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Erwachen gelähmter Gliedmaßen
Ein Affe mit gelähmtem Arm kann dank eines neuartigen Systems, das Gehirnsignale in Echtzeit in komplexe Muskelbewegungen umwandelt, immer noch einen Ball greifen. Die Forschung, präsentiert auf der Konferenz der Gesellschaft für Neurowissenschaften in dieser Woche in Chicago, könnte eines Tages Menschen mit Rückenmarksverletzungen ermöglichen, ihre eigenen Gliedmaßen zu kontrollieren.
Affen denken, Affen tun: Durch die Umwandlung elektrischer Signale aus dem Gehirn eines Affen über implantierte Elektroden in Muskelkontraktionen konnte ein Tier mit einem gelähmten Arm einen Ball greifen.
Dies ist ein großer Sprung nach vorne – sie zeigen, wie der Affe die Fähigkeit nutzt, seine Hand künstlich zusammenzuziehen, um tatsächlich einen Ball aufzunehmen, sagt Krishna Shenoy , Neurowissenschaftler an der Stanford University. Ich denke, es ist die erste Demonstration eines kortikal gesteuerten elektrischen Stimulationssystems, das eine Aufgabe ausführt, die für einen menschlichen Patienten letztendlich nützlich wäre.
Während eine Rückenmarksverletzung verhindert, dass die elektrischen Signale des Gehirns die Muskeln erreichen, haben Menschen, die durch diese Verletzungen gelähmt sind, oft intakte Nerven und Muskeln in ihren Gliedmaßen. Eine Technik namens funktionelle elektrische Stimulation (FES), bei der implantierte Elektroden elektrischen Strom liefern, um Muskelkontraktionen auszulösen, bietet eine Möglichkeit, diese Schleife wieder zu verbinden.
Geräte, die bei einigen gelähmten Patienten die Handfunktion und Blasenkontrolle wiederherstellen können, wurden bereits von der US-amerikanischen Food and Drug Administration zugelassen. Patienten verwenden Restmuskelbewegungen, um diese Systeme bewusst zu steuern – ein System, das für einige Anwendungen gut funktioniert, aber die Komplexität der ausführbaren Bewegung einschränkt. Mit einem FES-Gerät können Menschen beispielsweise mit den Schultern zucken, um eine Greifbewegung mit der Hand auszulösen, aber sie können nicht kontrollieren, wie fest sie greifen sollen.
Durch die Kombination der FES-Technologie mit Gehirnimplantaten versuchen Wissenschaftler nun, ein intuitiveres System zur Kontrolle gelähmter Gliedmaßen zu schaffen, so dass das Denken über das Bewegen eines Arms oder das Greifen mit einer Hand automatisch in das dazu erforderliche Muster der elektrischen Aktivität übersetzt würde Bewegung. Es ist viel natürlicher, und wenn Sie die Aktivität in genügend Muskeln entschlüsseln können, könnten Sie mehrere Gelenke gleichzeitig bewegen, sagt Robert Kirsch , ein Neurowissenschaftler an der Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio. Normale Hand- und Armbewegungen beinhalten flüssige Bewegungen mehrerer Gelenke und nicht die heute möglichen eingeschränkten Bewegungen.
Christian Ethier, ein Forscher in Neurowissenschaftler Lee Millers Labor an der Northwestern University in Chicago hat die ersten Schritte zu einem solchen System bei Affen demonstriert. Die Forscher verabreichten jedem Affen ein Lokalanästhetikum, um die Funktion der Beugenerven in seinem Arm vorübergehend zu blockieren. Den Tieren wurden Drähte in die Arme implantiert, um den Muskeln einen elektrischen Reiz zuzuführen, ähnlich wie es bei Nerven der Fall wäre, und eine Reihe von Elektroden, die in das Gehirn implantiert wurden, um die elektrische Aktivität des motorischen Kortex aufzuzeichnen.
Die Affen wurden zuerst darauf trainiert, einen Ball aufzuheben und in ein Loch zu stecken, um eine Belohnung zu erhalten. Unter Verwendung der während dieser Aufgabe aufgezeichneten Gehirnaktivität entwickelten die Wissenschaftler spezielle Decodieralgorithmen, die die mit der Bewegung verschiedener Muskeln verbundene Gehirnaktivität in Echtzeit in einen elektrischen Reiz für jeden der fünf Beugemuskeln im Arm umwandeln, sodass der Affe seine Hand greifen kann . Wir können vorhersagen, was der Affe mit seinen Muskeln zu tun versucht und die Muskeln entsprechend stimulieren, was dem Affen im Wesentlichen die willkürliche Kontrolle über den Computer anstelle seiner Nerven gibt, sagt Miller.
Normalerweise hatten die Tiere mit dem gelähmten Arm Schwierigkeiten, die Aufgabe zu erfüllen, da sie den Ball nur in etwa 10 Prozent der Fälle ins Ziel brachten, im Vergleich zu 100 Prozent vor der Nervenblockade. Das Einschalten des gehirngesteuerten FES-Systems steigerte die Erfolgsrate der gelähmten Tiere auf 77 Prozent. Die Forscher zeigten auch, dass sie den Affen dazu bringen könnten, sein Handgelenk in verschiedene Richtungen zu bewegen – sie wollen nun sehen, ob sie die Ergebnisse mit den Muskeln wiederholen können, die das Erreichen kontrollieren.
Menschliche Tests könnten nicht mehr weit sein. Kortikale Implantate werden bereits an menschlichen Patienten getestet. Kirsch von Case Western präsentierte auf der Konferenz Forschungsergebnisse, die zeigten, dass ein gelähmter Patient mit einem kortikalen Implantat ein ausgeklügeltes Computermodell eines Arms steuern kann. Kirsch und Miller haben noch keinen konkreten Zeitplan, um die beiden Systeme – das Kortikalisimplantat und das FES-Implantat – beim Menschen zusammenzubringen, aber Miller sagt, dass dies in einem Jahr technisch machbar wäre. Sie wollen jedoch warten, bis Wissenschaftler eine drahtlose und vollständig implantierbare Version des kortikalen Implantats entwickelt haben, das sich derzeit an der Brown University in der Entwicklung befindet. Aktuelle Implantate haben hervorstehende Drähte, die das Infektionsrisiko erhöhen und die Mobilität der Patienten einschränken.
Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Patienten mit diesen Implantaten einen Computer-Cursor steuern und einige Bewegungen mit einem Roboterarm ausführen können. Während diese Forschung für Menschen mit amputierten Gliedmaßen spannend ist, ist die neue Forschung auf Patienten mit Rückenmarksverletzungen anwendbar. Viele Leute würden es vorziehen, ihren Arm auf irgendeine Weise reanimieren zu lassen, sagt Shenoy. Dies ist ein großer Schritt nach vorne für diese Patientenpopulation.