Experimentelles Gehirn

Jul 04, 2023

Kommentar Ein Artikel in Nature enthüllt, wie ein Gehirnimplantat und eine computergesteuerte Prothese einem querschnittsgelähmten Mann bei der Genesung von einem teilweise durchtrennten Rückenmark halfen.

Etwa zwei Jahre nach Beginn des Forschungsprojekts beschreibt die neu veröffentlichte Studie, wie es einer experimentellen Technologie der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Genf, Schweiz, nicht nur gelungen ist, das Gehirn des Patienten elektronisch wieder mit dem unteren Teil seiner Wirbelsäule zu verbinden Die Schnur ermöglicht ihm das Stehen, Gehen und sogar Treppensteigen – aber es hilft auch bei seiner Rehabilitation.

Das in diesem Fall verwendete Brain-Spine-Interface-Implantat (BSI) scheint ihm dabei zu helfen, neue Nervenverbindungen aufzubauen. Es hat mehr als ein Jahr harter Arbeit gekostet, um so weit zu kommen, und jetzt kann er kurze Strecken gehen, selbst wenn die Prothese ausgeschaltet ist. Und das alles mehr als ein Jahrzehnt, nachdem er sich die lähmende Rückenverletzung zugezogen hatte.

Mit Prothese meinen wir einen Rucksack voller Elektronik, der Signale vom Gehirn des Mannes – seiner Großhirnrinde – empfängt, die Bewegung erkennt, die er ausführen wollte, und dann über Impulsgeneratoren, die an seinem unteren Rücken angebracht sind, Signale an seine Muskeln sendet, um diese zu erreichen Bewegung. Die Prothese überdeckt effektiv den Bruch in seinem Rückenmark und übermittelt Nachrichten, die sonst nicht durchkommen würden, so dass er sich wieder selbstständig bewegen kann.

Die Prothese umfasst das Implantat in seinem Gehirn sowie die Signalgeneratoren.

Obwohl einige Technologien zum Einsatz kommen, die es bereits gibt, ist dies kein Standardbausatz. Der unerschrockene Patient, der Niederländer Gert-Jan Oskam, ließ sich freiwillig zwei fünf Zentimeter (zwei Zoll) große Löcher aus seinem Schädel schneiden, um ein paar dauerhafte Gehirnimplantate zu platzieren, die über paarigen Regionen seines motorischen Kortex sitzen sollten. Sorgfältige Messungen und Studien zeigten den Forschern, dass dies die Regionen waren, die früher seine Hüft- und Beinmuskulatur kontrollierten.

Bei den Implantaten handelt es sich um WIMAGINE-Einheiten, die Erfinder nennen sie ElectroCorticoGrams. Diese sitzen auf der Dura Mater – der Schutzmembran um das Gehirn –, sodass sie nicht direkt mit der grauen Substanz in Kontakt kommen. Das bedeutet, dass sie für eine Langzeitimplantation sicher sein sollten. Was besser wäre, denn sie sind auf Titanplatten montiert, die so dick sind wie der Schädelknochen.

Überblick ... Das Design, die Technologie und die Implantation des BSI, wie in der Nature-Studie detailliert beschrieben. Bildnachweis: Lorach et al. klicken um zu vergrößern

Ihr bescheidener Geier hier am Reg FOSS-Schreibtisch war letzten Monat der glückliche Empfänger von mehr als 30 neuen Nicht-Gehirn-Implantaten in sein eigenes Skelett – in diesem Fall in seinen rechten Unterarm. Diese bestehen, wie die meisten Nägel und Platten für Knochenbrüche, aus Chirurgenstahl – einem Material mit einer sehr glatten Oberfläche. Titan hat wie Aluminium eine poröse Oberflächenschicht aus oxidiertem Metall, in die Knochen hineinwachsen. Implantate aus chirurgischem Stahl können relativ einfach wieder entfernt werden, wenn sie nicht mehr benötigt werden, während Implantate aus Titan in der Regel für immer verbleiben.

Um die Signale der Großhirnrinde aus seinem Schädel zu übertragen, muss Oskam über den Implantaten ein Paar Sender-Empfänger tragen. Diese sind an einem Stirnband befestigt und ähneln einem Kopfhörer, der auf seinem Kopf sitzt.

Jedes Paar enthält zwei Antennen: Eine versorgt die Elektroden induktiv über ein Hochfrequenzsignal und die andere empfängt Daten von den Elektroden über UHF. Sie nehmen die Nervenimpulse von seinem motorischen Kortex auf und senden sie über ein Kabel an einen Laptop in seinem Rucksack, der die Signale interpretiert, herausfindet, welchen Körperteil er zu bewegen versucht, und simulierte Nervenimpulse erzeugt, um seine Hüfte und Hüfte zu steuern Beinmuskeln.

Ein weiteres Implantat, abgeleitet von einem Activa RC-Tiefhirnstimulationsgerät und einer Specify 5-6-5-Elektrode, die sich in Oskams Wirbelsäule neben seinem Rückenmark befindet, überträgt die synthetischen Nervensignale in den Lendenbereich seines Rückenmarks, wo sich die Wirbelsäule befindet Nerven verzweigen sich zu seinen Beinen. Von dort aus wandern die künstlichen Nervensignale über seine Rückenmarksnerven in die zuvor gelähmten Muskeln und ermöglichen ihm, aufzustehen, Schritte nach vorne zu machen und seine Knöchel zu bewegen, um die Füße nach Bedarf anzuheben, um Hindernisse zu beseitigen. Nach vielen Trainingseinheiten und der Reha ist er nicht nur in der Lage, mit Krücken auf ebenem Gelände zu gehen, sondern sogar Treppen oder Rampen zu erklimmen.

Mehrere Aspekte der Forschung sind besonders hervorzuheben. Erstens ist dies nicht die erste experimentelle Behandlung, für die Oskam sich freiwillig gemeldet hat. Er nahm auch an einem früheren Experiment teil, bei dem Elektroden in seinen Beinen seine Beinmuskulatur direkt stimulierten. In Kombination mit orthopädischen Schienen an den Unterschenkeln, um seine Knöchel zu stützen und seine Füße gerade zu halten, ermöglichte ihm diese frühere Behandlung zwar, kurze Strecken auf einer ebenen Fläche zu gehen – aber das war auch alles.

Trotz viel Therapie und Übung gelang ihm nicht mehr. Obwohl das Team gehofft hatte, dass es dabei helfen könnte, mehr Funktionalität wiederherzustellen, ist dies nicht geschehen.

Zweitens sind seine Kontrolle und sein Gleichgewicht mit dem neuen System so gut, dass das Universitätsteam eine spezielle, eigenständige Version des BSI konstruiert hat. Während sich die Laborversion teilweise in einem Rucksack befindet und das Gehen mit Krücken ermöglicht, handelt es sich hier um eine Version zum Mitnehmen – sie wird auf einem Rollator mit Rädern montiert, sodass er sie auch außerhalb des Labors verwenden kann.

Drittens, und vielleicht das Erfreulichste von allem, ist, dass er seit der Anwendung des BSI einen Teil der verlorenen Funktion und Beweglichkeit seiner Beine wiedererlangt hat – was das frühere Experiment leider nicht geholfen hat. Die Videos in der Nature-Zeitung zeigen, dass er in den Anfängen des Systems durch das Ausschalten des Implantats bewegungsunfähig war – buchstäblich unfähig, einen weiteren Schritt zu machen.

Mittlerweile ist er jedoch in der Lage, sehr kurze Strecken ohne Hilfe der Prothese zu gehen. Das deutet darauf hin, dass sich bei regelmäßiger Anwendung über einen längeren Zeitraum neue Verbindungen in seinem Rückenmark bilden und die Verbindungen mit seinem Gehirn wiederherstellen.

Dies wird durch frühere Arbeiten bestätigt, wie beispielsweise diese Studie aus dem Jahr 2020, in der festgestellt wurde, dass künstliche Stimulation mit der gleichen Art von Wirbelsäulenelektrodenanordnung zur Regeneration von Verbindungen beitrug. Der Unterschied in der neuen Studie liegt im Ursprung der Signale: durch direktes Scannen des motorischen Kortex in Echtzeit.

Es sind noch sehr frühe Tage. Das BSI sendet nicht die ursprünglichen, unterbrochenen Nervenimpulse – die Hardware erzeugt ihre eigenen künstlichen Nervenimpulse und versucht, diejenigen zu simulieren, die nicht mehr über sein beschädigtes Rückenmark weitergeleitet werden. Außerdem handelt es sich hierbei nicht um eine wechselseitige Verbindung – Sinneseindrücke können nicht an sein Gehirn weitergeleitet werden.

Dieser Registerschreiber hat Freunde mit Wirbelsäulenverletzungen, die ihm erzählten, dass das anschließende Laufenlernen mit dem Gehen auf Stelzen vergleichbar sei: Wenn man die Beine nicht spürt, ist es wesentlich schwieriger.

Derzeit wird diese Forschung an einem einzelnen, mutigen Freiwilligen durchgeführt – und wir zollen ihm unseren Respekt dafür, dass er sich im Interesse der Wissenschaft und um anderen zu helfen, einer großen und sehr invasiven Operation unterzogen hat. Obwohl es seine Lebensqualität bereits verbessert hat, hilft es vor allem dem akademischen Team bei der Entwicklung der Technologie.

Zusammen mit anderen Forschungsarbeiten, die beispielsweise die Kosten für Exoskelette senken, um gelähmten Menschen das Stehen und Gehen zu erleichtern, scheinen einige der Science-Fiction-Versprechen technischer Lösungen für Schäden an unseren zerbrechlichen Fleischsäcken allmählich wahr zu werden. ®

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