DE4420233A1

DE4420233A1 - Verfahren zur magnetischen Stimulation neuraler Zellen

Info

Publication number: DE4420233A1
Application number: DE4420233A
Authority: DE
Inventors: Daniel S Gluck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-06-11
Filing date: 1994-06-09
Publication date: 1994-12-15
Also published as: GB9411488D0; GB2278783A; US5738625A; JPH07143971A

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Ver fahren zur Stimulation neuraler Zellen, z. B. Neuronen und Nerven zellen, insbesondere ein Verfahren wobei die Auswirkungen eines Konditionierungs-Energiefeldes mit denen einer zyklischen magne tischen Komponente kombiniert wird.

Stand der Technik

Die magnetische Stimulation ist eine klinische zugäng liche Technik mit anerkanntem Wert in einer Mehrzahl von klini schen Rähmen, hauptsächlich weil sie in nicht-invasiver, schmerz loser und verhältnismäßiger sicherer Weise semiquantitative Information über die Lage von Motorik-Läsionen ermitteln läßt. Die magnetische Stimulation des Nervensystems wurde klinisch angewandt zur Diagnose und Auswertung von Sclerosis multiplex, Zervikalmyelopathie, sowie andere degenerative und erbliche Störungen in kortikaler substantia alba, substantia alba und substantia grisea des Rückgrats und peripherischem Motorik-Trac tus. Sonstige wichtigen Anwendungen betreffen die Aufzeichnung der Gebiete der kortikalen Motorik und der Sprache um Versuchs personen vor epileptischer Chirurgie auszuwerten und um Motorik- gelieferte Spannungen für intra-operative Verfolgung im Laufe der Gehirn- und Rückgrat-Chirurgie zu erhalten. Weiterhin wurde magnetische Stimulation des Nervensystems angewandt um die Ent wicklung, Organisation und Genesung von Verletzungen auszuwerten.

Eine scharfe Einstellungen (Fokussierung) während der intrakranialen Stimulation zwecks magnetischer Stimulation der Motorik gelangte mit vorigen Verfahren und Apparaten nicht. Die bis jetzt entwickelten Systeme können verhältnismäßige große kortikale Flächen mit mindestens 7 cm² nur beschränkt stimulieren. Aus diesem Grunde konnte man die magnetische Stimulation nicht zur Unterscheidung zwischen äußeren Pyramidenbahnläsionen und Pyramidenbahnläsionen neurophysiologisch anwenden; außerdem nicht zur Lokalisation von Läsionen innerhalb des Schädels, einschließ lich der Gehirnstamm-Bereiche; neurophysiologische Forschungen betreffend die limbischen, dienzephalen und Gehirnstamm-Bereiche; weiterhin die Aufzeichnung eines Gehirn-Atlases der gleichwertig einem gegenwärtigen, 1×1 cm Gitter mit darauf subdural implan tierten Elektroden sei. Subdural implantierte Elektroden-Netze sind nachteilig da invasiv, schmerzhaft und verhältnismäßig gefährlich.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neues und verbessertes Verfahren zur Scharfeinstellung der magnetischen Stimulation von Neuron-Zellen zu schaffen.

Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein nicht-invasives, schmerzloses und verhältnismäßig sicheres Verfahren zu schaffen, welches die neurophysiologische Diffe renzierung zwischen äußeren Pyramidenbahn-Läsionen und Pyrami denbahn-Läsionen ermöglicht, um genauere Feststellung der Lage von Motorik-Läsionen und anderen innerhalb des Schädels, ein schließlich des Gehirnstamm-Bereiche zu ermöglichen, weiterhin zwecks neurophysiologischer Untersuchungen der limbischen, dienzephalen und Gerhirnstamm-Bereiche und Aufzeichnung des Gehirn-Atlases.

Wie von Eaton IN JOHN HOPKINS APL TECHNICAL DIGEST, vol. 12, Nr. 2, 1991, Seiten 153-158 offenbart, außerdem in Kapitel 3 und 4 des Buches MAGNETIC STIMULATION IN CLINICAL NEUROPHYSIOLOGY, erzeugen magnetische Stimulatoren magnetische Felder wodurch Foucaultströme in neuralen Zellgeweben entstehen. Eaton berichtet, daß ein verhältnismäßiger kurzer (z. B. 450 µs) Stromimpuls großer Amplitude (z. B. 5300 A Spitzenwert) in einer Stimulationsspule ein gedämpftes sinusförmiges elektrisches (E) Feld in der Zelle induziert. Cohen et al in CLINICAL NEUROPHYSIO- LOGY, vol. 8, Nr. 1, 1991, Seiten 102-120 berichten, daß die Scharfeinstellung magnetischer Stimulation verbessert werden kann indem ein Impuls hoher Amplitude (z. B. 25,000 A Spitzenwert) in eine Achterfigurspule eingespeist wird. Ein gedämpfter sinusför miger Strom kann nach Caldwell (US Patentschriften 4,940,453 und 5,047,005; auch in Kapitel 4 des o.g. Buches) eine neurologische Zelle stimulieren. Aus dem bisher Gesagten kann entnommen wer den, daß der Stand der Technik sehr hohe Ströme in einer Erre gungsspule erfordert, mit der möglichen Folge von Durchbrüchen, Versuchspersonenverletzungen, und das Erfordernis besonderer Stromquellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur magnetischen Stimulation von Neuron-Zellen zu schaffen, welches nur beschränkte Stromstärken erfordert.

Reilly in JOHNS HOPKINS APL TECHNICAL DIGEST, vol. 9, 1988, Nr. 1, Seiten 44-59 beschreibt den Mechanismus in der Stimulation einer myelinhaltigen Neuronzelle. Für Säugetiere ist die Ruhestandspannung innerhalb der Zelle ungefähr -90 mv be züglich der Spannung außerhalb der Zelle; die Spannung hinüber der Zellmembrane nennt man die Transmembranspannung. Die Ruhe standspannung entsteht- aufgrund verschiedener Ionenkonzentratio nen (hauptsächlich Na⁺ und K⁺) auf den entgegenliegenden Seiten der Membrane. Die Membran kann die Form paralleler Zweige mit nichtlinearen Leitfähigkeiten g_Na und g_K annehmen, wo jeder Zweig in Reihe mit Spannungsquellen E_Na und E_K entgegengesetzter Polari tät liegt. Auf genügende elektrische Erregung hin verändern sich die Werte g_Na und g_K nahezu stufenweise, der Wert g_Na verändert sich von unterhalb des Wertes g_K bis oberhalb des Wertes g_K. Zwei weitere Zweige enthaltend, der eine einen Kondensator und der andere einen linearen Leiter g_L und in Reihe mit einer anderen Gleichstromquelle E_L mit der gleichen Polarität wie E_K sind par allel mit den g_Na- und g_K- enthaltenden Zweigen geschaltet. Nach genügender elektrischer Stimulation um Ionenmigration durch die Membran herbeizuführen, finden die beinah stufenweise Änderungen der g_K und g_Na statt, wodurch die Transmembranspannung plötzlich sich auf + 20 mv in Säugetieren verändert; wenn so auf + 20 mv "geschossen" (hiernach einfach als "aktiviert" bezeichnet) ist die Zelle im depolarisierten Zustand. Zwischenwertige Transmem branspannungen innerhalb der polarisierten und depolarisierten Zustände werden hyperpolarisiert genannt.

Die g_Na- und g_K-Werte sind von der Transmembranspannung festgesetzt, die ihrerseits von den Leitfähigkeits-, Kondensator- und Spannungs-Werten bestimmt wird. Da g_Na und g_K nichtlinear sind, und aufgrund der Parallelkondensatorwirkung, bewirkt eine Wechselstromstimulation geeigneter Frequenz eine höhere Transmem branspannung im Laufe von jedem Zyklus. Die zeitlichen Auswir kungen der g_Na, g_K, g_L und der Membrankapazität sind als Integra tionszeitkonstante bezeichnet.

Um einen Grad an Zeitintegration eines zyklischen, magnetischen Stimulusmuster zu erreichen, muß die Stimulusfolge zeit, das heißt die Periode des an die Zelle angelegten Wechsel stroms, einen Bruchteil einer Integrationszeitkonstante eines stimulierten Nerven sein. Zeiteigenschaften von Nervenreizung sind allgemein durch eine Stärke-Dauer (S-D) Zeitkonstante ange geben. Die Stärke-Dauer Zeitkonstanten für peripherische Nerven- Stimulation werden experimentell bestimmt und liegen in dem Bereich von ungefähr 50 µs bis nahezu 1 ms. Die Zeitintegra tionsperiode erstreckt sich bis zu mehreren Stärke-Dauer Zeitkon stanten.

Die Stärke-Dauer Zeitkonstante ist eine Eigenschaft des zu reizenden Gewebe sowie einer Stromverteilung aufgrund der Ionenmigration durch die fette und normalerweise nichtleitenden neuralen Membran. Die Zeitkonstante fällt ab wenn die Stromver teilungsdichte in der Membran wächst, und erhöht sich wenn die Stromdichte abnimmt. Der Membranstrom hängt von den Raumeigen schaften des induzierten elektrischen Feldes und von der Form der Zelle ab. Zwei Faktoren die zur Membranstromdichte beitragen sind hohe Werte des induzierten elektrischen Gradienten und scharfe Zellenknicke.

Der erreizte Bereich hängt von der Stimulationspolari tät ab, also von der Richtung des induzierten elektrischen Fel des. Zwangsfällig ist ein magnetisch induziertes elektrisches Feld ein ladungsausgeglichener Stimulus mit positiven und negati ven Phasen.

Die Erfindung

In einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird eine Neuronzelle aus einem polarisierten Ruhezustand in einen akti vierten Zustand mit einer Transmembranspannung die bedeutend von der des Ruhezustandes abweicht stimuliert, indem ein erstes Energiefeld der Zelle angelegt wird um diese Zelle aus dem Ruhe zustand herauszufördern, in solcher Art, daß die Transmembran spannung der Zelle verschieden von den Ruhe- und Aktivations- Zuständen ist. Ein eine zyklische magnetische Komponente enthal tendes Feld wird der Zelle angelegt während die Transmembranspan nung von der Spannungen der Ruhe- und Aktivations-Zustände ab weicht. Die zyklische magnetische Komponente enthält Frequenz und Amplitude und wird mit den Auswirkungen des ersten Energiefeldes in solcher Weise kombiniert, daß jeder Zyklus der zyklischen magnetischen Komponente eine Erhöhung der Transmembranspannung der Zelle mit sich bringt, ohne deshalb die Zelle aus dem Zustand zwischen Ruhe- und Aktivations-Zustand herauszufördern. Die an die Zelle angelegte zyklische magnetische Komponente besitzt Dauer und Größe und ist mit den Auswirkungen des ersten Energie feldes in solcher Art kombiniert, daß die Erhöhungen der Trans membranspannungen so aufbauen, daß die Zelle von dem Ruhezustand in den aktivierten Zustand gebracht wird. Damit wird die Zelle von einem Zustand in den anderen versetzt ohne den Zwang für einen verhältnismäßigen großen Strom von dem die magnetische Feldkomponente erzeugt wird.

In einer Ausführungsart der Erfindung besteht das Verfahren darin, daß mehrere magnetische Spulen in der Nähe verschiedener Stellen einer Versuchsperson aufgesetzt werden, einschließlich der zu stimulierenden Neuronzelle. Die verschie den Spulen werden mit Strömen mit verschiedenen Zeiteigenschaften betrieben, wodurch einer der an die Spulen angelegte Ströme eine zyklische Komponente enthält. Magnetische Felder die von den Strömen durch die verschiedenen Spulen erzeugt werden sind in solcher Weise mit der Zelle gekoppelt, daß das magnetische Feld von wenigstens einer anderen Spule die Zellmembranspannung aus dem Ruhezustand in einen Zustand zwischen Ruhe und Aktivierung zwingt. Die zyklische Komponente wird der Zelle angelegt während die Transmembranspannung von den Ruhe- und Aktivierung-Zuständen abweicht. Die zyklische der Zelle angelegte Komponente enthält Dauer sowie Amplitude und wird mit den Auswirkungen des magneti schen Feldes der anderen Spulen so kombiniert, daß die einzelnen Erhöhungen aufgebaut werden um den Zellen-Zustand von Ruhe in Aktivierung zu verändern.

In gewissen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird das erste Energiefeld erhalten indem ein unipolarer, konstanter Impulse an die erste der Spulen angelegt wird, während eine zweite der Spulen mit einem Wechselstrom einer Periode die klei ner als die Stärke-Dauer Zeitkonstante ist, erregt wird.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Volumen welches die zu stimulierenden Zellen enthält jedoch viel größer als deren Gesamtvolumen ist, durch an Spulen ange legte unipolare Gleichstrom Impulse hyerpolarisiert, wobei diese Spulen das größere Volumen umfassen. Ein depolarisierendes Feld ist durch eine andere Spule an die zu stimulierenden Zellen angelegt, wobei die übrigen Zellen in dem größeren Volumen hyper polarisiert bleiben.

Die obengenannten und auch weitere Gegenstände, Eigen schaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung, werden näher in der folgenden ausführlichen Beschreibung bestimmter Ausführungen, insbesondere im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen, erklärt.

Kurze Diskussion der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Schema eines Ausführungsbeispiel der Erfindung mit ersten und zweiten Spulen die bzw. von bipolaren und unipolaren Strömen erregt werden,

Fig. 2 und Fig. 2a zeigen eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung worin den Zellen hyperpolarisierende unipolare magnetische Felder und ein depolarisierendes unipolares magnetisches Feld angelegt werden,

Fig. 3 zeigt ein Schema eines weiteren Ausführungsbei spiel der Erfindung worin ein unipolares magnetisches Feld zusammen mit einem Mikrowellenfeld Neuronen stimulieren,

Fig. 4 ist ein weiteres Schema von noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung worin zwecks Neuronstimulation ein Mikrowellenfeld mit einem fokussierten Feld einer kompressi ven Ultraschallwelle kombiniert wird,

Fig. 5 zeigt ein Schema eines anderen Ausführungsbei spieles der Erfindung worin das Gerät der Fig. 1 abgeändert wurde um den stimulierten Zellen von einer auf einem Ultraschall-Vi brator befestigten Spule ein asymmetrisches magnetisches Feld anzulegen,

Fig. 6 zeigt ein Schema eines anderen Ausführungsbei spieles mit drei Achterfiguren-Spulen die von verschiedenen Quellen verschiedene Zeitdauern erregt werden und welche sich in der Nähe verschiedener Kopfzonen befinden,

Fig. 7 ist eine Draufsicht magnetischer Kraftli nien, welche von drei übereinandergeschichteten Achterfigu ren-Spulen mit einer gemeinsamen lotrechten Achse erzeugt werden,

Fig. 8 ist eine Draufsicht der drei übereinander geschichteten Achterfiguren-Spulen mit einer gemeinsamen lotrechten Achse,

Fig. 9 zeigt die linke Seite des Kopfes der Fig. 6 mit einer Achterfiguren-Spule über dem Kopf sowie magne tische Kraftlinien,

Fig. 10 zeigt die rechte Seite des Kopfs der Fig. 6 sowie magnetische Kraftlinien,

Fig. 11 ist eine Draufsicht des Kopfs und zeigt eine Achterfiguren-Spule auf der linken Kopfseite sowie ma gnetische Kraftlinien.

Bevorzugte Ausführungen der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Neuronzellenstimulation in dem menschlichen Gehirn. Zwei spi ralförmige, nebeneinander angeordnete Scheibenspulen 10 und 12 werden auf den menschlichen Kopf 14 gesetzt. Die zu stimulieren den Neuronen befinden sich entlang einer Linie unter den benach barten äußeren Zonen 16 und 18 der Spulen 10 bzw. 12. In einem der Ausführungsbeispiele enthält jede Spule 10 und 12 die gleiche Anzahl an Windungen, z. B. zehn, wobei der Durchmesser der Spule 10 etwas kleiner als die Hälfte des Durchmessers der Spule 12 ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Durchmesser der Spulen 10 und 12 2.5 bzw. 6 cm. Die Windungen der Spulen 10 und 12 sind so angeordnet, daß deren magnetische Flüsse additiv kombinieren; die maximale Amplitude liegt entlang der obengenann ten Linie in den zu stimulierenden Neuronen im Kopf 14 zwecks fokussierter Stimulation innerhalb des Gehirns.

Die Anschlußklemmen der Spulen 10 und 12 sind mit einer pulsierender, sinusförmiger (bipolaren) Quelle 20 bzw. einer pulsierender (unipolarer) Rampenquelle 22 mit einer Wellen form ähnlich derjenigen Trapezwellenform, die der Ablenkspule einer Fernsehkathodenstrahlröhre angelegt ist. In einem bevor zugten Ausführungsbeispiel erzeugt die Quelle 20 während 1 ms eine Art 80 kHz sinusförmige Trägerwelle und zugleich erzeugt die Quelle 22 während 0.2 ms eine positive Rampe, wonach der Strom der Quelle 22 während ungefähr 0.2 ms konstant gehalten wird oder allmählich abnimmt. Je nach der Frequenz der Quelle 20 ändert sich proportional die in den Neuronen von der Quelle 20 induzier te Spannung. Die Quelle 20 kann andere geeignete Frequenzen so niedrig wie 10 kHz erzeugen und die Leistungszeit der Quelle mag andere Werte annehmen; die Dauer und die Form der Impulse von der Quelle 20 können nach Wunsch geändert werden.

Um die Wellen der Quellen 20 und 22 entweder in Reihen folge oder zugleich den Spulen 10 und 12 zuzuführen, werden die Quellen in Synchronisierung von einer Auslösequelle 24 betrieben, deren Ausgangssignal parallel einer Impulsquelle 22 und einer regelbaren Verzögerungsschaltung 26 eingespeist wird. Die Im pulsquelle 22 spricht auf das Ausgangssignal der Auslöseschaltung 24 an und erzeugt den an die Spule 12 angelegten, 0.2 ms unipola ren, nahezu Rechteckimpuls, während die Verzögerungsschaltung 26 das Ausgangssignal der Auslösequelle 24 von 0 bis 0.2 ms ver zögert. Der Impulsgeber 28 ist in solcher Art angeschlossen, daß er auf das Ausgangssignal der Auslöseschaltung 26 anspricht und eine nahezu Rechteckwelle erzeugt, die 1 ms andauert und die einem Ermächtigungseingang der Quelle 20 eingespeist wird. Da durch werden 80 Zyklen sinusförmigen Stroms während 1 ms von der Quelle 20 der Spule 10 angelegt.

Die Spulen 10 und 12 sprechen auf eingespeiste Ströme an und erzeugen dann magnetische Flüsse die den zu stimulierenden Zielneuronen eingekoppelt werden; die Spule 10 spricht auf den Wechselstrom an und erzeugt ein wechselndes magnetisches Feld, während die Spule 12 auf einen Rampenstrom anspricht und erzeugt ein Gleichstrom-Magnetischfeld erzeugt während die Rampe andau ert. Danach nimmt das Gleichstrom-Magnetischfeld plötzlich ab. Der Fluß von der Spule 10 oder 12 allein genügt nicht, die Ziel neuronen aus dem polarisierten Ruhezustand in den aktiven Zustand zu stimulieren. Die Wirkungen der magnetische Flüsse werden ad ditiv in den gezielten Neuron-Zellen kombiniert um damit diese Zellen aus dem Ruhezustand in den aktiven Zustand zu befördern. Aufgrund des magnetischen Feldes der Spule 12 wird die Transmem branspannung der Zielneuronen aus dem Ruhezustand in einen Zwi schenzustand befördert dessen Transmembranspannung etwas niedri ger liegt als die des aktiven Zustandes; d. h., die Transmembran spannung ist auf ungefähr 90% der Differenz zwischen den polari sierten und depolarisierten Spannungen der Zielneuronen erhöht. Da das zu stimulierende Neuron (Zielneuron) nichtlineare Gedächt niseigenschaften aufweist, verbleiben die Wirkungen des Gleich strom-Magnetischfeldes in dem Zielneuron und werden mit den Wirkungen des Wechselstrom-Magnetischfeldes kombiniert selbst nachdem das Gleichstrom-Magnetischfeld auf einen verächtlich kleinen wirksamen Wert gefallen ist.

Die Spule 10 erzeugt in solcher Weise eine zyklische magnetische Feldkomponente mit Frequenz und Amplitude, daß jeder Zyklus der magnetischen Komponente (also der Quelle 20) eine inkrementale Erhöhung der Transmembranspannung der gezielten Neuron-Zellen herbei führt ohne dabei die Zellen aus dem Ruhe- in den Aktiv-Zustand hinein zu befördern. Die Dauer und die Am plitude der von der Spule 10 an die gezielten neuralen Zellen angelegte zyklische magnetische Komponente (also die Amplitude der Quelle 20 und deren Einspeisungszeit) zusammen mit den Wir kungen des magnetischen Feldes der Spule 12 führen einem Aufbau der inkrementalen Zellveränderungen herbei, wodurch die Zielzel len aus dem Ruhe- in den Aktiv-Zustand befördert werden, also, die Zellen werden aktiv bzw. sind stimuliert.

Eigentlich erzeugt das magnetische Feld der Spule 12 einen unterschwelligen "konditionierenden" Stimulus wodurch die Zielzellengewebe reizbarer und die Stromerfordernisse der Spulen 10 und 12 stark heruntergesetzt werden. Die Rückwirkungen zwi schen den magnetischen Felder der Spulen 10 und 12 nützen die Vorteile der nichtlinearen Eigenschaften der Neuronen aus; dies wurde auf der Basis eines myelinierten Nervenmodell mit einer elektrodynamischen Gleichung für eine Frankenhaeuser-Huxley′sche nichtlineare Membran untersucht. Diese Gleichung basiert sich auf die Tatsache, daß eine hohe Kaliumionenkonzentration (K+) intrazellular in dem Neuron und hohe Natriumionenkonzentration (Na⁺) außerhalb dem Neuron besteht. Das Neuron weist eine Fett membran auf, es ist weiterhin elektrisch nichtleitend und enthält Kanäle deren Zustand sich von geschlossen nach offen ändern wenn die Zelle sich von dem Ruhe- in den Aktiv-Zustand abändert. Auf die elektrische Stimulation der magnetischen Felder hin treten Natriumionen in den Bereich der Zellmembran herein und werden durch Ionen von einer anderen Zone ersetzt. In Reaktion auf den durch die magnetischen Feldern in den Zellen induzierten Strom werden die Ionen der Reihe nach überführt. In der Nähe der Schwelle des aktiven Zustandes sind fast alle Kanäle offen, wodurch sich eine Art nichtlineares Schaltungsverhalten ergibt. Deshalb werden die Kanäle als "Spannungstor-gesteuerte Natriumka näle" (voltage gated sodium canals) betrachtet. Natriumione bewegen sich in die Zellen hinein und erzeugen damit einen kleinen Strom der sich an den Zellmembranen fortpflanzt. Eine Änderung der Spannung findet statt mit zugeordneter Zellenaktivierung wenn alle Kanäle offen sind.

Der Wirkungsgrad der Wechselwirkung zwischen den magne tischen Feldern der Spulen 10 und 12 hängt von verschiedenen Parametern ab, darunter die Größe der den Spulen 10 und 12 ange legte Ströme, der Takt der den Spulen 10 und 12 angelegten Wel lenformen und die Frequenz des der Spule 10 angelegten Stromes. Sei angenommen, daß die Spule 12 ein 0.2 ms konditionierendes E- Feld erzeugt mit solcher Amplitude, daß 90% der Aktivierungs schwelle für die Zielneuronen erzeugt worden ist, und daß eine 80 kHz sinusförmige Wellenform während 1 ms der Spule 10 angelegt wird. Man fand, daß wenn die Spulen 10 und 12 nacheinander mit solchen Parametern erregt werden in solcher Weise, daß das Feld der Spule 10 sofort anfängt sobald das Feld der Spule 12 beendet ist, daß die Amplitude des der Spule 10 angelegten Stromes zur Stimulation der Zielneuronenzellen 50% der Amplitude dessen an die Spule 10 angelegten Stromes sein muß, der erzeugt würde wenn die Spule 10 allein verwendet würde. Anderseits, wenn die an die Spulen 10 und 12 angelegten Wellenformen gleichzeitig Vorder flanken aufweisen, dann ist die Amplitude des an die Spule 10 angelegten Stromes zwecks Stimulation nur 29% dessen Stromes der, in der Abwesenheit des magnetischen Feldes der Spule 12, an die Spule 10 angelegt werden muß.

Man fand weiterhin, daß das Gerät der Fig. 1 sich bedeutend schärfer einstellen läßt als die Apparatur des Standes der Technik von Cohen et al (oben) worin zwei symmetrische, spiralförmige Scheibenschleifen einer einzigen Spule mit einander in Reihe verbunden sind. Die vorliegende Erfindung erlaubt verbesserte Scharfeinstellung da im Verhältnis zum Stande der Technik die Spule 10 klein ist und daher eine kleinere Zone des Spitzenwerts der Dichte des magnetischen Feldes erzeugt. Wollte man solch eine kleine Spule nach dem Stande der Technik erregen, so wäre ein unzulässig hoher Strom erforderlich um die kleine Spitzenflußdichte in einer entsprechend kleinen Querschnittsfläche den Schädel zu durchqueren und das Gehirn zu erreichen. Im Gegensatz dazu erlauben die kombinierten Wirkungen der magnetischen Felder der Spulen 10 und 12 die bedeutende Beschränkung der erforderlichen Spitzenströme im Verhältnis zu dem Fall einer einzigen Spule mit zwei in Reihe verbundenen Schleifen.

Fig. 2 und Fig. 2a veranschaulichen ein weiteres Aus führungsbeispiel der Erfindung worin spiralförmige Scheibenspulen 42, 44 und 46 auf den Kopf einer Versuchsperson gesetzt worden sind in solcher Weise, daß die Spulen 42 und 44 sich auf und an entgegengesetzten Seiten des Kopfs und Gehirns befinden, während die Spule 46 hochkant auf dem Kopf und über dem Gehirn und den Zielneuronzellen steht.

Die Spulen 42 und 44 speisen gleichzeitig magnetische Felder dem Gehirn der Versuchsperson um die darin liegenden Neuronzellen zu hyperpolarisieren, d. h., die Transmembranspannung der Neuronzellen in diesem Volumen auf ein Niveau erhöht wird, das negativer ist als der polarisierte Ruhezustand. Durch die Spule 46 wird ein depolarisierendes Feld den Zielneuronen ange legt während die Neuronzellen seitlich der Zielzone hyperpolari siert wurden und daher nicht von einem Stimulationsimpuls der gelieferten Größe der Spule 46 stimuliert werden können. Ir gendwelcher der bipolaren, unipolaren oder Rampen-Ströme ist den Spulen 42, 44 und 46 angelegt. Die Dauer der Impulse von der Spulen 42 und 44 ist kleiner als, so groß wie oder größer als die Speisungszeit des Stromes in die Spule 46.

Für solche Zwecke und in Hinsicht der Fig. 2 und 2a, speist die Auslösequelle 48 Auslöseimpulse parallel mit der Rampenwelle-Impulsquelle 50 und den Verzögerungselementen 52 und 54. Die Impulsquelle 50 spricht auf ihre Eingangsauslöseimpulse an und liefert einen 0.2 ms unipolaren Rampenstromimpuls der der Spule 42 angelegt wird. Nachdem sie eine Verzögerung von unge fähr 0.2 ms dem Auslöseausgang der Quelle 48 auferzwungen hat, aktiviert die Verzögerungsschaltung 54 den Impulsgeber 58 in den aktiven Zustand hinein, wodurch ein 0.2 ms unipolarer, Rampen stromimpuls der Spule 44 angelegt wird. Weiterhin, nachdem die Verzögerungsschaltung 52 eine Verzögerung von ungefähr 0.4 ms dem Auslöseausgang der Quelle 48 auferzwungen hat, aktiviert diese Schaltung 52 den Impulsgeber 56 in den aktiven Zustand hinein, wodurch ein 0.2 ms, unipolarer Rampenstromimpuls der Spule 46 angelegt wird.

Folglich werden unipolare, magnetische Flüsse, je 0.2 ms lang, von den Spulen 42 und 44 über einen weiten Bereich der Versuchspersongehirns eingespeist um die Neuronen in diesem Bereich zu hyperpolarisieren. Nachdem die Neuronen in diesem Bereich von den Flüssen der Spulen 42 und 44 hyperpolarisiert worden sind, liefert die Rampenquelle 56 einen 0.2 ms-langen depolarisierenden Strom der Spule 46.

Die magnetischen Felder der Spulen 42 und 44 hyperpola risieren mehr die darunterliegenden Neuronen als sie die der Spule 46 unterliegenden Neuronen hyperpolarisieren; dementspre chend wird die Transmembranspannung auf ein Niveau erhöht welches negativer als der Ruhezustand ist. Das magnetische Feld der Spule 46 ist scharf auf die Zielneuronen eingestellt um diese Zellen zu depolarisieren. Die Größe des Zielbereiches ist effektiv um die angrenzenden Zonen der hyperpolarisierten Neuronen verkleinert worden, da letztere Neuronen nicht von dem magnetischen Feld der Spule 46 depolarisiert werden können um sie von dem Ruhe- in den Aktiv-Zustand hinein zu versetzen.

Die Technik der Beschränkung der wirksamen Größe des Zielbereiches mittels angrenzender hyperpolarisierender Spulen kann mit jeglichem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kombiniert werden um weiter die Größe des stimulierten Bereiches fein abzustimmen. Außerdem sind zahlreiche Kombinationen unipo larer, bipolarer und Rampenimpuls-Mustern möglich, um die ge wünschten Zwecke zu erreichen.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches Mikrowellenfeld-Erregung in Kombination mit unipolarer Wechselstrom magnetischer Felder- Erregung der Zielneuronenzellen aufweist. Die Mikrowellen werden mittels des Mikrowellentrichter 56 mit Öffnung 58 an die direkt darunter liegenden und zu behandelten Neuronen gekoppelt. Der Trichter 56 ist an einem Ende des Wellenleiter 60 angeschlossen, das andere Ende ist mit einer pulsierender Mikrowellenquelle 62 einer Frequenz z. B. von 2.8 GHz.

Mittels dem Ausgang der pulsierender Quelle 64 wird die Mikrowellenquelle 62 ermächtigt, die Quelle 64 ihrerseits spricht auf den Ausgang der von der Auslösequelle 68 angetriebene Ver zögerungsschaltung 66 an. Der Ausgang der Auslöseschaltung 68 treibt ebenfalls die mit der Verzögerungsschaltung 66 parallelen pulsierender Quelle 70. Die pulsierende Quelle 70 spricht auf einen Impulse von der Auslöseschaltung 68 an um einen unipolaren
oder Wechselstrom-Impulse bestimmter Dauer, z. B. 0.2 ms, zu erzeugen. Weiterhin kann der Impuls von der Quelle 70 rampenför mig sein, wie schon bezüglich der Quelle 22 beschrieben. Der Ausgang der Quelle 70 speist die spiralförmige Scheibenspule 72 die wie die Spule 12 in Fig. 1 ausgelegt ist. Das Verzögerungs element 66 besitzt eine regelbare Verzögerung, z. B. zwischen 0 und 0.2 ms, wodurch Mikrowellenenergie von dem Trichter 56 gleichzeitig oder nacheinander den Zielneuronen gespeist wird, mit Anlegung des magnetischen Flusses der Spule 72.

Das magnetische Feld der Spule 72 konditioniert die zu stimulierenden Neuronen in derselben Weise wie das magnetische Feld der Spule 12 Zielneuronen in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Zielneuronen stimuliert. Gewebe-Wechselwirkungen mit dem Mikrowellenfeld von dem Trichter 56 werden mit den Wirkungen des magnetischen Feldes der Spule 72 kombiniert um die Zielneuro nen in ähnlicher Weise wie oben bezüglich Fig. 1 schon beschrie ben zu stimulieren. Dementsprechend wirken das Feld des Trich ters 56 und das magnetische Feld des Spule 72 aufeinander in ähnlicher Weise wie das magnetische Feld der Spule 10 und das magnetische Feld der Spule 12 sich gegenseitig beeinflussen.

Die konditionierende Wirkung der Spulen 12 und 72 ist auch von anderen Energiequellen erhältlich, z. B. von einer hoch frequenten Ultraschallquelle oder von einer die Zielneuronen bestrahlenden Röntgenquelle. Fig. 4 veranschaulicht ein Aus führungsbeispiel der Erfindung worin eine fokussierte Ultraschall-Druckwellenquelle in Kombination mit einer Mikrowel lenquelle eingesetzt wird. Der Ultraschallwandler 74 wird auf die Kopfspitze dicht an die die Öffnung 58 des Trichters 56 bildende Seitenwand 57 gesetzt. Der Wandler 74 wird von einer Wechselstromquelle 76 mit einer Frequenz z. B. von 2 MHz erregt, um einen fokussierten Ultraschallstrahl zur Bestrahlung der Ziel neuronenzellen zu erzeugen. Sei angenommen, daß der fokussierte Strahl mechanisch die Zielneuronen hin und her treibt um sie zu erhitzen, wodurch der Strom erforderlich zur Beförderung der Zielzellen aus dem polarisierten Ruhezustand in den aktiven Zustand hinein erniedrigt wird. Die Gewebewechselwirkung auf die Energie des Trichters 58 verursacht inkrementale Veränderungen in der Transmembranspannung der Zielneuronen ohne dabei diese Neuro nenzellen in den aktiven Zustand hinein zu befördern. Die Mikro wellenenergie des Trichters 56 wird lange genug gespeist um den Aufbau der inkrementalen Veränderungen herbei zu führen, wodurch die Zielneuronen letzten Endes von dem Ruhe- in den Aktiv-Zustand hinübergehen. Sollte eine Röntgenquelle anstatt einer Ultra schallquelle eingesetzt werden, dann wird vermutlich ein ähn licher Mechanismus auf die Energie der Röntgenstrahlen an den Zielneuronen ansprechen.

Fig. 5 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, worin das magnetische Feld der Spule 10 (Fig. 1) asymmetrisch ist, wodurch das mit den Zielneuronen von den posi tiven Halbzyklen gekoppelte magnetische Feld größer ist als das magnetische Feld der negativen Halbzyklen. Zu diesem Zweck ist die Spule 10 an der unteren Seite eines nichtmagnetischen Ul traschall-Vibrators 78 der also das magnetische Feld der Spule 10 nicht beeinflußt, angeordnet. Der Vibrator 78 kann so herge stellt werden, daß er im allgemeinen quer zum Versuchspersonkopf 14 schwingt, also in einer Ebene die quer zur Ebene der spiral förmigen Scheibenspule 10 liegt. Ebenfalls mag der Vibrator 78 so angeordnet sein, daß er ungefähr in der Ebene der Spule 10 schwingt.

Der Vibrator 78 weist Erregungsklemmen 80 auf die an einen regelbaren Phasenschieber 81 angeschlossen sind welcher von dem Ausgang der pulsierenden sinusförmigen Wellenquelle 20 in parallel mit der Spule 10 gespeist wird. Der Phasenschieber 81 ist so eingestellt, daß der Vibrator 78 und die Spule 10 synchron mit dem Wechselstrom in der Spule schwingen. Die Phasen der mechanischen Schwingung des Vibrators 78 und des Erregungsstrom zur Spule 10 sind derart, daß wenn der der Spule angelegte Strom sich in einem positiven Halbzyklus befindet, die Spule dann nähest zum Versuchspersonkopf sein wird, angenommen, daß der Vibrator 78 in der Querrichtung schwingt. Umgekehrt wird der Vibrator 78 die Spule 10 leicht vom Versuchspersonkopf quer weg schieben wenn der Strom in der Spule 10 sich in einem negativen Halbzyklus befindet. Folglich ist die Amplitude des von der Spule 10 an die Zielneuronen gekoppelte magnetische Wechselfeld größer während den positiven Halbzyklen als während den nega tiven. Damit wird ein asymmetrisches magnetisches Feld den stimulierten Neuronen angelegt um größere inkrementale Änderungen in der Transmembranspannung der stimulierten Neuronen in jedem Zyklus der Quelle 20 hervorzurufen als mit der Ausführung nach Fig. 1 erreicht wird.

Wird der Vibrator 78 so angeordnet, daß er in der Ebene der Spule 10 schwingt, dann wird der Phasenschieber 81 so einge stellt, daß die peripherische Kante der Spule 10 in der Nähe der Spule 12 dieser Spule 12 am nähesten ist während positive Strom in der Spule 12 anwesend ist. Während negativen Halbzyklen des Stromes in der Spule 10 wird der Vibrator 78 erregt, wodurch die Spule 10 von dem nahen Rand der Spule 12 entfernt wird. Folglich speist ein größerer magnetischer Fluß die Zielneuronen während den positiven Halbzyklen des Stromes in der Spule 10 als während den negativen Halbzyklen. Diese Asymmetrie resultiert in größe ren inkrementalen Änderungen der Transmembranspannung der Ziel neuronen während jedem Zyklus des Wechselstromes der Quelle 20.

In einer weiteren Ausführung werden die Druckwellen eines Ultraschallvibrators auf die Gewebe unter der magnetische Spule fokussiert um diese Gewebe mechanisch in das und aus dem magnetischen Feld zu schwingen in Synchronisierung mit den posi tiven und negativen Phasen der magnetischen Felder des Wechsel strom in der magnetischen Spule. Die Zielneuronen werden während der positiven Phase in das stärkste Feld verschoben, während andere, nahe, nicht-angezielte Neuronen in das stärkste Feld während der negativen Phase versetzt werden.

In einer weiteren Ausführung sind mehrere Spulen ver schiedener aber bestimmter Größen und auf bipolaren oder unipo laren Impulse mit verschiedenen bestimmten Amplituden, Dauern und Frequenzen ansprechend an verschiedenen aber bestimmten Orten festgesetzt, über, oder unter, oder um den Kopf herum. Die Spulen werden mit Strömen verschiedener aber bestimmter Phasen formen und Wellenformen erregt, wodurch die von allen gleichzei tig und/oder nacheinander betriebenen Spulen in den Zielneuronen induzierte elektrischen Felder sich inkremental in der Richtung der Depolarisation erhöhen. Die inkrementale Depolarisations erhöhungen sind größer für die Zielneuronen als die anderen Erhöhungen der Neuronen im Kopf. Folglich versetzen sich nur die Zielneuronen von dem Ruhezustand in den Aktivzustand hinein. In dieser Anordnung mögen die Neuronen irgendwo im Gehirne sein, nämlich an dessen Oberfläche und innerhalb.

Bezüglich der Fig. 6 wird jetzt eine bestimmte Anord nung der oben genannten Art betrachtet, worin Achterfiguren- Scheibenspulen 96, 98 und 100 mit zwei in Reihe geschaltete spiralförmige Spulensegmente auf den Versuchspersonkopf oder daneben befestigt werden. Die Spule 100 weist den kleinsten Durchmesser auf und befindet sich in der Nähe der linken Kopfsei te (Fig. 6) während die Spulen 98 und 96 mit mittlerem bzw. größtem Durchmesser sich in der Nähe des oberen Teils und der rechten Seite des Kopfs befinden. Die Ebenen der Spulen 96 und 100 erstrecken sich lotrecht und im allgemeinen parallel zu den Kopfseiten, während die Ebene der Spule 98 horizontal verläuft, im allgemeinen parallel zur Kopfspitze. Jede Spule 96, 98 und 100 ist in bekannter Art angeordnet, wodurch die magnetischen Felder deren zwei Segmente entlang einer Linie durch den Anschlußpunkt der zwei spiralförmigen Spulehälften an der Spu lenmitte und senkrecht zur Spulenebene additiv sind. Die Mittel anschlüsse 97 und 101 der Spulen 96 und 100 sind vertikal ausge richtet; Zielneuronen befinden sich in der Zone 103 wo die Linien die sich durch die Mittelanschlüsse 97, 99 und 101 senk recht zu den ebenen der Spulen 96, 98 und 100 erstrecken sich schneiden.

Die Spulen 96, 98 und 100 werden in gesteuerten Reihen folgen in verschiedenen Zeitintervallen und von einer Schaltung enthaltend Stromquellen 102, 104 und 106 mit Wechselströmen oder unipolaren zyklischen Strömen gegebenenfalls mit verschiedenen Amplituden erregt und stromlos gemacht. Die Frequenz der Quellen 102, 104 und 106 ist die gleiche und die Quellen sind in Syn chronisierung miteinander und erzeugen Ströme mit asymmetrischen Eigenschaften; z. B. ist die Neigung des positiven Zyklusteils größer (vorzugsweise zweimal so groß) als die Neigung des negativen Zyklusteils. Folglich ist das von jeder Spule entste hende magnetische Feld während des positiven Teils des Stromzy klus größer als das von der Spule entstehende magnetische Feld während des negativen Teils jedes Stromzyklus. Die Auswirkungen der größeren magnetische Feldern während des positiven Teils jedes Stromzyklus werden von den nichtlinearen Gedächtniseigen schaften der auf die magnetische Felder ansprechenden Neuronen aufgebaut. Die Phasen der Ströme in den Spulen 96, 98 und 100 sind derart, daß der der Mittelspule 98 angelegte Strom einen Kleinstwert hat (entweder Null wenn der Strom unipolar ist oder maximal negativ für Wechselstrom) wenn der an die kleinste Spule 100 angelegte Strom einen positiven Spitzenwert hat. Der die größte Spule 96 speisende Strom ist ein Minimum wenn der die Mittelspule 98 speisende Strom einen positiven Wert hat und wenn der Strom in der Spule 100 einen Wert halb zwischen seinem posi tiven Spitzenwert und die niedrigsten Werte hat, sei angenommen, daß jeder Strom eine positive Neigung hat die zweimal die der negativen Neigung ist. Dieses bevorzugtes Phasenverhältnis erlaubt es, daß das magnetische Feld der größten Spule 96 wenig stens teilweise die Wirkungen der magnetischen Felder der Spulen 98 und 100 ausgleicht, welche dazu neigen, die Zielzellen gegen den Ruhestand zu verschieben.

Um diese Resultate zu erreichen sind die Quellen 102, 104, 106 mittels einer Auslösequelle 108, die regelbare, par allele Verzögerungsschaltungen 110, 112 und 114 antreibt, syn chronisiert. Wenn die Impulsquellen 116, 118 und 119 aktiviert werden, sind die Ausgangsimpulse der Schaltungen 110 bzw. 112 bzw. 114 steuernd. Die Impulsquellen 116, 118 und 119 bilden Impulse gegebenenfalls verschiedener Breiten um die Stromquellen 102, bzw. 104 und bzw. 106 zu ermächtigen und den Spulen 96, 98 und 100 Ströme mit geeigneten Phasen und Dauern anzulegen. Aufgrund der nichtlinearen Gedächtniswirkungen der Neuronen können die Stromquellen 102, 104 und 106 von Impulsquellen 116, 118 und 119 nacheinander erregt werden.

In den Ausführungsbeispielen der Fig. 7 und 8 liegen die Scheibenspulen 120, 122 und 124 in gegenseitigen parallelen Ebenen über dem Versuchspersonkopf und sind so angeordnet, daß ihre Mittelanschlüsse 121, 123 und 125 auf eine Linie fallen die sich durch die Zielneuronen erstreckt. Die Spule 120 mit dem kleinsten Durchmesser wird auf den Versuchspersonkopf gesetzt, die Spule 122 mit dem mittleren Durchmesser liegt zwischen der Spule 124 mit dem größten Durchmesser und der Spule 120. Die Spulen 120, 122 und 124 werden in gesteuerten Reihenfolgen und während verschiedenen Dauern erregt und stromlos gemacht und sind mit Wechselstrom oder unipolaren zyklischen Strömen verschiedener Amplituden und vorzugsweise asymmetrischen Phasen von einer Schaltung der in Fig. 6 gezeigten Art gespeist.

Alle doppelseitig, in Reihe verbundene spiralförmige Scheibenspulen ("Achterfiguren" genannt) sind in solcher Weise ausgerichtet und erregt, daß ein unipolarer oder bipolarer Strom in der gleichen Richtung in den Drähten der Anschlußzonen der zwei Seiten der genannten Achterfigurenspulen besteht.

Das von dem Strom in den Drähten der Spulen 120, 122 und 124 erzeugte magnetische Feld wird hierin als das Feld be zeichnet, welches die darunterliegenden Neuronen depolarisiert wenn die Stromneigung positiv ist.

In einem Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser jeder spiralförmigen Seite der Spule 120 z. B. 2 cm; eine bestimmte Wellenform wird angelegt. Die Frequenz der Wellenform ist fest gesetzt (z. B. 80 KHz), auch die Spitzenamplitude (z. B. 1600 A) und Dauer (z. B. 800 µs). Der Strom fließt in der selben Richtung in der mittelgroßen, doppelt spiralförmigen, in Reihe geschalte ten Spule 122 in Drähten auf beiden Seiten der Anschlußzone 123 in einer Richtung wodurch die Neuronen depolarisiert werden. Die Stromrichtung in der Spule 122 hängt von der eigentlichen Orien tation der zustimulierenden darunterliegenden Neuronen ab.

Zu einer bestimmten Zeit fängt der Strom in der Spule 122 an und (z. B. wenn der Strom in der Spule 120 beginnt) und hält eine bestimmte Zeit an (z. B. 800 µs), und besitzt eine be stimmte Amplitude (z. B. 2,800 A). Der Strom in der Spule 122 kann so gestaltet werde, daß er in einem längeren Zeitintervall auf einer bestimmten Spitzenamplitude bleibt, da dies der beste Zustand für Zellenstimulation darstellt; um Erhitzung zu ver meiden, steigt der Strom in der positiven Neigungsrichtung wäh rend 200 µs auf seine Spitzenamplitude und dann kehrt während 200 µs um bis die minimale Stromstärke erreicht wird. Dann steigt der Strom wieder während 200 µs auf seinen maximalen Wert. Nach dem er den maximalen Spitzen wert erreicht hat, nimmt er ab während 400 µs bis er seinen minimalen Wert erreicht. Dadurch werden hyperpolarisierende Kräfte an den Zielneuronen minimi siert.

Der Durchmesser jeder spiralförmigen Hälfte der Spule 122 ist typisch ungefähr 6 cm.

Der Strom in der größten Spule 124 mit bestimmt Durch messer und Anzahl an Windungen (z. B. 30 cm auf jeder Seite der Doppelspirale und zehn Windungen) fließt ähnlich wie der Strom in der mittelgroßen Spule 122. Der Strom in der Spule 124 wirkt depolarisierend auf die Zielneuronen ein wenn seine Neigung positiv ist. Weiterhin besitzt der Strom in der Spule 124 bestimmte Frequenz, Dauer, Spitzenamplitude, Wellenform und rela tive Zeiteigenschaften; z. B. der Strom in der Spule 124 fängt 200 µs nach dem Anfang des Stromes in der kleinsten Spule 120 an.

Der Strom in der größten Spule 124 des Ausführungsbei spiels der Fig. 7 und 8 steigt in einer die Neuronen depolari sierender Richtung und besitzt genügende Stärke, um der hyperpo larisierende Wirkung in den Neuronen der Ströme negativer Neigung (in diesem Fall) der kleinsten und mittelgroßen Spulen 120 und 122 entgegen zu wirken. In Fig. 7 liefern magnetische Felder deren Richtungen und Orte bzw. durch die Pfeile 126 und die Linien 128, 130 und 132 angegeben sind die depolarisierende Auswirkungen der Spulen 120, 122 und 124 auf die Zielneuronen. Wenn der Strom in der kleinsten Spule 120 in der die Neuronen depolarisierenden Richtung fließt, braucht der Strom in der größten Spule 124 nur das hyperpolarisierende Streben des Stromes in der mittelgroßen Spule 122 auszugleichen. Also nimmt die Stromstärke in der Spule 124 weniger zu wenn die Ströme in den Spulen 120 und 122 in entgegengesetzten Richtungen fließen als wenn die Ströme in beiden kleine Spule 120 und mittelgroße Spule 122 in Richtungen fließen welche nach Hyperpolarisation streben.

Es muß betont werden, daß der Strom in der Spule 124 kleiner sein kann, gleich sein kann, oder größer sein kann als erforderlich zur vollen Ausgleichung der hyperpolarisierenden Wirkungen der Spulen 120 und 122, und daß die hierin gefundenen Spezifikationen nur Beispiele möglicher Wellenformen sind. Weiterhin können die Größen, Formen und die Orientation aller Spulen willkürlich abgeändert werden, z. B. wie in Fig. 6 ver anschaulicht.

Am Ende des positiven Teils des Stromes in der größten Spule 124 mag der Strom in der Spule 124 erstens derselbe blei ben, zweitens langsam mit einer kleineren Neigung als die der Ströme in der Spule 120 oder der Spule 122 abnehmen, oder drit tens mit einer anderen, bestimmten Geschwindigkeit zunehmen. In einer besonderen Ausführungsform nimmt der Strom in der größten Spule 124 in 200 µs von seiner positiven Spitzenamplitude auf einen Wert die Hälfte zwischen seiner positiven Spitzenamplitude und seinem niedrigsten Wert ab (negative Spitze oder Null oder positives Minimum) und nimmt von seinem niedrigsten Wert in 200 µs bis auf drei-Viertel seiner Spitzenamplitude zu. Da der Durchmesser der Spule 124 viel größer als die der Spulen 120 oder 122 ist, kann die Spule 124 viel größeren Strömen wider stehen als die Spulen 120 oder 122 und kann die begleitenden Kräfte aufnehmen, die die Qualität der Spulenmateriale verletzen mögen. Der Strom in der größten Spule 124 ist durch Erhitzung und deren Wirkung auf den Versuchspersonkopf beschränkt.

Die Spulen 96, 98 und 100 der Fig. 6 erzeugen die mit Linien 132, 134 und 136 in Fig. 9 bzw. 10 und bzw. 11 ver anschaulichten magnetischen Felder. Wenn magnetische Felder, die die Neurondepolarisation verursachen, von Strömen erzeugt werden die den Spulen 96, 98 und 100 angelegt sind, sind die Feldrichtungen durch die Pfeile 138 angegeben. Die magnetischen Felder sind in Reihenfolge, phasiert und so gelegen daß sie während jedem Zyklus der an die Spulen 96, 98 und 100 angelegten zusammengesetzten Strom-Wellenformen Neurondepolarisation in dem Bereich 103 erzielen. Die Depolarisationswirkungen bauen sich über viele Zyklen dieser Wellenformen auf, ohne dabei die an grenzenden Neuronen zu stimulieren. Ein ähnlicher Depolarisa tions-Aufbau findet in den Ausführungsbeispielen der Fig. 7 und 8 an Neuronen entlang der gemeinsamen Achse der Spulen 120, 122 und 124 statt, in Ansprechen auf die zyklischen Ströme in diesen Spulen.

Obwohl gewisse Ausführungsbeispiele oben beschrieben und veranschaulicht wurden, leuchtet es ein daß Modifizierungen bezüglich der Einzelheiten der insbesondere beschrieben und veranschaulichten Ausführungsbeispiele eingeführt werden kann ohne deshalb den wahren Sinn und Rahmen der in den anliegenden Patentansprüchen definierten Erfindung zu verlassen.

Eine phasengesteuerte Anordnung kann in allen Ausfüh rungsbeispielen verwendet werden, die an Gewebe gerichtete Mikro wellen- oder Ultraschall-Energie einsetzen um selektive Scharf einstellung innen oder auf der Oberfläche des Gehirns zu erzie len.

In anderen Ausführungsbeispielen kann eine einzige mit einem Wechselstromimpulse gespeiste Spule verwendet werden um die Zellen inkremental zu aktivieren.

In einem anderen Ausführungsbeispiel wird Ultraschall- Energie verwendet damit innerhalb des Gehirns und unter der magnetischen Spule gelegene Neurone wechselweise mechanisch komprimiert und expandiert werden, mit begleitenden Zu- und Ab- Nahme der elektrische Leitfähigkeit. Der Takt dieses Betriebes ist solcher, daß während den positiven und negativen Phasen der Wechsel des magnetischen Feldes die Zielneuronen und ein von der Gehirnoberfläche zu ihnen führenden Pfad komprimiert bzw. expan diert werden. Indem sie einen bevorzugten Pfad der elektrischen Leitfähigkeit von der Gehirnoberfläche schafft, vereinfacht die Ultraschallenergie die Stimulation im Gehirninnern unter Zustän den die sonstigerweise das Gehirn nur an seiner Oberfläche stimu lieren würde, oder überhaupt nicht.

Claims

1. Ein Verfahren zur Stimulation einer neuralen Zelle deren Spannungen sich von einem polarisierten Ruhezustand bis zu einem aktiven, depolarisierten Zustand erstrecken, wobei der Zellenzustand eine von der Ruhezustand-Transmembranspannung verschiedene Transmembranspannung aufweist, wobei das Verfahren darin besteht, ein erstes Energiefeld der Zelle anzulegen um die Zelle aus dem Ruhestand herauszufördern damit die Transmembranspannung von den genannten Zuständen abweicht, weiterhin daß während die Transmembranspannung von den genannten Zuständen abweicht ein eine zyklische magnetische Komponente enthaltendes Feld der Zelle angelegt wird, wobei die zyklische magnetische Komponente eine Frequenz und Amplitude besitzt und mit den Aus wirkungen des ersten magnetischen Feldes so kombiniert wird, daß jeder Zyklus der zyklischen magnetischen Komponente eine inkre mentale Änderung der Transmembranspannung der Zelle hervorruft ohne dabei die Zelle aus dem Ruhe- in den Aktiv-Zustand heraus zu fördern, wobei weiter die an die Zelle angelegte magnetische zyklische Komponente Dauer und Amplitude besitzt und in Kombina tion mit den Wirkungen des ersten Energiefeldes einen Aufbau der inkrementalen Änderungen hervorruft um den Zellen-Zustand von dem Ruhe- in den Aktiv-Zustand hinein zu ändern.

2. Das Verfahren nach Anspruchs 1 worin das erste Energiefeld von einem an eine erste Spule angelegten Strom erzeugt wird.

3. Das Verfahren nach Anspruch 2 worin der Strom ein unipolarer Impuls ist.

4. Das Verfahren nach Anspruch 3 worin die zyklisch magnetische Komponente von einem zyklischen an eine zweite Spule angelegten Strom erzeugt wird.

5. Das Verfahren nach Anspruch 3 worin die magnetische Komponente von einem an eine zweite Spule angelegten zyklischen Strom erzeugt wird während der unipolare Impuls-Strom (nach Anspruch 2) die erste Spule speist.

6. Das Verfahren nach Anspruch 2 worin der Strom eine Reihe von Impulsen enthält.

7. Das Verfahren nach Anspruch 1 worin die magnetische Komponente von einem zyklischen an eine Spule ange legten Strom erzeugt wird.

8. Das Verfahren nach Anspruch 1 worin der zyklische Strom sinusförmig ist.

9. Das Verfahren nach Anspruch 7 worin der zyklische Strom unipolare zyklische Impulse enthält.

10. Das Verfahren nach Anspruch 1 worin das erste Energiefeld von einer ersten Reihenfolge unipolarer, einer ersten Spule angelegten Stromimpulse, erzeugt wird.

11. Das Verfahren nach Anspruch 10 worin die zyklische Komponente von eine zweiten Reihenfolge einer zweiten Spule angelegten unipolarer Stromimpulse erzeugt wird.

12. Das Verfahren nach Anspruch 1 worin das erste Energiefeld von einem hyperpolarisierendem und den Zellenvolumen um die zu stimulierende Zelle herum speisenden magnetischen Feld erzeugt wird, wobei die zyklische magnetische Komponente der zu stimulierenden Zelle angelegt ist während die Zellen des umge benden Volumens hyperpolarisiert sind und die zyklische magneti sche Komponente die zu stimulierenden Zelle speist und ebenso die anderen Zellen mit solcher Intensität, daß die zu stimulierende Zelle in den Aktivzustand hinein befördert wird aber mit ungenügend Intensität um die hyperpolarisierten, die zu stimulierende Zelle angrenzenden Zellen, in den Aktivzustand zu befördern.

13. Das Verfahren nach Anspruch 12 worin das hyperpolarisierende Feld von einem unipolaren Strom erzeugt wird der gleichzeitig mehrere verschiedene Spulen an verschiedenen Orten speist.

14. Das Verfahren nach Anspruch 1 worin das erste Energiefeld und die zyklische magnetische Komponente einer Zelle angelegt werden indem mehrere magnetische Spule in verschiedenen Nähen der Versuchsperson angeordnet werden, indem die verschiede nen Spulen mit Strömen verschiedener Zeiteigenschaften erregt werden, wobei der Strom einschließlich der magnetischen Kom ponente einer der Spulen angelegt wird, weiterhin mit von den Strömen erzeugte magnetische Feldern die verschiedenen, an die Zelle gekoppelte Spulen erregen, wobei weiter das magnetische Feld mindestens einer der anderen Spulen die Zelle aus dem Ruhe- Stand hinausfördert damit die Zellentransmembranspannung sich von beiden Zuständen unterscheidet, wo die der Zelle angelegte zykli sche Komponente weiterhin Dauer und Amplitude aufweist und mit den Wirkungen des von mindestens einer der anderen Spulen erzeug ten magnetischen Feldes kombiniert wird, um damit den Aufbau inkrementaler Änderungen herbeizuführen, der den Zellenzustand von dem Ruhe- in den Aktiv-Zustand hinein ändert ohne dabei andere Zellen von dem Ruhe- in den Aktiv-Zustand hineinzufördern.

15. Das Verfahren nach Anspruch 1 worin das erste Energiefeld die Zelle aus dem Ruhestand hinaus befördert damit die Zellmembranspannung sich zwischen den Ruhe- und Aktiv-Zustän den befindet.

16. Das Verfahren nach Anspruch 1 worin das erste Energiefeld die Zelle aus dem Ruhezustand hinausfördert damit die Zellentransmembranspannung sich nicht zwischen den Ruhe- und Aktiv-Zuständen befindet und damit sie näher dem Ruhe- als dem Aktiv-Zustand sei.

17. Das Verfahren nach Anspruch 2 worin der Strom sich rampenartig ändert während er der ersten Spule ange legt ist.

18. Das Verfahren nach Anspruch 13 worin die zyklische Komponente von einem Strom erzeugt wird der eine Schei benspule speist die sich in einer Ebene befindet die allgemein senkrecht zu einer die Zelle einschließende Fläche der Versuchs person verläuft, wo die genannte Spule einen Rand in der Nähe der Versuchsperson aufweist und wo dieser Rand und die genannte Spulenebene allgemein mit der zu stimulierenden Zelle ausgerich tet sind.

19. Das Verfahren nach Anspruch 13 worin die mehreren verschiedenen die die hyperpolarisierenden Felder spei senden Spulen erste und zweite Spulen aufweisen, die sich an entgegengesetzten Seiten einer dritten, das zyklische, magneti sche Feld erzeugende Spule, befinden.

20. Das Verfahren nach Anspruch 19 worin die zyklische Komponente von einem Strom erzeugt wird der eine Schei benspule speist die sich in einer Ebene befindet welche senkrecht zu einer Fläche der Versuchsperson die die Zelle sowie einen Rand nahe der Versuchspersonfläche enthält, wobei der genannte Rand und die Spulenebene sich im allgemeinen auf die zu stimulierende Zelle ausgerichtet befinden.

21. Das Verfahren nach Anspruch 1 worin das erste Energiefeld und die zyklische, magnetische Komponente von Strömen erzeugt werden die erste, zweite und dritte Achterfiguren-Schei benspulen speisen, wobei jede Achterfigur-Scheibenspule ungefähr die gleiche Fläche und eine Anzahl in Reihe angeschlossener Windungen auf entgegengesetzten Seiten eines Mittelpunkt besitzt.

22. Das Verfahren nach Anspruch 21, weiterhin einschließlich der Anordnung der ersten und zweiten Spulen in allgemein parallel Ebenen und die dritte Spule in einer zu den ersten und zweiten Spulen schrägen, angenäherten Ebene.

23. Das Verfahren nach Anspruch 22 weiterhin enthaltend die Anordnung der Mittelpunkte der ersten, zweiten und dritten Spulen damit sie sich mit der ersten bzw. zweiten bzw. dritten durch die Zelle erstreckende Linie Zusammentreffen und die Zelle schneiden und verschiedene Orientierungen aufweisen.

24. Das Verfahren nach Anspruch 21, weiterhin enthaltend synchronisierte Ströme welche die Spulen über ver schiedene Zeitintervalle speisen.

25. Das Verfahren nach Anspruch 24 worin die Zeitintervalle sich teilweise überdecken.

26. Das Verfahren nach Anspruch 24 worin die Zeitintervalle aufeinander folgen.

27. Das Verfahren nach Anspruch 26 worin die positiven Teile der einen der Spulen angelegten Ströme Neigungen aufweisen die verschieden von deren negativen Teilen sind, wo durch ein von der genannten Spule erzeugtes und mit der Zelle gekoppeltes magnetisches Feld eine größere Amplitude während dem Teil der größeren Neigung als während dem Teil der kleineren Neigung aufweist.

28. Das Verfahren nach Ansprüchen 21 oder 27, worin die erste, zweite und dritte Spulen fortschreitend größere Flächen aufweisen und die der ersten, zweiten und dritten Spulen angelegten Ströme so phasiert sind daß (i) der die zweite Spule Speisende Strom einen Kleinstwert aufweist während der die erste Spule speisende Strom einen Spitzenwert aufweist und (ii) der die dritte Spule speisende Strom einen Kleinstwert aufweist während (a) der die zweite Spule speisende Strom einen Spitzenwert auf weist und (b) der die erste Spule speisende Strom einen Wert aufweist der ungefähr in der Mitte zwischen dessen Kleinst- und Größt-Wert liegt.

29. Das Verfahren nach Anspruch 21, worin die erste, zweite und dritte Spulen fortschreitend größere Flächen aufweisen, worin weiterhin die erste, zweite und dritte Spulen so angeordnet sind daß (a) deren Mittelpunkte ausgerichtet sind und auf einer sich durch die Zelle erstreckende Linie befinden, (b) die Spulen in gegenseitig parallelen Ebenen liegen, und (c) die erste Spule der Zelle am nähesten ist während die dritte Spule weiter von der Zelle als die erste und zweite Spulen sind und die zweite Spule sich zwischen der ersten und der dritten Spule befindet.

30. Das Verfahren nach Anspruch 29 worin die Ströme der ersten, zweiten und dritten Spule phasiert sind und Amplituden aufweisen derart, daß (a) das von dem Strom in der dritten Spule erzeugte magnetische Feld die Zelle zu depolari sieren strebt um die Hyperpolarisierungsneigung der von dem Strom in der ersten und zweiten Spulen erzeugten magnetischen Feldern auszugleichen, (b) das von dem Strom in der ersten Spule erzeug ten magnetische Feld die Zelle depolarisiert während die von dem Strom in der zweiten und dritten Spulen erzeugten magnetischen Felderstreben, sich gegenseitig auszugleichen.