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Eine Prothese für das Gleichgewicht
Stellen Sie sich eine Welt vor, in der die Erde bei jedem Schritt schwankte, Sie in einem dunklen Raum nicht oben und unten erkennen konnten oder das Gehen auf einem weichen Teppich Sie aus dem Gleichgewicht brachte. Das ist die Realität für Menschen, die die Funktion des Vestibularsystems verloren haben, einem Teil des Innenohrs, der das Gleichgewicht steuert.
Neurowissenschaftler der Massachusetts Eye and Ear Infirmary in Boston bereiten sich darauf vor, eine neue Prothese zu testen, die helfen könnte. In einem Monat, Dan Merfeld wird den Schalter eines experimentellen Geräts umlegen, das einem Rhesusaffen implantiert wurde, dessen eigenes Vestibularsystem deaktiviert wurde. Merfeld und sein Mitarbeiter Richard Lewis hoffen, dass das Gerät für das Gleichgewicht das leistet, was das Cochlea-Implantat für das Hören getan hat. Wenn wir zeigen können, dass wir das Gleichgewicht bei Affen verbessern können, wäre dies ein Anreiz für den Übergang zu klinischen Studien, sagt Lewis, ein Wissenschaftler und Otoneurologe (ein auf Ohrenkrankheiten spezialisierter Neurologe).
Das Cochlea-Implantat – ein chirurgisch implantiertes elektronisches Gerät, das gehörlosen Menschen ein Hörgefühl vermittelt – ist die bisher erfolgreichste Neuralprothese. Merfeld, Lewis und andere nutzen Technologien, die für dieses Implantat entwickelt wurden, um eine ähnliche Prothese für das Vestibularsystem herzustellen.
Das Innenohr funktioniert wie ein Gyroskop. Drei orthogonal ausgerichtete Strukturen, die halbkreisförmigen Kanäle genannt werden, erfassen die Ausrichtung des Kopfes durch die Bewegung von Flüssigkeit in den Kanälen. Mit diesen Strukturen verbundene Nerven senden eine Reihe neuronaler Signale an das Gehirn, das diese Informationen mit visuellen Signalen und anderen Hinweisen kombiniert, um das Gleichgewicht zu halten und das Sehvermögen zu stabilisieren – zum Beispiel, um unsere Augen beim Gehen auf einen Punkt zu konzentrieren und die Nervosität zu beseitigen , Handheld-Kamera-Effekt, den wir sonst vielleicht wahrnehmen würden. Wenn das vestibuläre System zerstört wird, können ernsthafte Gleichgewichtsprobleme die Folge sein. Eine solche Störung ist manchmal eine Nebenwirkung von Antibiotika. Es kann auch durch Traumata, Infektionen und einige Krankheiten verursacht werden. Zum Beispiel leiden mehr als 500.000 Menschen in den Vereinigten Staaten an Morbus Menière, einer besonders schwächenden Erkrankung des Innenohrs.
Patienten können mit Symptomen eines Ungleichgewichts, das manchmal lähmt, für immer bleiben, sagt Timothy E. Hullar , ein HNO-Arzt an der Washington University School of Medicine in St. Louis. Als Kliniker mit einer Reihe von Patienten mit beidseitigem Vestibularisverlust freue ich mich sehr, dass in einigen Jahren Prothesen eine Behandlungsoption sein könnten.
Die relative Einfachheit des Vestibularsystems macht es zu einem idealen Ziel für Prothesen. Der horizontal ausgerichtete Kanal erkennt beispielsweise Links-Rechts-Bewegungen, wie beispielsweise ein negatives Kopfschütteln. Neuronen, die mit diesem Kanal verbunden sind, senden mit hoher Geschwindigkeit elektrische Impulse an das Gehirn, wenn sich der Kopf nach links dreht, und mit niedriger Frequenz, wenn er sich nach rechts dreht. Die Prothese von Merfeld ahmt dieses Signalsystem nach: Ein Bewegungssensor am Kopf misst die Rotation und sendet diese Informationen an einen Mikroprozessor, der sie in elektrische Impulse umwandelt, die an eine im Innenohr implantierte Elektrode weitergeleitet werden.
Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass das Gerät Totenkopfäffchen helfen kann, bei denen ein Teil ihres Vestibularsystems dysfunktional geworden ist. Wenn das Gerät eingeschaltet wurde, verbesserte sich der vestibulokuläre Reflex der Affen, was bedeutet, dass sie ihre Augen besser stabil halten konnten, während sich ihre Köpfe bewegten. (Bisher haben die Forscher nur einen der Kanäle mit ihrer Prothese anvisiert. Andere Wissenschaftler, die auf diesem Gebiet tätig sind, haben alle drei Kanäle bei Nagetieren gezielt.)
Das Team möchte nun ermitteln, wie gut das Gerät andere Symptome von Gleichgewichtsstörungen wie Gleichgewicht und Wahrnehmung behandeln kann. (Das Gehirn verwendet Informationen aus dem vestibulären System, um sowohl die Muskeln, die unsere Augen bewegen, als auch die Haltungsmuskeln, die uns aufrecht halten, zu steuern.)
Die Messung dieser Sinne hat sich selbst beim Menschen als schwierig erwiesen. Wir steuern unser vestibuläres System – im Gegensatz zum Sehen oder Hören – weitgehend unbewusst, was es den Menschen erschwert, quantitativ zu berichten, was sie wahrnehmen, sagt Christopher Platt, der die Gleichgewichts- und Gleichgewichtsforschung an der leitet Nationales Institut für Taubheit und andere Kommunikationsstörungen . So testen Merfeld und Lewis ihre Prothese am Rhesusaffen, der sich zu komplexen Tests antrainieren lässt. Um das Gleichgewicht zu testen, wird den Tieren beispielsweise beigebracht, mit einem Glied auf jeder von vier kleinen Plattformen zu stehen, die sich einzeln bewegen und die Illusion eines Erdbebens erzeugen. Dann messen die Forscher die Fähigkeit des Tieres, das Gleichgewicht als Reaktion auf die Bewegungen zu halten. Um die Wahrnehmung zu messen, wird Tieren beigebracht, ein Lenkrad zu drehen, um eine Linie auf einem Computerbildschirm vertikal auszurichten. Ohne andere visuelle Hinweise wird ein Affe oder eine Person ohne vestibuläre Funktion die Linie im gleichen Winkel wie der Kopf ausrichten.
Das ist sehr wichtig, weil es bedeutet, dass sie die Affen mit genau den gleichen Tests testen können, die sie auch Menschen geben, und eine bessere Einschätzung erhalten, wie gut ihr Gerät funktioniert, in der Hoffnung, dass es auf den Menschen übertragbar ist, sagt Platt.
Wenn in den ersten Experimenten alles gut läuft, hoffen die Forscher, die Komplexität des Geräts zu erhöhen und auf alle drei Kanäle des Innenohrs und schließlich auf andere Strukturen abzuzielen. Weder Merfelds Gruppe noch andere auf diesem Gebiet tätige Personen haben bisher einen zweiten Satz vestibulärer Strukturen ins Visier genommen, die otolithischen Organe, die die lineare Beschleunigung des Kopfes spüren.