Gehfähigkeit mit Gehirn- und Rückenmarksimplantaten wiederhergestellt

Schweizer Forschern von der Universität Lausanne ist es gelungen die Gehfähigkeit bei Querschnittlähmung mithilfe von Implantaten in Hirn und Rückenmark wiederherzustellen. Bei Mäusen waren sie damit schon in der Vergangenheit erfolgreich, nun liegen die Ergebnisse bei Versuchen mit Primaten vor.

Ein in der Schweiz entwickeltes Implantate-System umgeht die zerstörten Nervenleitungen im Rückenmark und stellt so die Verbindung zwischen Gehirn und Gliedmaßen wieder her. Laut einer Veröffentlichung des Swiss Federal Institute of Technology (EPFL) in Lausanne, Schweiz, im Fachmagazin Nature, gelang es den Forschern bereits im vergangenen Juni einem Primaten die Kontrolle über ein gelähmtes Bein zurückzugeben.

Das Implantat im Gehirn misst und übersetzt Hirnströme, die mit Gehbewegungen assoziiert sind, und sendet diese Informationen durch das Rückenmark mittels eines Bypass über die Läsionsstelle hinaus, wodurch die Beinmuskeln aktiviert und die Bewegungen umgesetzt werden können.

Gehirnsignale dekodieren und Beinmuskulatur aktivieren

Das Team um Neurowissenschaftler und Studienleiter Grégoire Courtine erklärt sein Vorgehen wie folgt:

Das Gehirn ist ein riesiges Netzwerk an Neuronen. Informationen werden verarbeitet, indem elektrische Impulse von einem Neuron zum nächsten weitergegeben werden. Dadurch kommt es zu Signalen, die gemessen und übersetzt werden können.

Die Lendenregion des Rückenmarks enthält ebenfalls ein komplexes neuronales Netzwerk, das u. a. die Beinmuskeln aktiviert und Bewegungen kontrolliert. Vom Gehirn aus verlaufende Nervenstränge übermitteln an diese Stellen die Informationen, die zu einer Aktivierung der Muskeln führen.

Für Bewegung verantwortlich ist ein etwa Cent-Stück großes Gehirnareal, das Motorcortex genannt wird und das Signale über das Rückenmark zum neuralen Netzwerk im Lendenbereich sendet, das wiederum diese Signale in Muskelaktivität umsetzt. Bei einer Rückenmarksverletzung kommt es zu einer teilweisen oder vollständigen Unterbrechung dieser Signale, d. h. die Signale kommen nicht in den Neuronen im Lendenbereich an, was zu einer Lähmung führt. Doch der Motorcortex sendet weiterhin die elektrischen Impulse aus, die für das Gehen verantwortlich sind, und auch das neurale Netzwerk im Lendenbereich ist weiterhin intakt und könnte, falls es angesteuert würde, Bewegungen auslösen.

An dieser Stelle setzt die Hirn-Wirbelsäulen-Schnittstelle aus Lausanne an. Das Implantat im Gehirn zeichnet die elektrischen Aktivitäten der für das Gehen verantwortlichen Nervenzellen im Motorcortex auf und schickt diese kabellos an einen Computer. Dieser erstellt ein Simulationsprogramm, das er an ein System aus 16 Elektroden leitet, das unterhalb der Läsion auf dem Rückenmark implantiert ist. Elektrostimulation von wenigen Volt wird an genau der Stelle im Rückenmark vorgenommen, die dem Netzwerk an Neuronen entsprechen, die bestimmte Bewegungsmuster in der Beinmuskulatur aktivieren. All dies geschieht in Echtzeit, sodass ein geleichmäßiges Gangbild entstehen kann.

 

Bild: bsi_infographic_epfl Quelle: PM EPFL Lausanne, 2016

Im Bild zu lesen:

  1. Gehirnimplantat
    Mikroelektroden werden in linken Motorcortex des Gehirns, der für die Bewegung des rechten Beins zuständig ist, implantiert. Sie messen die elektrische Aktivität und senden die Daten kabellos an einen Computer.
  2. Dekodierung
    Der Computer übersetzt die neuronale Aktivität in Echtzeit und sendet sie an einen Impulsgenerator.
  3. Impulsgenerator
    Der Impulsgenerator erstellt ein Stimulationsprotokoll, das an das zweite Implantat im Rückenmark weitergeleitet wird.
  4. Rückenmarksimplantat
    Ein System aus 16 Elektroden wird unterhalb der Läsionshöhe implantiert. Jede Elektrode stimuliert einen bestimmten Nervenstrang, der eine Gruppe bewegungsrelevanter Muskeln kontrolliert.

Die Forscher testeten die Nervenbahnprothese unter anderem an zwei Rhesusaffen, bei denen jeweils ein Bein aufgrund einer gezielten Durchtrennung des Rückenmarks gelähmt war. „Die Primaten waren sofort in der Lage zu laufen, nachdem die Hirn-Wirbelsäule-Schnittstelle aktiviert wurde. Sie benötigten keine Physiotherapie und kein Training“, sagt der für das Tiermodell verantwortliche Neurowissenschaftler Erwan Bezard von der University of Bordeaux (Frankreich). Die Schnittstelle sollte auch bei gravierendere Verletzungen funktionieren, wahrscheinlich unter Einsatz bestimmter Medikamente.

Folgendes Video zeigt, wie eines der Tiere sich auf einem Laufband fortbewegt.

Ist die Schnittstelle ausgeschaltet, bleibt das gelähmte Bein bewegungslos oder das Tier zieht es unter den Körper. Wird sie eingeschaltet, beginnt es augenblicklich, das Bein auf dem Boden aufzusetzen und annähernd normal zu bewegen.

“Dies ist das erste Mal, dass eine Neurotechnologie die Bewegungsfähigkeit von Primaten wiederherstellt”, sagt Courtine. “Doch es liegen noch viele Herausforderungen vor uns und es könnte mehrere Jahre dauern, bevor das System in all seinen Bestandteilen beim Menschen zum Einsatz kommen kann.”

Und auch Rüdiger Rupp, Leiter des Bereiches Experimentelle Neurorehabilitation der Klink für Paraplegiologie am Universitätsklinikum Heidelberg lobt die Arbeit gegenüber der Presse zwar als enorme technische Leistung, gibt jedoch zu bedenken: „Ob die vorgestellte Schnittstelle auch bei vollständig querschnittgelähmten Menschen funktioniert, ist allerdings völlig unklar.“ (RNZ, 2016). Er vermutet den nächsten Schritt in der Forschung in Experimenten mit beidseitig gelähmten Primaten und einer Verbesserung bei komplexeren Funktionen wie Balancieren oder das Überwinden von Hindernissen.

Siehe auch: Dehnbares Neuroimplantat zur Behandlung von Rückenmarksverletzungen und Neuro-Bypass für Tetraplegiker

 

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