Strøm til nervesystemet kan forbedre motorisk læring

Det hele er nøje beregnet af forskerne. Først sender de elektricitet ind i en nerve i forsøgspersonens underarm. Nogle millisekunder efter følges det op af en magnetisk stimulation af hjernens motoriske område fra en spole placeret på hovedet. Den umiddelbare effekt ses omgående som små ufrivillige spjæt fra forsøgspersonens hånd. 10 sekunder efter gør de det igen.

Ja, som udenforstående hører man næsten latteren fra Doktor Frankensteins tårnværelse, men i virkeligheden er der tale om ny banebrydende forskning i hjernens evne til at lære, der kan åbne for ny forståelse af hjernen og nye veje for motorisk træning og genoptræningsforløb i fremtiden. Og de spillevende unge forsøgspersoner mærker næsten intet, forsikrer forskerne bag forsøgene, men fremviser til gengæld en forbedret effekt af deres efterfølgende motoriske træning.

”Formålet med stimulationerne er at påvirke netværk i rygmarven fra to sider med elektriske impulser. Gør man det gentagne gange og med en helt præcis forskydning i tid, så kan man øge netværkets effektivitet. Vores nye resultater viser, at det også kan øge menneskers evne til at lære motoriske færdigheder efterfølgende. Det er det, vores forskning viser,” forklarer Ph.d. Jonas Rud Bjørndal fra Institut for Idræt og Ernæring, som er den ene af hovedkræfterne bag studiet.

I forskningsprojektet, der nu er publiceret i det anerkendte tidsskrift Nature Communications, har Jonas Rud Bjørndal og lektor Jesper Lundbye-Jensen sammen med deres kollegaer vist, at forsøgspersoner kan forbedre deres udbytte af træning og dermed evnen til at udføre en motorisk opgave med op til 30%, når de modtager stimulationerne før træning i den motoriske opgave.

I gennemsnit forbedrede deltagerne deres evner med ca. 20% alene ved træning, så der er tale om en markant øget effekt, når det kombineres med stimulationerne. Forskningsprojektet har involveret en serie af fire eksperimenter med de såkaldte parrede stimulationer af hjerne og perifere nerver.

Der er dog ikke er tale om et mirakelmiddel, som overflødiggør det hårde arbejde med træning, understreger Jesper Lundbye-Jensen:

”Du bliver ikke bedre til en færdighed, og dermed heller ikke verdensmester i spydkast, alene ved at få sat svag strøm til nervesystemet, hvilket næppe overrasker nogen. Men vores forskning viser, at hvis man kombinerer stimulationer med efterfølgende træning, så kan det øge udbyttet af træningen og sandsynligvis være en stor hjælp på vejen,” siger Jesper Lundbye-Jensen, der er leder af Sektionen for Bevægelse og Neurovidenskab på Institut for Idræt og Ernæring.

Hjernen skal være plastisk for at lære

Forklaringen er, at når vi skal lære ting, der er motorisk krævende - om det så er bevæge sine fingre så hurtigt som muligt som i forskningsforsøgene, at spille guitar eller foretage et spydkast - så er det en forudsætning, at hjernen ændrer sig med træningen. Det kan den, fordi den er plastisk.

”Hjernens og centralnervesystemets netværk skal være i stand til at ændre sig fysisk, for det er sådan vi lærer. Især er det vigtigt, fordi ændringerne i nervesystemet er en forudsætning for hukommelse, altså at vi kan fastholde og genkalde det, vi lærer” lyder det fra Jesper Lundbye-Jensen

Det nye studie bygger videre på tidligere forskning, der har vist, at hjernens plasticitet kan påvirkes positivt med stimulation af hjernen og de perifere nerver fx via håndleddet. Nu har forskerne altså påvist, at man, med de rette indstillinger og en meget præcis timing, kan øge denne plasticitet – og læringsparathed – med sådanne gentagne parrede elektriske magnetiske stimulationer, der kolliderer i ryggens nervebaner.

”Da vi selv og andre i tidligere forskning har været med til at vise, at evnen til at lære motoriske færdigheder hænger sammen med plastiske ændringer i nervesystemet, var det nærliggende for os at undersøge, om de to ting kunne have en kombineret effekt. Og her har vi altså vist, at der er et markant udbytte,” siger Jonas Rud Bjørndal.

Udover at vise denne sammenhæng fremhæver forskerne selv vigtigheden af den nøjagtige timing af de parrede stimuleringer som et væsentligt bidrag til forskningen i feltet. Rammer stimulationerne mere eller mindre forskudt, så er effekten nemlig ikke lige så markant.

”Det gør metoden sværere at benytte, men det harmonerer med vores viden om de mekanismer, der er involveret i hjernens plasticitet – at præcist timede og gentagne aktiveringer kan være med til at styrke forbindelser i nervesystemet. Det nye er især, at efterfølgende træning kan drage nytte af de effekter, stimulationerne skaber i nervesystemet. Den viden er grundlæggende interessant og bliver spændende at bygge videre på i kommende forskningsprojekter,” siger Jonas Rud Bjørndal. 

Helt nye perspektiver for genoptræning – og måske elitesport

Resultaterne giver ny viden om sammenhænge mellem plasticitet i hjernen og effekter af motorisk træning. I hvilken grad den nye viden vil kunne hjælpe almindelige mennesker med at forbedre motorisk funktion er endnu uvist, men det er forskernes ønske, at forskningsresultaterne kommer samfundet til gode.

I første omgang er håbet, at teknikken kan åbne nye muligheder i forhold til de strategier, der anvendes til genoptræning af mennesker i fysioterapi, i sundhedsvæsnet og på ældreområdet.

”Der findes mennesker i vores samfund, som grundet skader fx på nervesystemet kan opleve, at vejen tilbage til tidligere førlighed er en meget stejl bakke at skulle opad. Det kræver selvfølgelig træning. Hvis nye metoder – og derunder på sigt vores forskning - kan være med til at sænke den stigning med nogle grader ved at gøre træningsindsatsen mere effektiv, ville det være meget tilfredsstillende” siger Jesper Lundbye-Jensen.

Derudover kan sådanne stimulationer måske være interessante for fremtidens topsportsfolk. I hvert fald er der potentiale for en gevinst, hvis udbyttet at træning kan fremmes for eksempel i discipliner, der handler om ballistiske bevægelser, som afhænger af eksplosiv muskelkraft, påpeger forskerne.

Men drømmer man nu selv om at komme i gang med at booste sit træningsudbytte ved at udsætte sig for forskningens eksperimenter, så kan det umiddelbart blive svært. Adgangen til det udstyr, som er anvendt i forskningen, er ind til videre forbeholdt forskere og fagpersonale på landets universiteter og hospitaler.

*

Fakta: Næste skridt for forskerne

Forskning peger på, at ældre mennesker kan tabe muskelmasse, men også evne til at aktivere deres muskler hurtigt og maksimalt.

Det sidste skyldes ændringer i nervesystemet og forskerne er nu i gang med at undersøge, om stimulation af hjerne og perifere nerver også kan hjælpe ældre menneskers udbytte af fysisk-motorisk træning.

Ekstra info: Sådan lærer vi motoriske færdigheder

Når man går i gang med at øve sig i opgaver, der kræver motoriske færdigheder, aktiverer det bestemte områder i hjernen. Er aktiviteten en, man kender godt, som at køre cykel, er aktiviteten og ændringerne mindre, men er vi i færd med at lære noget nyt, så sker der for alvor noget.

Hjernen ændrer sig faktisk. Det er nemlig nødvendigt for at vi kan tilegne os og huske nye færdigheder. Det kaldes hjernens plasticitet. Både imens træning finder sted, men også i timerne efter, sker der fysiske forandringer i hjernens netværk. Skal færdigheden fastholdes, kræver det vedvarende ændringer i de netværk.

Der er grundlæggende to aspekter af indlæring - tilegnelse og fastholdelse af hukommelse. Dels det der foregår, mens vi udfører en opgave, dels det der sker i hjernen i den efterfølgende tid. Begge er vigtige for, at vi kan tilegne os nye motoriske færdigheder og huske det, vi har lært.

Boks: Om studiet

Den nye forskning består af fire forsøg med i alt 82 deltagere mellem 20 og 30 år.  Deltagerne er blev bedt om at udføre og træne en såkaldt ballistisk, motorisk opgave, som i praksis var at fortage hurtige bevægelser med pegefingeren.

Grundlæggende skyldes virkningen af forsøget med stor sandsynlighed, at forbindelser i nervesystemet kan styrkes, når nervebanen aktiveres fra flere sider og gentagne gange, antager forskerne - eller som de udtrykker det: ”what fires together, wires together”.

Forsøgspersonernes nerveledning blev testet før forsøget, for at stimulationerne kunne times perfekt. Denne timing er essentiel for at aktivere netværkene i hjerne og rygmarv i den rigtige rækkefølge og deraf opnå den effekt, som studiet har påvist.

Effekten varede ved en uge efter træning hvilket er væsentlig, fordi det viser en længerevarende effekt. Undersøgelsen kalder dog også på yderligere studier, for at undersøge langtidseffekter da dette er et korttidsstudie.

Forskningsprojektet er desuden et såkaldt proof-of-principle studie, der primært beviser en mekanismes effekt. Yderligere forskning vil vise det praktiske omfang af virkningen i forskellige sammenhænge og evt. mulig virkning på andre typer læring.

Følgende forskere medvirkede til studiet:

Jonas Rud Bjørndal, Lasse Jespersen og Jesper Lundbye-Jensen fra Institut for Idræt og Ernæring, Københavns Universitet.

Mikkel Malling Beck fra MR-forskningssektionen, Hvidovre og Amager Hospital.

Lasse Christiansen fra MR-forskningssektionen, Hvidovre og Amager Hospital og Institut for Neurovidenskab, Københavns Universitet.