Die beiden Lähmungspatienten waren im Nu auf Tretmühlen gelaufen. Möglich wurde diese beeindruckende Leistung durch eine beispiellose neue Operation, bei der Forscher drahtlose Geräte in das Gehirn der Patienten implantierten, um deren Gehirnaktivität aufzuzeichnen. Die Technologie ermöglichte es dem Gehirn, mit den Beinen zu kommunizieren und die gebrochenen Rückenmarkspfade zu umgehen, sodass der Patient die Kontrolle wiedererlangen konnte.
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Es stellte sich heraus, dass diese Patienten Affen waren. Aber dieser kleine Schritt für Affen könnte für Millionen gelähmter Menschen zu einem riesigen Sprung führen: Dieselbe Ausrüstung wurde bereits für den Einsatz beim Menschen zugelassen, und in der Schweiz laufen klinische Studien, um die therapeutische Wirksamkeit der Methode zur Rückenmarkstimulation beim Menschen zu testen (abzüglich des Gehirnimplantats). Jetzt, da die Forscher ein Proof-of-Concept haben, könnte diese Art der drahtlosen Neurotechnologie die Zukunft der Wiederherstellung von Lähmungen verändern.
Anstatt zu versuchen, die beschädigten Rückenmarkspfade zu reparieren, die normalerweise Gehirnsignale an die Gliedmaßen liefern, versuchten die Wissenschaftler einen innovativen Ansatz, um die Lähmung rückgängig zu machen: Den Verletzungsengpass insgesamt umgehen. Das Implantat fungierte als Brücke zwischen dem Gehirn und den Beinen, um die Beinbewegung zu steuern und die Muskelbewegung in Echtzeit zu stimulieren, sagt Tomislav Milekovic, Forscher an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL). Milekovic und Co-Autoren berichten über ihre Ergebnisse in einem neuen Artikel, der am Mittwoch in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde .
Wenn das neuronale Netzwerk des Gehirns Informationen verarbeitet, erzeugt es bestimmte Signale, die Wissenschaftler zu interpretieren gelernt haben. Diejenigen, die in Primaten spazieren gehen, stammen aus der sogenannten motorischen Kortikalis. Bei einem gesunden Menschen wandern die Signale über das Rückenmark in die Lendenwirbelsäule, wo sie die Aktivierung der Beinmuskulatur steuern, um das Gehen zu ermöglichen.
Wenn eine traumatische Verletzung diese Verbindung unterbricht, ist ein Subjekt gelähmt. Obwohl das Gehirn immer noch in der Lage ist, die richtigen Signale zu produzieren und die muskelaktivierenden neuronalen Netzwerke des Beins intakt sind, erreichen diese Signale niemals die Beine. Den Forschern ist es gelungen, die Verbindung mithilfe der drahtlosen Echtzeit-Technologie wiederherzustellen - eine beispiellose Leistung.
Wie funktioniert das System? Die künstliche Schnittstelle des Teams beginnt mit einer Anordnung von fast 100 Elektroden, die in die motorische Kortikalis des Gehirns implantiert sind. Es ist mit einem Aufzeichnungsgerät verbunden, das die Auslösung von elektrischen Aktivitäten im Gehirn misst, die die Beinbewegungen steuern. Das Gerät sendet diese Signale an einen Computer, der diese Anweisungen decodiert und in eine andere Anordnung von Elektroden übersetzt, die im unteren Rückenmark unterhalb der Verletzung implantiert sind. Wenn die zweite Elektrodengruppe die Anweisungen erhält, werden die entsprechenden Muskelgruppen in den Beinen aktiviert.
Für die Studie erhielten die beiden Rhesusaffen im Labor Rückenmarksverletzungen. Nach ihren Operationen mussten sie einige Tage damit verbringen, sich zu erholen und darauf zu warten, dass das System die erforderlichen Daten zu ihrem Zustand sammelt und kalibriert. Aber nur sechs Tage nach der Verletzung lief ein Affe auf einem Laufband. Der andere war am Tag 16 nach der Verletzung auf und ging.
Der Erfolg des Gehirnimplantats zeigt zum ersten Mal, wie die Neurotechnologie und die Rückenmarkstimulation die Gehfähigkeit eines Primaten wiederherstellen können. "Das System stellte die Bewegungsbewegungen sofort wieder her, ohne dass ein Training oder ein erneutes Lernen erforderlich war", sagte Milekovic, der datengesteuerte neuroprothetische Systeme entwickelt, gegenüber Smithsonian.com.
"Das erste Mal, dass wir die Schnittstelle zwischen Gehirn und Wirbelsäule einschalteten, war ein Moment, den ich nie vergessen werde", fügte der EPFL-Forscher Marc Capogrosso in einer Erklärung hinzu.
Ein neues Gehirnimplantat sendet drahtlos Signale an die Muskelgruppen der Beine. (Illustration von Jemere Ruby) Die Technik, die neuronalen Netze des Gehirns zu "hacken", hat bemerkenswerte Leistungen erbracht, zum Beispiel die Herstellung berührungsempfindlicher Prothesen, mit denen Träger heikle Aufgaben wie das Knacken eines Eies ausführen können. Bei vielen dieser Bemühungen werden jedoch Kabelverbindungen zwischen dem Gehirn und den Aufnahmegeräten verwendet, was bedeutet, dass sich die Probanden nicht frei bewegen können. "Die neuronale Kontrolle von Hand- und Armbewegungen wurde sehr detailliert untersucht, während die neuronale Kontrolle von Beinbewegungen, bei denen Tiere sich frei und natürlich bewegen mussten, weniger im Fokus stand", sagt Milekovic.
Christian Ethier, ein Neurowissenschaftler an der Université Laval in Quebec, der nicht in die Forschung involviert war, bezeichnete die Arbeit als einen "großen Fortschritt bei der Entwicklung neuroprothetischer Systeme". Er fügte hinzu: "Ich glaube, diese Demonstration wird die Übersetzung des invasiven Gehirns beschleunigen -Computer-Schnittstellen zu menschlichen Anwendungen.
In einem begleitenden Artikel zu News & Views in Nature stimmt der Neurowissenschaftler Andrew Jackson zu und weist darauf hin, wie schnell Fortschritte in diesem Bereich von Affen zu Menschen gemacht wurden. Ein Artikel aus dem Jahr 2008 zeigte zum Beispiel, dass gelähmte Affen einen Roboterarm nur mit ihrem Gehirn steuern können. Vier Jahre später tat eine gelähmte Frau dasselbe. Zu Beginn dieses Jahres ermöglichte die gehirngesteuerte Muskelstimulation einer querschnittsgelähmten Person, unter anderem praktische Handfertigkeiten zu erfassen, nachdem das gleiche Kunststück 2012 bei Affen erzielt worden war.
Jackson schließt aus dieser Geschichte, dass "es nicht unangemessen ist zu spekulieren, dass wir die ersten klinischen Demonstrationen von Grenzflächen zwischen Gehirn und Rückenmark bis zum Ende des Jahrzehnts sehen könnten."
Das in das Gehirn der Affen implantierte Blackrock-Elektrodenarray wird seit 12 Jahren verwendet, um die Gehirnaktivität in den klinischen BrainGate-Studien erfolgreich aufzuzeichnen. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass dieses Signal komplexe neuroprothetische Geräte genau steuern kann. "Obwohl eine Operation erforderlich ist, ist das Array um eine Größenordnung kleiner als die chirurgisch implantierten Tiefengehirnsimulatoren, die bereits von mehr als 130.000 Menschen mit Parkinson-Krankheit oder anderen Bewegungsstörungen verwendet werden", fügt Milekovic hinzu.
Während dieser Test nur auf einige Phasen der Gehirntätigkeit im Zusammenhang mit dem Gehen beschränkt war, schlägt Ethier vor, dass er möglicherweise in Zukunft einen größeren Bewegungsspielraum ermöglichen könnte. „Mit denselben Gehirnimplantaten ist es möglich, Bewegungsabsichten viel detaillierter zu entschlüsseln, ähnlich wie wir es getan haben, um die Greiffunktion wiederherzustellen. ... Ich gehe davon aus, dass zukünftige Entwicklungen darüber hinausgehen und möglicherweise auch andere Fähigkeiten wie das Ausgleichen von Hindernissen und das Anpassen der Gehgeschwindigkeit umfassen werden. “
Ethier stellt eine weitere faszinierende Möglichkeit fest: Das drahtlose System kann dem Körper tatsächlich helfen, sich selbst zu heilen. "Indem sie die Aktivität im Gehirn und in den motorischen Zentren der Wirbelsäule neu synchronisieren, können sie die so genannte" aktivitätsabhängige Neuroplastizität "fördern und alle Verbindungen konsolidieren, die das Gehirn mit den Muskeln verbinden", sagt er. "Dies könnte langfristige therapeutische Wirkungen haben und die natürliche Wiederherstellung der Funktion fördern, die mit herkömmlichen Rehabilitationstherapien nicht möglich ist."
Dieses Phänomen sei nicht gut verstanden, und die Möglichkeit bleibe an dieser Stelle spekulativ, betont er. Aber die greifbare Errungenschaft, die diese Forschung zeigt - den gelähmten Gehirnen wieder beim Gehen zu helfen - ist bereits ein großer Schritt.
