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Ein Gehirnchip zur Kontrolle gelähmter Gliedmaßen
Wissenschaftler bauen jetzt ein Gerät, das Gehirnsignale aufzeichnet und sie an gelähmte Muskeln weiterleitet, um möglicherweise schwer gelähmten Patienten die Muskelkontrolle zurückzugeben. Im noch in der Entwicklung befindlichen Prothesensystem zeichnet ein Gehirnchip neuronale Signale des bewegungssteuernden Teils des Gehirns auf. Der Chip verarbeitet dann diese Signale und sendet präzise Nachrichten an Drähte, die in verschiedene Muskeln des Arms oder der Hand des Patienten implantiert sind, und veranlasst die gelähmte Gliedmaße, ein Glas zu greifen oder sich an der Nase zu kratzen. Unser ultimatives Ziel ist es, dass eine Person nachdenkt und den Arm mühelos bewegt , sagt Robert Kirsch , stellvertretender Direktor der Zentrum für funktionelle Elektrostimulation , im Louis Stokes Veterans Affairs Medical Center in Cleveland, OH.
Ein implantiertes Gerät, das bestimmte Muskeln anregt, hilft gelähmten Patienten, ihre Gliedmaßen zu bewegen. Ein zentraler Stimulator ist mit Drähten verbunden, die in den Muskel implantiert werden.
Bei Rückenmarksverletzungen und einigen Arten von Schlaganfällen und neurodegenerativen Erkrankungen werden neuronale Schaltkreise zwischen Gehirn und Körper geschädigt, was bei den Patienten zu schwerwiegenden Bewegungsproblemen führt. Wissenschaftler haben bereits bemerkenswerte Fortschritte bei der Überwindung dieser neuronalen Blockade gemacht, indem sie neue Möglichkeiten zur Muskelstimulation entwickelt haben. Bei der funktionellen Elektrostimulation (FES) wird elektrischer Strom an bestimmte Nerven oder Muskeln angelegt, um Muskelkontraktionen auszulösen. Wenn der Träger mit dem Kopf oder den Schultern eine vorgegebene Bewegung ausführt, löst er eine Stimulation bestimmter Muskeln aus, die es der Extremität ermöglichen, sich auf eine bestimmte Weise zu bewegen. Geräte, die bei einigen Lähmungspatienten die Handfunktion und Blasenkontrolle wiederherstellen können, wurden bereits von der FDA zugelassen.
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DIASHOW: Sehen Sie das System
In einem System testen Kirsch und seine Kollegen auf Menschen mit Rückenmarksverletzungen, die schwer genug sind, dass sie vom Hals abwärts gelähmt sind, ein schrittmacherähnlicher Stimulator wird dem Patienten chirurgisch in die Brust oder den Bauch des Patienten implantiert, wobei Verbindungsdrähte in bis zu 12 Zoll implantiert werden verschiedene Muskeln. Ein weiterer Satz von Drähten zeichnet die Aktivität in Muskeln auf, die unter der willkürlichen Kontrolle des Patienten stehen. Diese Signale werden dann verwendet, um Aktivität in der gelähmten Muskulatur auszulösen.
Aber für einige Patienten, insbesondere für schwer gelähmte Personen mit Kontrolle über wenige Muskeln, könnte die Verwendung von Signalen, die direkt vom Gehirn aufgezeichnet wurden, um die gelähmten Gliedmaßen zu kontrollieren, eine einfachere und intuitivere Möglichkeit bieten, sich zu bewegen. Die Cleveland-Forscher arbeiten also mit John Donogue , einem Neurowissenschaftler an der Brown University, der implantierbare Gehirnchips entwickelt hat, die elektrische Aktivität direkt von Neuronen aufzeichnen und verarbeiten. Das Gerät, hergestellt von Cyberkinetik Neurotechnologische Systeme , in Foxborough, MA, besteht aus einem winzigen Chip mit 100 Elektroden, die Signale von Hunderten von Neuronen im motorischen Kortex aufzeichnen, dem Teil des Gehirns, der die Bewegung moduliert. Ein Computeralgorithmus übersetzt dann dieses komplexe Aktivitätsmuster in ein Signal, das zur Steuerung eines Computers oder einer Prothese verwendet wird. Bisher wurde der Chip an drei Patienten getestet – den ersten Menschen, die jemals diese Art von Implantat erhielten. (Siehe Hoffnung implantieren, März 2005; Gehirnchips geben gelähmten Patienten neue Kräfte; und einen Rollstuhl mit der Kraft des Geistes steuern.)
Experten setzen große Hoffnungen in das neue Gerät. Wir halten dies für die einzige derzeit praktikable Technologie am Horizont, die Patienten ein hohes Maß an Wiederherstellung von zervikalen Verletzungen und Kontrolle ihrer Gliedmaßen bietet, sagt Joseph Pancrazio , Direktor des Neural-Engineering- und Neuroprothesen-Forschungsprogramms an den National Institutes of Neurological Disorders and Stroke, einer der Agenturen, die die Forschung finanzieren.
Das Projekt dürfte komplex sein. Donoghue und Kollegen müssen ihren Gehirnchip zunächst drahtlos und vollständig implantierbar machen. (Derzeit ragt bei Patienten einige Hardware aus ihrem Schädel heraus und ist über Kabel mit einem Computer verbunden.) Ein implantierbares System würde das Infektionsrisiko minimieren und könnte den Patienten auch helfen, den Umgang mit dem System zu erlernen. Eberhard Fetz , ein Neurowissenschaftler an der University of Washington in Seattle, der ähnliche Systeme bei Affen entwickelt, sagt, dass ein implantierbares Gerät es Patienten ermöglichen würde, das System 24 Stunden am Tag zu verwenden, was ihnen helfen würde, neuronale Signale für eine präzise Steuerung zu modulieren.
In der ersten Reihe von Tests, die nächsten Monat beginnen sollen, werden Patienten, denen der Cyberkinetics-Chip implantiert wurde, versuchen, einen virtuellen Arm zu bewegen, was es den Forschern ermöglicht, zu untersuchen, welches Maß an Kontrolle sie erreichen möchten, und die Muskeln zu identifizieren, die stimuliert werden müssen nützliche Bewegungen hervorzurufen. Sobald die Forscher einen implantierbaren Chip gebaut und nachgewiesen haben, dass Patienten einen virtuellen Arm ausreichend kontrollieren können, wird das Team mit der Integration des Chips und des FES-Systems beginnen.
Langfristig werden Forscher wahrscheinlich mehrere Geräte zusammenführen müssen. Um das Potenzial dieser Systeme voll auszuschöpfen, müssen wir nicht nur an ein einzelnes FES-System für die oberen Gliedmaßen denken, sagt Pancrazio. Wir müssen über ein Netzwerk von Systemen nachdenken. Die Person kann Systeme zur Beatmung, Blasenkontrolle und Darmkontrolle benötigen.