Wenn wir unsere Gliedmaßen bewegen wollen, sendet unser Gehirn die entsprechenden Signale über das Rückenmark an die beteiligten Muskelgruppen. Ist diese Verbindung beschädigt – beispielsweise durch eine Verletzung des Rückenmarks nach einem Unfall – können die Betroffenen alle Gliedmaßen, die sich unterhalb der geschädigten Stelle befinden, nicht mehr bewegen: Sie sind querschnittsgelähmt. Eine Regeneration der verletzten Nervenfasern ist bislang nicht möglich, auch wenn es dazu bereits experimentelle Ansätze gibt. Um Betroffenen zu helfen, arbeiten Forschende zudem an Hilfsmitteln wie Exoskeletten, Hirn-Computer-Schnittstellen und elektrischen Überbrückungen der geschädigten Stelle.
Intuitive Bewegungskontrolle wiederhergestellt
Ein Team um Henri Lorach von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) in der Schweiz hat nun in der Fachzeitschrift “Nature” ein neues System vorgestellt. „Wir haben eine drahtlose, digitale Brücke zwischen Gehirn und Rückenmark entwickelt, die die natürliche Kontrolle über die Bewegungen der unteren Gliedmaßen wiederherstellt, um nach einer Lähmung aufgrund einer Rückenmarksverletzung auf komplexem Terrain zu stehen und zu gehen“, berichtet das Forschungsteam.
In einer klinischen Pilotstudie haben die Forschenden das System einem Patienten implantiert, der zu Beginn der Studie 38 Jahre alt und seit zehn Jahren querschnittsgelähmt war, nachdem er sich bei einem Fahrradunfall die Halswirbelsäule verletzt hatte. Bereits zuvor hatte er an einer Studie teilgenommen, die darauf zielte, die Regeneration des Rückenmarks durch Elektrostimulation anzuregen. Im Rahmen dieser Vorgängerstudie hatte der Patient Elektroden ins Rückenmark implantiert bekommen, die ihm ermöglichten, wieder mit Hilfe eines Rollators zu gehen. Trotz fortlaufender Anwendung der Stimulation machte seine Genesung jedoch keine weiteren Fortschritte, sodass er sich entschied, das neue System zu testen.
Eigenständige Anwendung im Alltag
Dafür untersuchten die Forschenden zunächst mit Hilfe von Hirnscans, welche Regionen des Gehirns besonders aktiv sind, wenn der Patient sich vorstellt, seine Beine zu bewegen. An diese Stellen im motorischen Kortex implantierten sie zwei kleine Platten mit jeweils 64 Elektroden, die die Signale erfassen. „Dank Algorithmen, die auf Methoden der adaptiven künstlichen Intelligenz beruhen, werden die Bewegungsabsichten in Echtzeit aus den Gehirnaufzeichnungen entschlüsselt“, erklärt Co-Autor Guillaume Charvet von der Universität Grenoble in Frankreich. Dazu genügte ein Training von wenigen Minuten.
Die Informationen über die beabsichtigte Bewegung werden drahtlos an das Implantat im Rückenmark des Patienten gesendet und dort in Sequenzen elektrischer Impulse umgewandelt. Diese stimulieren die Nerven des Rückenmarks so, dass die richtigen Beinmuskeln für die gewünschte Bewegung aktiviert werden. Nach einer beaufsichtigen Trainingsphase im Labor statteten die Forschenden den Patienten mit einem mobilen System aus, das er eigenständig im Alltag nutzen kann. „Der Patient berichtet, dass die Gehirn-Rückenmark-Schnittstelle eine natürliche Kontrolle über die Bewegungen seiner Beine ermöglicht, um zu stehen, zu gehen, Treppen zu steigen und sogar komplexes Gelände zu durchqueren“, schreibt das Forschungsteam.
