Die Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine nicht-invasive Hirnstimulationstechnik, die zu diagnostischen, therapeutischen und wissenschaftlichen Zwecken in der Neurologie und Psychiatrie eingesetzt wird. Sie beruht auf dem physikalischen Grundprinzip der elektromagnetischen Induktion und ermöglicht die lokale Aktivierung kortikaler Areale bei gesunden Probanden und Patienten. Die hochfrequente repetitive TMS (rTMS) des Cortex ist unter Beachtung der etablierten Sicherheitsrichtlinien ungefährlich und wird im Allgemeinen gut toleriert. Trotz ihres mittlerweile breiten klinischen Einsatzes (z. B. bei der Behandlung von Patientinnen und Patienten mit Depression), sind die Wirkmechanismen der rTMS noch nicht genau geklärt. Einem effektiven klinischen Einsatz dieser Technologie stehen 1) die enormen Parameterräume (z. B. Orientierung des Feldes, Stimulationsfrequenz, biophysikalische Eigenschaften des Nervengewebes); 2) technische und ethische Limitationen bei der Untersuchung des menschlichen Gehirns sowie 3) das Fehlen fundierter Erkenntnisse zu den Wirkmechanismen der rTMS entgegen. Ziel dieses Vorhaben ist die Entwicklung eines experimentell validiertem Multiskalen-Netzwerkmodells der rTMS. Hierzu sollen Simulationen elektromagnetischer Felder, mit realistischen Netzwerken (synaptisch verknüpfte erregende und hemmende Nervenzellen), sowie 3D-Kalzium-Simulationen mit Plastizitätsregeln kombiniert/gekoppelt werden. Die Entwicklung erfolgt im Rahmen eines iterativen Prozesses zwischen Computersimulationen und experimenteller Datenerhebung in Kooperation mit den US-amerikanischen Partnern.

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine nicht-invasive Hirnstimulationstechnik, die in der Forschung und in der klinischen Praxis weit verbreitet ist. Die grundlegenden neurophysiologischen Mechanismen der TMS sind jedoch noch immer nicht ausreichend verstanden. Dies hat die Entwicklung optimierter therapeutischer Ansätze behindert, so dass die klinischen Ergebnisse nach wie vor variabel sind. Insbesondere der große Raum der TMS-Parameter hat die Bemühungen um die Entwicklung effizienter Stimulationsprotokolle erschwert. Die computergestützte Modellierung hat das Potenzial, diese Lücke zu schließen, indem sie einen konzeptuellen Rahmen für die physikalischen Eingangsparameter der TMS und die neuronalen Antworten schafft. In jüngster Zeit wurden elektrische TMS-Felder mit realistischen Einzelneuronenmodellen gekoppelt, um die Wirkung von TMS auf elektrische Aktivität von Nervenzellen abzuschätzen. Diese Modelle sagten einige der gut charakterisierten Antworten von Nervenzellen auf einzelne TMS-Pulse erfolgreich voraus. In realistischen Anwendungen wird jedoch eine ganze Population von Neuronen aktiviert, und an erregenden und hemmenden Synapsen werden plastische Veränderungen hervorgerufen. Daher müssen die Modelle für einzelne Neuronen zu Netzwerkmodellen mit verbundenen Hauptneuronen und Interneuronen erweitert werden, um physiologische Antworten auf Netzwerkebene vorherzusagen. In diesem Vorhaben werden neuronale Netzwerkmodelle entwickelt, die sowohl Einzelzell-Potenziale und lokale Feldpotenziale als auch die biologischen Effekte von TMS, d. h. Kalziumsignale und die Induktion synaptischer Plastizität, vorhersagen können. Diese Bemühungen sind von entscheidender Bedeutung, um eine Brücke zwischen experimentellen Daten und detaillierten biophysikalischen Modellen der neuronalen Wirkungen von TMS zu schlagen und so einen translationalen Rahmen für klinische Anwendungen zu schaffen.