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Gelähmte Ratten laufen wieder
Ratten, die durch eine Rückenmarksverletzung gelähmt sind, können wieder lernen, ihre Hinterbeine zu kontrollieren, wenn ihnen das Gehen in einem Rehabilitationsgerät beigebracht wird, während ihre untere Wirbelsäule elektrisch und chemisch stimuliert wird. Eine klinische Studie mit einem ähnlichen System für Menschen könnte in den nächsten Jahren beginnen.
Forscher in der Schweiz nutzten elektrische und chemische Stimulation, um Neuronen im unteren Rückenmark gelähmter Ratten zu erregen, während die Nagetiere an einer Weste aufgehängt waren, die sie zwang, nur mit ihren Hinterbeinen zu gehen. Durch das rehabilitative Verfahren seien neue neuronale Verbindungen zwischen dem bewegungslenkenden motorischen Kortex des Gehirns und der unteren Wirbelsäule entstanden, berichten die Forscher in Wissenschaft.
Frühere Forschungen haben gezeigt, dass es möglich ist, einige der Auswirkungen einer Rückenmarksverletzung umzukehren, indem die normale Verbindung zwischen Gehirn und Beinen, die durch die Verletzung unterbrochen wird, umgangen wird. Beispielsweise kann bei querschnittsgelähmten Ratten das Gehen ausgelöst werden, wenn ihre Wirbelsäule stimuliert wird. Aber bis jetzt war eine solche Bewegung unfreiwillig. Diese neue Forschung zeigt, dass ähnliche Ratten mit einem spezialisierten Trainingssystem die willentliche Kontrolle über ihre Beine wiedererlangen können.
Ein im letzten Jahr veröffentlichter Bericht zeigte den Grundsatzbeweis, dass diese Art von Ansatz bei Patienten funktionieren kann, sagt Gregory Courtine , leitender Autor der Rattenstudie. Im Mai 2011 soll der 25-jährige Rob Summers, der bei einem Autounfall von der Brust abwärts gelähmt war, mit elektrischer Stimulation seines Rückenmarks einige Minuten allein stehen. Er könnte mit der Stimulation auch wiederholte Schritte auf einem Laufband machen, wodurch Regionen im unteren Rückenmark aktiviert werden, die das Gehen steuern. Die Fortbewegung, die sich aus dieser Art der Stimulation ergibt, erfolgt automatisch und unwillkürlich und erfordert vermutlich keine direkte Kommunikation vom Gehirn.
Courtine hatte zuvor gezeigt, dass diese Art des automatischen Gehens Gehmuster in den Hinterbeinen von Ratten mit Rückenmarksverletzungen auslösen kann, die auf einem Laufband die Wirbelsäule stimuliert wurden. Da die Wirbelsäule das Laufmuster kontrollieren konnte, vermutete Courtine, dass nur ein schwaches Signal des Gehirns notwendig wäre, damit die Tiere freiwillig anfangen zu gehen.
Um zu testen, ob die Ratten die gehirngesteuerte Kontrolle dieser Bewegungen wiedererlangen können, entwickelten er und sein Team ein robotisches Unterstützungssystem, das Ratten in einer zweibeinigen stehenden Haltung aufhängt und beim Gleichgewicht hilft, aber keinen Vorwärtsimpuls liefert. Zehn gelähmte Ratten wurden täglich trainiert, mit Stimulation sowohl auf einem Laufband als auch in dem Robotersystem zu gehen. Nach zwei bis drei Wochen machten die Ratten ihre ersten freiwilligen Schritte. Dies ist das erste Mal, dass wir die freiwillige Kontrolle der Fortbewegung bei einem Tier mit einer Verletzung sehen, die es normalerweise vollständig gelähmt zurücklässt, sagt Courtine.
Der Schlüssel zu dieser Genesung war die aktive Rolle des Gehirns der Ratte, wenn es darum ging, vorwärts zu kommen. Die elektrische und chemische Stimulation versetzt das Nervensystem der Ratte in einen Zustand, in dem es möglich ist zu gehen, sagt Studienkoautorin Janine Heutschi, und dann muss man die Ratte zum Laufen bringen. Der Wunsch der Ratten zu laufen wurde durch Schokoladenbelohnungen und lautstarke Ermutigungen der Forscher (die Sie in hören können) motiviert Dieses Video der Eidgenössischen Technischen Hochschule). Das robotische Aufhängungssystem zwingt die Nagetiere, ihre ruhenden Hinterbeine zu verwenden und sich nicht mit ihren noch funktionsfähigen Vorderbeinen nach vorne zu schleppen.
Die Kombination aus elektrochemischer Stimulation und aktivem Training, das Treppensteigen und Umgehen von Hindernissen beinhaltete, führte zu neuen neuronalen Verbindungen, die die Verletzungsstelle umgehen. Wir förderten eine umfassende Neugestaltung der neuronalen Verbindungen nicht nur an der Stelle der Verletzung, sondern im gesamten zentralen Nervensystem, einschließlich des Gehirns, sagt Courtine. Am überraschendsten war, sagt er, die Vervierfachung der neuronalen Projektionen, die vom motorischen Kortex an den Hirnstamm gesendet werden, der eine bewusste Steuerung von Bewegungen ermöglicht. Der motorische Kortex wird zum Maestro des Reorganisationsprozesses.
Auch für den Umbau war die bewusste Absicht der Ratten notwendig. Das Nervensystem von Ratten, die die elektrochemische Stimulation erhielten, aber nur auf Laufbändern trainierten, zeigten keine anatomischen Veränderungen. Sie müssen einen Input vom Gehirn einbeziehen, sagt Heutschi. Es funktioniert nicht, wenn die Ratte auf einem Laufband ist; Sie müssen sie zwingen, das Gehirn zu benutzen, um ihre Hinterbeine zu kontrollieren.
Die klinische Bedeutung der Ergebnisse ist laut Neurowissenschaftler der Rutgers University unklar Weiser Junge , wegen der ungewöhnlichen chirurgischen Verletzung der Versuchsratten (zwei Schnitte auf jeder Seite der Schnur in unterschiedlichen Höhen). Eine relevantere Verletzung wäre eine Quetschung oder Prellung des Rückenmarks gewesen, sagt er.
Andere Experten halten die Ergebnisse jedoch für vielversprechend für Patienten mit Rückenmarksverletzungen, die keinen vollständigen Schnitt durch das Rückenmark haben. Auch wenn bei den Versuchsratten alle Verbindungen zwischen dem Gehirn und dem unteren Rückenmark unterbrochen wurden, sind einige Fasern verbleibend Gliedmaßen und um die willkürliche Bewegung wiederzuerlangen, sagt Zhigang He , ein Neurowissenschaftler an der Harvard Medical School. Dieses Roboter-Trainingssystem macht dies möglich, sagt er.
Es ist geplant, eine menschengroße Version des Trainingssystems zu entwickeln und seine Wirkung in klinischen Studien in Europa zu testen. Auch Forschende der Eidgenössischen Technischen Hochschule und anderer europäischer Institutionen arbeiten an einer verbesserten, implantierbaren Version des elektrischen Wirbelsäulen-Stimulationssystems, das im nächsten Jahr beim Menschen Einzug halten könnte.