Transkranieller fokussierter Ultraschall induziert quellenspezifisch lokalisierbare kortikale Aktivität bei ruhenden Menschen, wenn er gleichzeitig mit transkranieller elektrischer Stimulation angewendet wird

Das Gehirn feinjustieren ohne Operation

Stellen Sie sich vor, man könnte eine sehr präzise Stelle im Gehirn sanft anstoßen, ohne den Schädel zu öffnen – Ärzten würde das erlauben, Depressionen, Epilepsie oder Bewegungsstörungen mit weniger Nebenwirkungen zu behandeln. Diese Studie untersucht, ob sich zwei nichtinvasive Methoden – schwache elektrische Ströme auf der Kopfhaut und gezielt ausgerichtete Ultraschallwellen – kombinieren lassen, um ein kleines Areal der menschlichen Großhirnrinde selektiv zu „wecken“, während die Person einfach ruhig mit geschlossenen Augen ruht. Die Arbeit trägt zur Klärung einer wichtigen Debatte bei: Wirkt fokussierter Ultraschall wirklich auf bestimmte Hirnareale, oder sind seine Effekte größtenteils Nebenwirkungen durch Schall im Ohr?

Zwei unterschiedliche Wege, Nervenzellen anzuregen

Die Forschenden arbeiteten mit zwei Werkzeugen, die das Gehirn jeweils auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) leitet einen sehr schwachen, konstanten elektrischen Strom zwischen Elektroden auf der Kopfhaut. Allein löst sie üblicherweise kein Feuern von Nervenzellen aus; vielmehr macht sie diese etwas wahrscheinlicher oder weniger wahrscheinlich, auf andere Eingaben zu reagieren. Transkranieller fokussierter Ultraschall (tFUS) dagegen sendet Schallwellen durch den Schädel, die auf kleine Regionen von wenigen Millimetern konzentriert werden können. Tier- und Humanstudien deuten darauf hin, dass diese Druckwellen winzige mechanische Sensoren in Zellmembranen anziehen und so subtil die Erregbarkeit von Neuronen verändern können. Die zentrale Frage war, ob tFUS für sich genommen zuverlässig Aktivität in einem ausgewählten Areal der menschlichen Rinde auslösen kann, oder ob sein Haupteffekt einfach darin besteht, hörbare Pulsschläge zu erzeugen, die das Hörsystem aktivieren.

Eine neue Kombination: Elektrizität plus Ultraschall

Das Team untersuchte 27 gesunde Freiwillige im Ruhezustand und zeichnete ihre Hirnaktivität mit Ganzkopf-Elektroenzephalographie (EEG) auf. Sie testeten drei Hauptbedingungen, die auf den linken motorischen Kortex zielten, die Region, die Bewegungen der rechten Hand steuert. In einer wurde nur tDCS angelegt. In einer anderen wurde nur tFUS angewendet, mit verschiedenen Pulsmustern, die entweder erregend oder hemmend auf Neuronen wirken sollten. In der dritten, sogenannten transkraniellen elektro-akustischen Stimulation (tEAS), setzten sie tDCS und tFUS gleichzeitig ein, sodass eine schwache elektrische Verschiebung und ein mechanischer Impuls dieselbe Gruppe von Neuronen gemeinsam erreichten. Zusätzlich verwendeten sie Kontrollkonfigurationen, bei denen Ultraschall auf eine andere Hirnregion gerichtet wurde, um echte lokale Effekte von großflächigen oder auditorischen Reaktionen zu unterscheiden.

Was die Hirnsignale zeigten

Mit EEG konnten die Wissenschaftler nicht nur Oberflächensignale betrachten, sondern mathematisch rekonstruieren, wo im Inneren des Gehirns diese Signale wahrscheinlich entstammten. Bei der Analyse der ersten 200 Millisekunden nach jedem Stimulus fanden sie, dass tFUS allein klare, wiederkehrende Aktivitätspeaks bei ungefähr 30, 90 und 170 Millisekunden erzeugte. Diese Reaktionen verteilten sich jedoch symmetrisch über beide Seiten des Kopfes und ließen sich hauptsächlich auf Hörareale und tiefere Strukturen zurückverfolgen – nicht auf den anvisierten motorischen Kortex. Auffällig war, dass dieselbe Art von Reaktion erschien, egal ob der Ultraschall auf den motorischen oder auf den präfrontalen Kortex gerichtet war; fortgeschrittene statistische Tests stützten, dass diese Muster im Wesentlichen gleich waren. Zusätzliche Konnektivitätsanalysen zeigten, dass Ultraschall den Informationsfluss vom primären auditorischen Kortex zu tiefen Hirnregionen verstärkte, selbst wenn die Pulsrate zu hoch war, um bewusst gehört zu werden. Kurz gesagt: Die starken EEG-Signale von tFUS allein sahen aus und verhielten sich wie auditorisch getriebene Reaktionen, nicht wie fokale kortikale Stimulation.

Wenn zwei sanfte Impulse sich addieren

Das Bild änderte sich, als tDCS und tFUS als tEAS kombiniert wurden. In diesen Durchgängen zeigte die EEG-Quellenabbildung eine robuste und statistisch signifikante Verstärkung der Aktivität im motorischen Kortex direkt unter der Stimulationsstelle, verglichen mit derselben Region auf der gegenüberliegenden Hirnseite. Diese fokussierte Reaktion trat sowohl für erregende als auch für hemmende tDCS-Polaritäten auf, wobei das Vorzeichen des EEG-Signals je nach Orientierung des Stroms umschlug. Wichtig ist, dass weder tDCS allein noch tFUS allein unter denselben Ruhebedingungen eine derart lokalisierbare, quellenspezifisch auflösbare Aktivierung erzeugten, und dass sich das tEAS-Muster nicht durch einfaches Addieren ihrer Einzeleffekte in der Analyse nachbilden ließ. Die Autorinnen und Autoren erweiterten außerdem die Ultraschallparameter – sie variierten Pulsraten, Duty-Cycles und erhöhten sogar den Hirndruck innerhalb der Sicherheitsgrenzen – und fanden weiterhin keine Hinweise darauf, dass tFUS allein eine klare, ortsspezifische kortikale Reaktion bei ruhenden Menschen auslöste.

Eine neue Sicht darauf, wie Ultraschall das Gehirn formt

Um diese Befunde zu erklären, griffen die Forschenden auf ein klassisches mathematisches Modell von Nervenzellen zurück, das Hodgkin–Huxley-Modell, und fügten einen Pfad für mechanosensitive Ionenkanäle hinzu. Simulationen zeigten, dass ein unterschwelliger mechanischer Effekt (durch Ultraschall) und eine unterschwellige elektrische Verschiebung (durch tDCS) zusammen die Schwelle überschreiten und vollständige Aktionspotenziale erzeugen können. Das stimmt mit der experimentellen Beobachtung überein, dass nur die kombinierte tEAS-Bedingung eine fokale, quellenspezifisch lokalisierbare kortikale Aktivierung hervorbrachte. Die Autorinnen und Autoren argumentieren, dass fokussierter Ultraschall beim Menschen in sicheren Druckbereichen höchstwahrscheinlich als unterschwelliger Komodulator wirkt: Er verändert die Bereitschaft von Neuronen zu antworten, benötigt aber typischerweise eine zusätzliche Eingabe – etwa tDCS, sensorische Stimulation oder Aufmerksamkeit –, um starke, ortsspezifische Entladungen zu erzeugen. Dieses Rahmenmodell hilft zu erklären, warum einige Studien starke Verhaltenseffekte von tFUS beobachten, wenn es mit anderen Aufgaben oder Reizen kombiniert wird, während andere vornehmlich auditorisch bedingte Aktivität sehen, wenn es allein verwendet wird.

Zitation: Kosnoff, J., Gonsisko, C., Yu, K. et al. Transcranial focused ultrasound induces source localizable cortical activation in resting state humans when applied concurrently with transcranial electric stimulation. Nat Commun 17, 2023 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69853-8

Schlüsselwörter: transkranieller fokussierter Ultraschall, nichtinvasive Hirnstimulation, EEG-Quellenabbildung, Neuromodulation, tDCS