Verfasser: Thomas Feiner, QEEG-D, BCIA EEG, OT
Direktor und Gründer des Instituts für EEG-Neurofeedback
www.neurofeedback-info.de

Die Wissenschaft

Früher bekannt als Low-Level Light Laser Therapie (LLLT), ist die Photobiomodulation (PBM) eine Anwendung von Licht zur Förderung der Gewebereparatur, zur Eindämmung von Entzündungs- und Schmerzprozessen. Früher benutzte man in erster Linie Laser, heute hat sich die die LED-Technologie weitestgehend durchgesetzt und bewährt.

Die Photobiomodulation war Gegenstand mehrerer systematischer Übersichtsarbeiten für eine Reihe von Erkrankungen des Bewegungsapparates, die von The Lancet, BMJ, der International Association for Study of Pain und der Weltgesundheitsorganisation berichtet wurden. Das Forschungsinteresse im Bereich der transkraniellen Photobiomodulation erlebte in den letzten Jahren einen sprunghaften Anstieg. Führend dabei ist u.a. die Harvard Medical School mit Prof. M. Hamblin, einem weltweit führenden Forscher auf diesem Gebiet. Der Einsatz der transkraniellen Photobiomodulation ist Hauptgegenstand dieses Artikels.

Physikalische Grundlagen

Jede Form von Licht hat ein bestimmtes Spektrum von Wellenlängen. Das nahinfrarote Licht, welches bei der transkraniellen Photobiomodulation Verwendung findet, ist für unser Auge nicht sichtbar, es kann nur einen kleinen Bereich der in der Natur vorkommenden Wellenlängen erfassen. Dennoch sieht man bei den Geräten tatsächlich rotes Licht, welches aber von den LEDs zusätzlich erzeugt wird.

Es kommt dabei gepulstes als auch kontinuierliches Nahinfrarotlicht zum Einsatz. In der transkraniellen Photobiomodulation hat sich die gepulste Abgabe von Licht bewährt. Bei den Geräten kann man in der Regel zwischen verschiedenen Frequenzen wählen
Für akute und postoperative Pathologien kann nur eine Sitzung notwendig sein, aber für chronische Schmerzen und degenerative Erkrankungen können deutlich mehr Sitzungen erforderlich sein. Während andere Wellenlängen ähnliche Effekte haben, dringen sie nicht so gut in das Gewebe ein. Wissenschaftlich erwiesen ist, dass die Durchdringung von Gewebe am besten im nahen Infrarotbereich stattfinden kann. Bei der transkraniellen Photobiomodulation erreicht das Licht das Gehirngewebe, da es auch den Schädelknochen durchdringen kann.

Anwendungsbereiche auf das Gehirn bezogen (Transkranielle Photobiomodulation)

Neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer Demenz, Parkinson, ALS, Multiple Sklerose
Läsionen durch Traumen verursacht
Schlaganfall

Für die Anwendungen mit Lichtstimulation werden unterschiedliche Headsets wie das von Vielight, oder Intranasal-Stimulatoren, wie jene von der Firma Bioquant genutzt. Helme mit mehr Licht emittierenden Stimulatoren sind seit einiger Zeit im Einsatz. Die Wirkungen der Geräte der Firma Vielight wurden in vielen Studien belegt.

Wirkmechanismus

Die Luft, die wir atmen, die Nahrung, die wir essen, all dies ermöglicht unseren Stoffwechsel. Für diesen Stoffwechsel wird Zell-Energie benötigt, welche durch ein Molekül, das Adenosintriphosphat (ATP) bereitgestellt wird. Der eigentliche Vorgang wird als Elektronentransportkette bezeichnet, die sich in den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle, befindet. Im letzten Schritt dieser Kette befindet sich ein Enzym namens Cytochrom C Oxidase (COX), welches sehr wesentlich für die Funktion dieser Elektronentransportkette, auch Atmungskette genannt, verantwortlich ist. Die Steigerung der Produktion der Cytochrom-Oxidase wiederum wird durch das nahe Infrarotlicht angeregt, da dieses Molekül stark auf dieses Licht anspricht. Als Nebeneffekt setzt sich Sauerstoff an und ATP wird mit Wasser als Nebenprodukt produziert, was zu einem gesteigerten Elektronen- und Protonentransport in der gesamten Atmungskette beiträgt.

Zellen müssen einiges aushalten, wobei sie bei Überlastung selbst unter Stress geraten und sich entzündliche Prozesse entwickeln, die oft Jahrzehnte andauern. Gründe liegen oft in unserer Ernährung, inneren entzündlichen Prozessen, ständigem beruflichen und emotionalem Stress. Die Zellen sind überfordert, da sie nie zur Ruhe kommen. Dabei sterben Mitochondrien, die dann der Zelle keine Energie mehr zuführen können. Sie ist dann schutzlos dem Sturm der freien Radikalen ausgesetzt. Dies noch stärker, da eine geringere Anzahl von Mitochondrien zu einer erhöhten freien Radikalproduktion führt, welche vom System nicht mehr genügend abgefangen werden. Insbesondere ein Molekül namens Mitochondrial Stickoxid (mNO) spielt hier eine große Rolle. Dieses Molekül hat eine höhere Affinität für dieses Enzym Cox als Sauerstoff, so dass es zuerst dort anhaftet. Es gibt dann weniger oder keinen Platz mehr für Sauerstoff, so dass die Zelle nicht in der Lage ist, so viel ATP (Kraftstoff für die Zelle) zu produzieren, wie es braucht, um gut zu funktionieren. Dabei gerät sie noch mehr unter Stress, wobei ein sehr flüchtiges freies Radikal namens Reaktive Sauerstoff Spezies (ROS) entsteht.
Typischerweise neutralisiert die Zelle dieses freie Radikal mit Hilfe von Antioxidantien, jedoch kann sie dies nach einiger Zeit nicht mehr in vollem Umfang bewerkstelligen. Infolge dieser nachlassenden Fähigkeit kommt es dann zum sogenannten oxidativen Stress.
Das ist dann ähnlich, wie wenn ein Gegenstand zu rosten beginnt. Wird nicht gegensteuert, kann die weiter fortschreitende Oxidation ungehindert fortschreiten und es bilden sich z.B. die gefürchteten Ablagerungen im Gehirn, wie Beta-Amyloid-Plaques und Tau-Proteine, welche sich um die Nervenbahnen herum ansiedeln und von der körpereigenen Müllabfuhr (Lymphatisches System – mehr dazu später) nicht mehr eigenständig beseitigt werden können. Der Körper hat nicht mehr genügend Kraft hierfür und es entwickeln sich die typischen Symptome der frühen milden kognitiven Störung. Je länger keine Gegenmaßnahmen erfolgen, desto mehr dieser Plaques lagern sich an und es kommt unweigerlich zur Alzheimer-Erkrankung, bei der massenhaft Gehirnzellen absterben, weil diese Plaques auch die Versorgung der Zellen mit Nährstoffen unterbinden, welche nötig für die Er-nährung u.a. der Mitochondrien sind.

Oxidativer Stress ist der Auslöser für die meisten Krankheiten

In unseren Zellen wird oxidativer Stress als Auslöser für die meisten Krankheiten und degenerativen Erkrankungen angenommen. Es ist auch ein Bestandteil in der entzündlichen Phase von akuten und chronischen Verletzungen sowie dem Alterungsprozess. Der Körper versucht die Abbauprodukte zu isolieren und über das Lymphatische System auszuscheiden. Durch die ungenügende Kontrolle über alle diese Prozesse kommt es zu verschiedensten kompensatorischen Reaktionen des Körpers, welche zu weiteren Komplikationen führen.
Wenn jedoch Licht mit der richtigen Farbe und Intensität auf den Stressbereich einwirkt, verdrängt es die freien Radikalen. Dies ermöglicht dann wieder die Anlagerung von Sauerstoff und die vermehrte Produktion von ATP. Die Ursache der ROS-Produktion ist somit beseitigt und es kommt wieder zu einer Verringerung von oxidativem Stress und eine Rückkehr zu normalem Funktionieren wird wieder möglich. Es findet förmlich eine Umprogrammierung statt, die Zellen können wieder in vollem Umfang das tun, wofür sie zuständig sind.
Die geschieht durch Mitochondrien in den Zellen. Sie bilden die primäre Rezeptorstelle für Licht. Mit der Hilfe von Licht kann eine Verringerung des oxidativen Stresses erreicht werden, zugleich kommt es zu einer erhöhten Zirkulation, erhöhter Produktion von ATP und damit kann die Wiederherstellung einer normalen und gesunden Funktion der Zelle beginnen.

Transkranielle Photobiomodulation

Bei der Transkraniellen Photobiomodulation wird meist gepulstes Nahinfrarotlicht verwendet, um die Mitochondrien der Neuronen im Gehirn zur Produktion von mehr Energie anzuregen. Die Licht emittierenden Dioden, auch LEDs genannt, werden dabei mittels eines Headsets direkt auf die Kopfhaut auf-gebracht. Die besonderen Eigenschaften des nahen Infra-Rot agierenden LEDs ermöglicht es, dass Licht die neuronalen Mitochondrien erreichen kann.

40 Hz Stimulation

An sich entfaltet das Nah-infrarote Licht allein schon dadurch seine Wirkung, indem es die Aktivität der Mitochondrien in den Zellen zu mehr Produktion von ATP, sozusagen die Energiewährung der Zelle anregt. Eine zusätzliche Wirkungsverstärkung ist jedoch durch die gepulste Anwendung des Lichts möglich. So hat sich in Tierversuchen erstmals bestätigt, dass gepulstes Licht in der Frequenz von 40 Hz (Gamma) zum Abbau von schädlichen Eiweißablagerungen, den gefürchteten Plaques, führt. Diese Plaques entstehen vermehrt bei neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimer-Demenz oder der Parkinson-Erkrankung. Diese Eiweiß-Ablagerungen sind aber auch Teil eines normalen Prozesses, der oft im Alter einfach beschleunigt vonstattengeht. Die hat mit vielen verschiedenen Faktoren zu tun. Primär ist nicht das Altern an sich daran schuld, sondern eine Lebensweise, die durch Stress, falsche Ernährung und zu wenig Bewegung die Herstellung der natürlichen Balance verhindert
Durch den Stoffwechsel im Gehirn entstehen immer auch Abfallprodukte, die normalerweise von der den Mikrogliazellen, besonders ausgestatteten Fresszellen, beseitigt werden.
Mikroglia sind im gesamten Gehirn und Rückenmark zu finden. Sie wirken als erste und wichtigste Form der aktiven Immunabwehr im zentralen Nervensystem. Sie durchforsten das Gehirn und Rückenmark ständig nach Plaques, aber auch nach Infektionserregern. Sie sind dabei normalerweise äußerst effizient. Umso gefährlicher ist es von daher, wenn diese Zellen nicht mehr in geeignetem Umfang ihre Arbeit verrichten können, da sie entweder zu wenig sind, oder die Menge an schädlichen Ablagerungen zu hoch ist.
Ein weiteres System, das Lymphatische System im Gehirn, sorgt dann für den Abtransport der schädlichen Überreste. Das Gehirn nutzt hier eine Art eigenes Waschprogramm – sorgt für eine „Hirnwäsche“ im wahrsten Sinne des Wortes. Leider ist dieses System nur nachts aktiv und dann auch fast nur in den Tiefschlafphasen. Menschen mit Alzheimer-Erkrankung schlafen wenig, oder schlafen sehr lange, jedoch mit zu geringer Zahl an Tiefschlafphasen, was dazu führt, dass sich immer mehr schädliche Ablagerungen bilden, die von den Abwehrzellen nicht mehr genügend beseitigt werden können.
Es scheint jedoch, dass eine Stärkung der Armee der Mikrogliazellen durch Stimulation mit 40 Hz besonders schnell und effektiv erfolgt. Dies steigert deren Appetit und führt dann zu einem vermehrten Abbau der Plaques.
Durch die Photobiomodulation wird auch dieses System angeregt, pathologischer Proteine besser zu beseitigen. Transgene Tiere (Mäuse, die genetisch das humane Alzheimer-Gen tragen), die einer sensorischen Stimulation von 40 Hz ausgesetzt waren, zeigten durch Photobiomodulation auch eine geringere Neurodegeneration und Hirngewebeschwund. Damit einhergehend erhöhte, verbesserte kognitive Funktionen und einen normalisierten Schlaf-Wach-Rhythmus.

10 Hz Stimulation

Mit 10-Hz (Alpha) steht eine weitere Puls-Frequenz für die Transkranielle Photobiomodulation zur Verfügung. Diese Frequenz eignet sich zur Unterstützung der Neurogenese und Neuroplastizität.

Andere Frequenzen

Heute sind auch noch andere Geräte auf dem Markt, deren Frequenzspektrum von 1-20.000 Hz reicht. (Mito-Saver Photobiomodulation Helmet von IFEN Neuroscience) Wissenschaftlich sind hier noch nicht viele Studien vorhanden. 100 Hz haben dabei einen günstigen Einfluss auf Wundheilung.

Photobiomodulation bei Schädel-Hirntrauma

Margaret Naeser und ihre Mitarbeiter haben die PBM an Menschen getestet, die in der Vergangenheit ein Schädel-Hirn-Trauma erlitten hatten. Viele Menschen mit Schädel-Hirn-Traumata, unabhängig von der Schwere der Verletzung, haben sehr lang anhaltende und leiden oft an Folgen (Kopfschmerzen, kognitive Beeinträchtigungen und Schlafprobleme), die sie daran hindern, zu arbeiten oder ein normales Leben zu führen. Zunächst veröffentlichte Naeser einen Bericht, in dem sie zwei Fälle beschrieb, die sie mit zweimal wöchentlicher Anwendung von PBM auf der Stirn behandelte. In der ersten Fallstudie berichtete die Patientin, dass sie sich länger auf eine Aufgabe konzentrieren konnte (die Zeit, in der sie am Computer arbeiten konnte, stieg von 30 Minuten auf 3 Stunden). Sie konnte sich besser an Gelesenes erinnern und hatte nach der LLLT-Behandlung bessere mathematische Fähigkeiten. Bei der zweiten Patientin wurden nach 9 Monaten Behandlung statistisch signifikante Verbesserungen im Vergleich zu früheren neuropsychologischen Tests festgestellt. (Quelle: Michael Hamblin, Shining light on the head: Photobiomodulation or brain disorders 2016)

Photobiomodulation bei Alzheimer-Demenz

Eine kleine Pilotstudie (19 Patienten) in Form einer randomisierten, placebokontrollierten Studie untersuchte die Wirkung des Vielight Neuro-Systems, eine Kombination aus tPBM und intranasaler PBM) bei Patienten mit Demenz und leichter kognitiver Beeinträchtigung. Es handelte sich um eine kontrollierte Einzelblind-Pilotstudie am Menschen zur Untersuchung der Auswirkungen von PBM auf Gedächtnis und Kognition. 19 Teilnehmer mit Gedächtnis- und Kognitionsstörungen wurden nach dem Zufallsprinzip in aktive und Scheinbehandlungen über einen Zeitraum von 12 Wochen eingeteilt, mit einer 4-wöchigen Nachbeobachtungszeit ohne Behandlung. Sie wurden mit den Skalen MMSE und ADAS-cog bewertet. Das Protokoll umfasste die Anwendung eines kombinierten transkraniellen-intranasalen PBM-Geräts in der Klinik und die Anwendung eines intranasalen PBM-Geräts zu Hause, wobei die Teilnehmer/Betreuer ihre täglichen Erfahrungen in einem Tagebuch festhielten. Aktive Teilnehmer mit mittelschwerer bis schwerer Beeinträchtigung (MMSE-Werte 5-24) zeigten nach 12 Wochen signifikante Verbesserungen (MMSE-Wert um 5 Punkte). Auch die ADAS-Cog-Scores verbesserten sich signifikant. Die Teilnehmer berichteten auch über besseren Schlaf, weniger Wutausbrüche und geringere Ängstlichkeit und Bewegungsdrang (Wanderlust). Während des 4-wöchigen Nachbeobachtungszeitraums ohne Behandlung wurden Rückgänge festgestellt. Teilnehmer mit leichten bis normalen Beeinträchtigungen (MMSE-Werte von 25 bis 30) zeigten sowohl in der aktiven als auch in der Scheinbehandlungsgruppe Verbesserungen. Es wurden keine damit verbundenen unerwünschten Ereignisse gemeldet. (Quelle: Michael Hamblin, Shining light on the head: Photobiomodulation or brain disorders 2016)

Peak Performance

Es dürfte nicht überraschen, dass es mehrere Berichte über die Verbesserung der kognitiven Fähigkeiten bei normalen Menschen oder gesunden Tieren durch PBM gibt. Bei normalen menschlichen Probanden wurde transkranielle PBM an der Stirn in einer placebokontrollierten, randomisierten Studie eingesetzt, um kognitive Aufgaben im Zusammenhang mit dem präfrontalen Kortex zu beeinflussen. Dies beinhaltete auch eine psychomotorische Vigilanzaufgabe (PVT), einer verzögerten Match-to-Sample (DMS)-Gedächtnisaufgabe und des positiven und negativen Affektschemas (PANAS-X), um eine verbesserte Stimmung zu zeigen [16]. Nachfolgende Studien an normalen Menschen zeigten, dass die tPBM mit einem 1064-nm-Laser die Leistung bei der Wisconsin Card Sorting Task (die als Goldstandard-Test für die Exekutivfunktion gilt) verbessern konnte. Sie zeigten auch, dass die tPBM an der rechten Stirn (aber nicht an der linken Stirn) bessere Auswirkungen auf die Modifikation der Aufmerksamkeitsverzerrung (ABM) bei Menschen mit Depression hatte.

In einer Studie von Salgado et al. wurde die transkranielle LED-PBM auf den zerebralen Blutfluss bei gesunden älteren Frauen angewandt, die mittels transkraniellem Doppler-Ultraschall (TCD) der rechten und linken mittleren Hirnarterie und der Arteria basilaris analysiert wurden. Fünfundzwanzig nicht-institutionalisierte ältere Frauen (Durchschnittsalter 72 Jahre) mit einem kognitiven Status > 24 wurden vor und nach der transkraniellen LED-Therapie mittels TCD untersucht. tPBM wurde an vier Punkten der Frontal- und Parietalregion zweimal wöchentlich für jeweils 30 s über 4 Wochen durchgeführt. Es kam zu einem signifikanten Anstieg der systolischen und diastolischen Geschwindigkeit der linken mittleren Hirnarterie (25 bzw. 30 %) und der Arteria basilaris (bis zu 17 bzw. 25 %) sowie zu einer Abnahme des Pulsatilitätsindexes und des Widerstandsindexes der drei untersuchten Hirnarterien (Quelle: Michael Hamblin, Shining light on the head: Photobiomodulation or brain disorders 2016)

Was ist bei der Anwendung zu beachten?

In der Photobiomodulationsforschung sind keine Nebenwirkungen bekannt. Trotzdem sollte man ein paar Punkte beachten, damit die optimale und gewünschte Wirkung eintritt.
Anfang der Stimulation nur kurze Phasen und langsam steigern. Zwei Minuten reichen oft schon. In kleinen Schritten steigern, ist immer besser. Bei der Photobiomodulation kommt es nicht auf die Dauer der Stimulation an, sondern vor allem auf die richtige und individuell passende Dosierung.
Die Stimulationsdauer sollte pro Tag nicht mehr als 20 Minuten betragen. Selten sind mehr als 3 Sitzungen pro Woche nötig. Lassen Sie sich beraten von einem erfahrenen Anwender!

Quellen:
Brain Photobiomodulation Therapy: a Narrative Review.
Salehpour F, Mahmoudi J, Kamari F, Sadigh-Eteghad S, Rasta SH, Hamblin MR. Mol Neurobiol. 2018 Aug;55(8):6601-6636. doi: 10.1007/s12035-017-0852-4. Epub 2018 Jan 11.

Shining light on the head: Photobiomodulation for brain disorders.
Hamblin MR. BBA Clin. 2016 Oct 1;6:113-124. doi: 10.1016/j.bbacli.2016.09.002. eCollection 2016 Dec.

Photobiomodulation for Alzheimer’s Disease: Translating Basic Research to Clinical Application.
Enengl J, Hamblin MR, Dungel P.
J Alzheimers Dis. 2020;75(4):1073-1082. doi: 10.3233/JAD-191210.

Treatment of Neurodegeneration: Integrating Photobiomodulation and Neurofeedback in Alzhei-mer’s Dementia and Parkinson’s: A Review.
Berman MH, Nichols TW. Photobiomodul Photomed Laser Surg. 2019 Oct;37(10):623-634. doi: 10.1089/photob.2019.4685.

Transcranial, Red/Near-Infrared Light-Emitting Diode Therapy to Improve Cognition in Chronic Trau-matic Brain Injury.
Naeser MA, Martin PI, Ho MD, Krengel MH, Bogdanova Y, Knight JA, Yee MK, Zafonte R, Frazier J, Ham-blin MR, Koo BB. Photomed Laser Surg. 2016 Dec;34(12):610-626. doi: 10.1089/pho.2015.4037.

Transcranial Photobiomodulation to Improve Cognition in Gulf War Illness.
Martin PI, Chao L, Krengel MH, Ho MD, Yee M, Lew R, Knight J, Hamblin MR, Naeser MA. Front Neurol. 2021 Jan 21;11:574386. doi: 10.3389/fneur.2020.574386. eCollection 2020.

Increased Functional Connectivity Within Intrinsic Neural Networks in Chronic Stroke Following Treat-ment with Red/Near-Infrared Transcranial Photobiomodulation: Case Series with Improved Naming in Aphasia.
Naeser MA, Ho MD, Martin PI, Hamblin MR, Koo BB. Photobiomodul Photomed Laser Surg. 2020 Feb;38(2):115-131. doi: 10.1089/photob.2019.4630. Epub

Significant Improvement in Cognition in Mild to Moderately Severe Dementia Cases Treated with Transcranial Plus Intranasal Photobiomodulation: Case Series Report.
Saltmarche AE, Naeser MA, Ho KF, Hamblin MR, Lim L. Photomed Laser Surg. 2017 Aug;35(8):432-441. doi: 10.1089/pho.2016.4227. Epub 2017 Feb 10.

Significant improvements in cognitive performance post-transcranial, red/near-infrared light-emitting diode treatments in chronic, mild traumatic brain injury: open-protocol study.
Naeser MA, Zafonte R, Krengel MH, Martin PI, Frazier J, Hamblin MR, Knight JA, Meehan WP 3rd, Baker EH. J Neurotrauma. 2014 Jun 1;31(11):1008-17. doi: 10.1089/neu.2013.3244. Epub 2014 May 8.

Transcranial Near Infrared Light Stimulations Improve Cognition in Patients with Dementia
Damir Nizamutdinov, Xiaoming Qi, Marvin H Berman, Gordon Dougal, Samantha Dayawansa, Erxi Wu, S. Stephen Yi, Alan B Stevens, Jason H Huang. Transcranial Near Infrared Light Stimulations Improve Cognition in Patients with Dementia. Aging and disease. 2021, 12(4): 954-963 https://doi.org/10.14336/AD.2021.0229

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