leuchtdioden) [2,3].

In diesem Beitrag wird eine neue verbesserte Helmkonstruktion vorgestellt, die es erstmals erlaubt, frequenzmodulierte Reize an das menschliche Gehirn auf nicht invasivem Weg abzugeben. Um das Potenzial der Methode zu klären, wurden verschiedene neuromodulatorische Reaktionsmöglichkeiten experimentell erprobt. Die Messparamter und -bewertungen waren der elektroenze-phalografische Bispektralindex (BIS), Herzratenanalysen (HR), Herzratenvariabilitätsanalysen (HRV), Wärmebilder
und Blutdruckmessungen (BP). ​

Methode

LED-Helm zur Stimulation mit verschiedenen Frequenzen
Der neu entwickelte LED-Helm wird erstmals unter Verwendung unterschiedlicher Frequenzen vorgestellt und
experimentell am Menschen eingesetzt (Abb. 1). Das Instrument besteht aus Infrarot-LEDs mit einer Wellenlänge von 810 nm. Für den neuen Stimulationshelm wurden insgesamt 256 LEDs verwendet (Abb. 2). Die Untersuchungen wurden mit allen LEDs (n = 256) im aktiven oder nicht aktiven (Placebo-)Modus (aktiv: Dauer- oder Frequenzmodus; 60 mW; eine LED: 24 mW/cm2
; ~ 15 W Gesamthelm (Dauerbetrieb) durchgeführt) [3]. Die Dauer der Stimulation betrug 20 Minuten. Zusätzlich zu dem
kontinuierlichen und dem Placebozustand (Stimulation aus) wurden die folgenden Stimulationsfrequenzen verwendet: 2 Hz, 40 Hz und 136,1 Hz („Om-Frequenz“ aus Meditation). Die Abb. 2 zeigt den Helm mit den LEDs und dem Bedienungsboard.
Als Bewertungsparameter wurden BIS, HR, HRV, Wärmebilder und BP herangezogen.

Bispektraler Index (BIS)
Das VISTA-Überwachungssystem BISTM (Bispectral Index) (s. Abb. 1, linke Seite, unteres Equipment) ist ein Instrument
zur Beurteilung der Anästhesietiefe und des Bewusstseinsniveaus [4]. Es überwacht die Narkosetiefe und die Wirkung bestimmter Anästhetika und Beruhigungsmittel auf das Gehirn eines Patienten durch Datenerfassung und Interpretation elektroenzephalografischer (EEG-)Signale. Die nicht invasive Messung ermöglicht normalerweise ein kontinuierliches Überwachen der individuellen Reaktion des Patienten auf Sedierung und/oder Anästhesie [4]. Die Elektroden sind einfach anzubringen und die Position des aus vier Elektroden bestehenden Einwegsensors ist in Abb. 3 dargestellt.
Der BIS TM Quatro-Sensor (Medtronic, Minneapolis, USA) bietet einfache Abzieh- und Fixierfunktionen mittels ‚Mininadeln‘ (ZipprepTM -Technologie) [5] und die Methode ermöglicht eine EEG-Datenerfassung über den Sensor, der an der Stirn des Probanden angebracht wird.

Für die aktuellen Experimente wurde der linke Frontalbereich der Versuchsperson verwendet.

Herzratenvariabilität (HRV)
Für die elektrokardiografischen Messungen wurden drei Klebeelektroden (Skintact Premier F-55; Leonhard Lang GmbH, Innsbruck, Österreich) auf den Thorax aufgebracht. Die Registrierung des Elektrokardiogramms (EKG) wurde mit einem Medilog AR12 HRV-System (Huntleigh Healthcare, Cardiff, Vereinigtes Königreich) durchgeführt.
Das Gerät hat eine Abtastrate von 4096 Hz und die Rohdaten wurden auf einer Speicherkarte archiviert. Die mittlere HR, die Gesamt-HRV und das LF (Niederfrequenz)/ HF (Hochfrequenz)-Verhältnis der HRV wurden als elektrokardiografische Bewertungsparameter gewählt. Diese Variablen werden von der Task Force der Europäischen Gesellschaft für Kardiologie und der Nordamerikanischen Gesellschaft für Stimulation und Elektrophysiologie empfohlen [6].

Die RR-Zeitintervalle wurden kontinuierlich gemessen und über Zeiträume von 5 Minuten analysiert (vgl. Abb. 4 a–f). Fast Fourier Transformation (FFT) wurde verwendet, um einige der HRV-Parameter im Spektralbereich zu berechnen [7].

Thermografie
Für die Temperaturmessungen wurde eine Infrarotkamera Flir i7 (Flir Systems Inc., Portland, USA) verwendet. Vor, während und nach der Stimulation wurden Wärmebilder zur Bewertung des Temperatureffekts der Helmstimulation aufgenommen. Diese Wärmebildkamera arbeitet in einem Wellenlängenbereich von 7,5–13 μm und die Brennweite der Infrarotlinse beträgt f = 6,8 mm. Die Genauigkeit der Kamera liegt bei ± 2% des Messwerts und die Infrarotauflösung beträgt 140 x 140 Pixel. Die Analy-
seorte für die thermografischen Messungen waren die Bereiche um den Helm und das Gesicht des Probanden.
In diesen Regionen wurde der höchste Temperaturwert innerhalb des zu analysierenden Bereichs markiert.

Experimente
Im Experiment wurde ein gesunder männlicher Erwachsener im Alter von 61 Jahren untersucht. Der Freiwillige
hatte zum Zeitpunkt der Untersuchung keine neurologischen, kardiovaskulären oder respiratorischen Erkrankungen oder Medikamente zu sich genommen. Das Experiment, das nur nicht invasive Messmethoden umfasste, wurde von der der Medizinischen Universität Graz genehmigt und die Messungen wurden gemäß der Erklärung von Helsinki durchgeführt.
Zunächst ruhte sich die Person 10 Minuten auf einer Patientenliege aus, um sich an die Raumbedingungen (Temperatur, Position, Atemstabilisierung) anzupassen. Als nächstes wurden nach dem Aufsetzen des Helms Wärmebilder des Helms und des Gesichts des Probanden aufgenommen (Abb. 4, Position A). Wärmebilder derselben Orte wurden am Ende des Stimulationsprozesses (Abb. 4, Position B) und am Ende des Messvorgangs (Abb. 4, Position C) registriert. Abb. 4 zeigt das experimentelle Prozedere. Zusätzlich wurden der systolische (BPsys) und diastolische (BPdiast) Blutdruck vor, während und nach der Stimulation unter Verwendung einer Armo-EKG-Uhr (Armo, Shenzhen, China) gemessen. Der Blutdruck wurde vor der ersten 5-minütigen Ruhezeit am linken Handgelenk (Abb. 4, Position A) zusammen mit Wärmebildern registriert. Nach diesem Vorgehen wurde eine Ruhephase von mindestens 5 min eingehalten, um stationäre Bedingungen zu erhalten. Nach dieser 5-minütigen Periode begann die Stimulation oder der Placebozustand (s. Abb. 4, Stimulation). Während der letzten 2 Minuten dieser Phase wurden erneut BP-Messungen und thermografi scheBilder – wie zuvor erwähnt – aufgenommen (Abb. 4, Position B). Nach der zweiten Ruhezeit (Abb. 4, Phase f) wurden die letzten Blutdruck- und Temperaturmessungen durchgeführt (Abb. 4, Position C).

Ergebnisse
In dieser experimentellen Studie wurden drei Hauptarten von Messanalysen durchgeführt, die im Folgenden beschrieben werden.Bispektraler Index (BIS)
Abb. 5 zeigt die BIS-Werte des gesunden Freiwilligen unter verschiedenen Bedingungen. Die BIS-Werte sanken
während der kontinuierlichen transkraniellen PBM signifi kant auf Werte unter 80 (Minimum 57) (Abb. 5, linker oberer Teil). Der BIS wurde durch die Verwendung unterschiedlicher Stimulationsfrequenzen signifikant beeinflusst, die Bereiche waren allerdings klinisch nicht relevant. Alle Interventionen zeigten jedoch deutliche BIS-Abnahmen mit Ausnahme der Placebophase (Abb. 5, unterer Teil). Unter Placebobedingungen lag kein BIS-Wert unter 80. Die größte mittlere Abnahme des BIS-Parameters wurde bei einer Frequenz von 136,1 Hz festgestellt. Es ist äußerst interessant, dass die Abnahme der BIS-Werte auch bei dieser speziellen Frequenz („Om-Frequenz“) am stabilsten war und dass der Effekt viel länger anhielt als bei den anderen Stimulationstechniken.Herzrate (HR) und Herzratenvariabilität (HRV)
Die Ergebnisse der mittleren HR von den EKG-Aufzeichnungen vor, während und nach den verschiedenen Bedingungen des Probanden sind in der Abb. 6 dargestellt. Die Resultate zeigen einen Anstieg der Werte unter den meisten Bedingungen mit Ausnahme der Frequenzstimulation von 136,1 Hz. Bei Verwendung dieser Frequenz nahm die HR ab (siehe rote Linie in Abb. 6).
Die Analyse der gesamten HRV ist in der Abb. 7 dargestellt. Es wurden keine markanten Änderungen gefunden. Eine detaillierte Spektralanalyse ergab jedoch interessante Ergebnisse. Diese sollen im folgenden Diagramm veranschaulicht und dokumentiert werden (Abb. 8).
Die Ergebnisse der sogenannten „Lebensfeuer“-Analyse [7,8] des Probanden sind in der Abb. 8 dargestellt. Bei dieser Person traten in der Spektralanalyse starke Einflüsse von Blutdruckwellen (~ 0,1 Hz) auf. Diese Einflüsse manifestierten sich vorwiegend während der 136,1-Hz-Stimulation und auch ein wenig während der kontinuierlichen Stimulation, jedoch noch nicht so deutlich während der anderen Modalitäten. Im Gegensatz dazu war während der 40-Hz- und auch geringfügig während der 2-Hz-
Stimulation der Einfluss der respiratorischen Sinusarrhythmie (~ 0,25 Hz) vorhanden. Während der Placebophase traten nur sehr kleine Modulationen im Atemfrequenzband (~ 0,25 Hz) und im Blutdruckfrequenzband (~ 0,1 Hz) auf, die mithilfe der FFT ebenfalls dokumentiert werden konnten.
Darüber hinaus zeigte eine kontinuierliche HR-HRV-Überwachung einen Anstieg des LF/HF-Verhältnisses während und nach der Stimulation im Verhältnis zu den Basiswerten. Erwähnt werden soll aber auch, dass auch die Placebomessung diese Erhöhungen zeigte (Abb. 9).

Thermografie und Blutdruck (BP)
Abb. 10 präsentiert die Ergebnisse der Wärmebilder, die vor, während und nach den verschiedenen Sitzungen aufgenommen wurden. Der höchste Temperaturanstieg am Messpunkt „Helm“ wurde bei kontinuierlicher Stimulation festgestellt (+ 11,5°C). Nach Stimulation mit 136,1 Hz betrug der Temperaturanstieg des Helms nur 5,3°C. Während der Placebophase lagen die Veränderungen unter 2,5°C. Im Gegensatz dazu wurden nach Stimulation mit 136,1 Hz die höchsten Veränderungen der Gesichts-temperatur (+ 2,9°C; Position der linken Wange) festgestellt. Die BP-Werte sind in Tab. 1 zusammengefasst. Man beachte, dass die höchste Änderung ebenfalls bei der Stimulationsfrequenz von 136,1 Hz erneut auftritt.

Diskussion
Die zerebrale PBM [1] ist eine neue Behandlungsoption, die sich noch in der experimentellen Entwicklungsphase befindet. Sie wurde jedoch vereinzelt bereits bei verschiedenen Ansätzen wie Hirnverletzung und Schlaganfall [9] oder zerebraler Ischämie [10, 11], Alzheimer-Krankheit [12], depressiven Störungen [13], kognitiver Rehabilitation [14] und vielen anderen Krankheiten eingesetzt.
Die am häufigsten verwendete Methode der zerebralen PBM ist die kontinuierliche Lichtstimulation. In jüngster Zeit gab es jedoch auch wissenschaftliche Beweise dafür, dass bestimmte frequenzmodulierte optische Stimulationen einen ganz besonderen Einfluss auf die neuronalen Funktionen haben könnten. Beispielsweise wird berichtet, dass die transkranielle PBM mit einem 1064-nm-Laser den Rhythmus des EEGs des Gehirns modulieren kann [15]. In unseren Experimenten verwendeten wir LED-Stimulation anstelle von Laserstimulation. Interessanterweise gab es insbesondere bei einer Frequenz von 40 Hz und noch stärker ausgeprägt bei 136,1 Hz (sog. „Om-Frequenz“) signifikante Änderungen der EEG-Aktivität. In diesem Zusammenhang wird in einer Studie von Hauswald u. Mitarb. 2015 [16] berichtet, dass während der Zen-Meditation unter Verwendung der Om-Frequenz die hochfrequente EEG-Gammafrequenz im cingulären Kortex und im somatosen-sorischen Kortex positiv mit dem Grad der Aufmerksamkeit korrelierte [17]. Unsere Ergebnisse unterstreichen ferner die EEG-Ähnlichkeiten (BIS) der transkraniellen LED-induzierten Sedierung und die während Narkose. Ähnliche Ergebnisse wurden auch von Litscher bereits 2004 während verschiedener Stimulationen (Akupressur, Laserstimulation usw.) des Yintang-Akupunkturpunktes berichtet [18].Bereits 2016 haben Iaccarino u. Mitarb. [19] erstmals über die positiven Auswirkungen der Wiederherstellung von Gamma-Oszillationen (40 Hz) im visuellen Kortex bei einem Mausmodell mit Alzheimer berichtet. Durch optogenetisches Ansteuern von FS-PV-Interneuronen bei einer Gammafrequenz (40 Hz) – jedoch nicht bei anderen Frequenzen – wurden die Amyloid-ß (A ß)1-40- und A ß1-42-Isoformen verringert.
Es folgten zahlreiche weitere Untersuchungen, aber Skepsis und Zurückhaltung sind bis heute angebracht, ob eine 40-Hz-Stimulation für neue Strategien zur möglichen Behandlung der Alzheimer-Krankheit in Zukunft eingesetzt werden könnte. Bis heute kann nur spekuliert werden.
In unseren experimentell durchgeführten BIS-Messungen wurde jedoch gezeigt, dass die Stimulationsfrequenz von 40 Hz einen (möglicherweise sedierenden) Einfluss auf die bioelektrische Funktion des Gehirns haben kann, welche im Einzelfall größer sein kann als die einer kontinuierlichen Stimulation. Sie erreicht jedoch nicht den Effekt, der mit einer Frequenz von 136,1 Hz erreicht werden kann. Bei letzterem zeigt sich auch ein Niveau eines länger anhaltenden Effekts (vgl. Abb. 5). Diese vorläufigen Ergebnisse werden durch die Resultate der neuromodulatorischen Parameter untermauert, die auch in unseren Experimenten erhoben wurden. Die Verringerung der HR bei einer Frequenz von 136,1 Hz deutet auch auf die beruhigende Wirkung dieser Stimulationsfrequenz hin (vgl. Abb. 6). Unsere Ergebnisse zeigten auch Hinweise, dass unter einer Stimulation mit 136,1 Hz ein Einfluss auf das 0,1-Frequenzband HRV bestehen kann. Die 0,1-Hz-Schwingungen im Herzen und im Gehirn scheinen gekoppelt zu sein, was auf zentrale Schrittmacher im Herzrhythmus hinweist [20].
Schwarz u. Mitarb. erbrachten erst neulich den Nachweis, dass das Atmen mit 6 Atemzügen pro Minute die Kohärenz der 0,1-Hz-Schwingungen induziert und so die physische und psychische Funktion beeinflussen kann. Die Autoren [20] fassten zusammen, dass „die Ergebnisse zeigen, dass die Funktion des Zentralnervensystems den Herzrhythmus verändert und umgekehrt, was darauf hindeutet, dass die HRV ein nützlicher Indikator für die zentralautonome Integration sein könnte und dass 0,1-Hz-Oszillationen eine wichtige Rolle bei der physischen Entwicklung und auch der mentale Gesundheit durch Optimierung der Energie-versorgung spielen können“ [20].
Unsere Ergebnisse in Bezug auf die Thermografiemessungen und die Blutdruckregistrierungen sind schlüssig und zusammen mit den Ergebnissen der anderen Bewertungsparameter erklärbar. Beispielsweise wurde bei der Stimulationsfrequenz von 136,1 Hz der größte Blutdruck-abfall von allen durchgeführten Messungen registriert (vgl. Tab. 1).
An dieser Stelle sollte jedoch auch angemerkt werden, dass die vorliegende Studie und ihre vorläufigen Ergebnisse nur dazu dienen, ein neues Helmdesign vorzustellen, und dass das Potenzial der Methode mit den ersten vorläufigen Daten dokumentiert werden soll. In diesem Sinne sind auch diese ersten Ergebnisse zu sehen, weshalb auch keine allgemeine Interpretation vorgenommen wurde. Dennoch erscheint die Tatsache, dass bei einer Stimulation von 136,1 Hz („Om-Frequenz“) die größten sedierenden Wirkungen festgestellt werden konnten, nicht uninteressant. Aus diesem Grund sollen diese ersten vorläufigen Resultate eines experimentellen Datensatzes durch diese Veröffentlichung auch der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt werden. Vielleicht kann dies weitere Forschungen anregen, die dann mehr Klarheit zur Thematik bringen können.Konklusion
In dieser Studie wird eine neue Helmkonstruktion für PBM vorgestellt und aufgezeigt, dass die Stimulation mit
verschiedenen Frequenzen zu unterschiedlichen elektroenzephalografischen und neuromodulatorischen Effekten führen kann. Darüber hinaus hat die Placebostimulation keinen ähnlichen Effekt gezeigt. Dies weist darauf hin, dass neben der kontinuierlichen Stimulation auch frequenzbezogene Stimulationstechniken bei der Verbesserung der Leistung der PBM äußerst hilfreich sein können.

Danksagung
Der Autor dankt Frau Yan Yang, MA für die wertvolle Mithilfe bei der Datenerfassung. Frau Yang von der Heilongjiang Universität für Chinesische Medizin in Harbin, China absolvierte einen sechsmonatigen Forschungsaufenthalt an der Medizinischen Universität Graz, der durch ein Stipendium von Eurasia-Pacific Uninet unterstützt wurde. Professor Gerhard Litscher ist außerdem Gastprofessor an der Heilongjiang Universität für chinesische Medizin in Harbin, China. Die Studie wurde in modifizierter Form in der Zeitschrift Evid Based Complement Alternat Med im Februar 2020 in modifizierter Form zur Publi-
kation eingereicht [21].