Hirnstimulation verbessert den Erwerb motorischer Fähigkeiten im Alter

Auch wenn wir nicht darüber nachdenken, besteht jede Bewegung, die wir in unserem täglichen Leben ausführen, im Wesentlichen aus einer Abfolge kleinerer Aktionen in einer bestimmten Reihenfolge. Das wird uns nur dann bewusst, wenn wir eine neue motorische Fähigkeit erlernen müssen, z. B. eine Sportart, ein Musikinstrument, eine neue Tanznummer oder sogar ein neues elektronisches Gerät wie ein Smartphone oder einen Videospiel-Controller.

Es überrascht vielleicht nicht, dass viel Forschung betrieben wird, um herauszufinden, wie Menschen sequenzielle motorische Fähigkeiten erwerben, wobei die meisten Studien an gesunden jungen Erwachsenen durchgeführt wurden. Studien mit älteren Menschen (und allgemeine Erfahrungen) zeigen, dass das Erlernen neuer motorischer Fähigkeiten mit zunehmendem Alter schwieriger wird und länger dauert, was auf eine altersbedingte Abnahme der Lernfähigkeit schliessen lässt.

«Da Lernen entscheidend ist, um sich ständig anzupassen und im Alltag integriert zu bleiben, wird die Verbesserung dieser beeinträchtigten Funktionen dazu beitragen, die Lebensqualität im Alter zu erhalten, insbesondere angesichts der weltweit stetig steigenden Lebenserwartung», sagt Professor Friedhelm Hummel, Inhaber des Defitech-Lehrstuhls für klinisches Neuroengineering an der EPFL School of Life Sciences.

In einer neuen Studie haben Hummel und sein Doktorand Pablo Maceira-Elvira herausgefunden, dass die transkranielle Hirnstimulation die altersbedingte Beeinträchtigung beim Erlernen neuer motorischer Fähigkeiten verbessern kann.

In der Studie wurde eine gängige Methode verwendet, um zu bewerten, wie gut eine Person neue motorische Fähigkeiten erlernt, die so genannte «Finger-Tapping-Aufgabe». Dabei wird eine Zahlenfolge so schnell und so genau wie möglich getippt. Die Aufgabe ist in Studien sehr beliebt, da sie Tätigkeiten simuliert, die eine hohe Fingerfertigkeit erfordern – wie Klavierspielen oder das Tippen auf einer Tastatur – und gleichzeitig ein objektives Mass für die «Verbesserung» bietet, d. h. dafür, dass eine Person ihre Geschwindigkeit erhöht, ohne an Genauigkeit zu verlieren.

Forschende bezeichnen dies als «Verschiebung des Gleichgewichts zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit», und dies ist ein Schlüsselmerkmal des Lernens. Eine der Möglichkeiten, wie das Gehirn diese Verschiebung erreicht, besteht darin, einzelne motorische Handlungen in sogenannte «motorische Einheiten» zu gruppieren: spontan entstehende Gehirnstrukturen, die die mentale Belastung einer Person reduzieren und gleichzeitig die mechanische Ausführung der motorischen Sequenz optimieren. «Motorische Einheiten entstehen zuverlässig, wenn junge Erwachsene die Aufgabe des Fingertippens trainieren, aber frühere Studien zeigen, dass motorische Einheiten bei älteren Erwachsenen entweder fehlen oder unzureichend sind», sagt Pablo Maceira-Elvira.

Bildrechte: Pablo Maceira-Elvira (EPFL)

Der frühe Vogel bekommt die motorischen Fähigkeiten

In der Studie wurden zunächst Gruppen jüngerer und älterer Erwachsener trainiert und getestet, um eine neue Sequenz von Fingertippaufgaben zu erlernen, wobei sich grundlegende Unterschiede zwischen den beiden Gruppen zeigten. Junge Erwachsene lernten die Aufgabe am effizientesten, indem sie in der ersten Trainingssitzung die Verbesserung der Genauigkeit in den Vordergrund stellten und sich danach auf die Verbesserung ihrer Geschwindigkeit konzentrierten. Dies führte zu einer Verschiebung des Gleichgewichts zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit, so dass sich schon früh effiziente motorische Abschnitte herausbilden konnten.

«Ältere Erwachsene zeigten ein geringeres schnelles Online-Lernen und kein Offline-Lernen», sagt Maceira-Elvira, «mit anderen Worten: Während junge Erwachsene zu Beginn des Trainings starke Leistungssteigerungen zeigen und sich über Nacht verbessern, verbessern sich ältere Erwachsene in einem gemässigteren Tempo und verschlechtern sich sogar über Nacht.» Im Gegensatz dazu verbesserten ältere Erwachsene ihre Genauigkeit allmählich im Laufe des Trainings und bildeten effiziente motorische Einheiten erst nach längerem Üben.

Verbesserungen durch Hirnstimulation

«Jüngste Studien haben gezeigt, dass wir den Erwerb motorischer Fähigkeiten durch nicht-invasive Hirnstimulation des motorischen Kortex verbessern können, wobei die anodale transkranielle Gleichstromstimulation (atDCS) in den letzten Jahren aufgrund ihrer Unauffälligkeit, Tragbarkeit und Erschwinglichkeit sowohl akademisches als auch kommerzielles Interesse auf sich gezogen hat», sagt Hummel.

In der aktuellen Studie wendeten die Forschenden die atDCS bei den Teilnehmern an und stellten fest, dass sie älteren Erwachsenen dabei half, ihre Genauigkeit zu einem früheren Zeitpunkt im Training deutlich zu verbessern, und zwar nach einem ähnlichen Muster wie bei jungen Erwachsenen: «Die Stimulation beschleunigte die Verschiebung des Kompromisses zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit und ermöglichte eine frühere Entstehung effizienter motorischer Einheiten, wobei 50 % der älteren Erwachsenen diese Strukturen während der ersten Trainingssitzung erzeugten», sagt Maceira-Elvira.

Er fügt hinzu: «Die Studie deutet darauf hin, dass die atDCS den Erwerb motorischer Fähigkeiten bei Personen mit verminderten Lernmechanismen zumindest teilweise wiederherstellen kann, indem sie die Speicherung aufgabenrelevanter Informationen erleichtert, die mentale Belastung schnell reduziert und die Optimierung der mechanischen Ausführung der Sequenz ermöglicht.»

«Diese Studien tragen zum besseren Verständnis altersbedingter Defizite beim Erwerb motorischer Fähigkeiten bei und bieten eine neuartige Strategie zur nicht-invasiven Wiederherstellung dieser Defizite», sagt Hummel. «Diese Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für Interventionsstrategien, die an die spezifische Lernphase angepasst sind, um Defizite aufgrund von gesundem Altern oder neurologischen Erkrankungen wie Schlaganfall zu beheben.»