Einleitung
Die Vorstellung, künstliche Gliedmaßen mit dem Nervensystem zu verbinden, um sowohl Bewegungsfähigkeit als auch Empfindung zu ermöglichen, fasziniert seit langem. Science-Fiction-Filme wie "Star Wars" haben dieses Konzept populär gemacht, doch die Realisierung einer solchen Technologie stellt eine enorme wissenschaftliche Herausforderung dar. Dieser Artikel beleuchtet die Fortschritte und Schwierigkeiten bei der Entwicklung von Schnittstellen zwischen Nervensystem und Prothesen, wobei sowohl zentrale als auch periphere Ansätze betrachtet werden.
Die Vision: Luke Skywalkers Kunstarm
Eine der berühmtesten Science-Fiction-Filmszenen zeigt Luke Skywalker, der seinen neuen künstlichen Unterarm samt Hand begutachtet. Er kann die Prothese nicht nur durch seine Gedanken bewegen, sie fühlt sich für ihn auch wie seine eigene Hand an. Was das Publikum allerdings nicht sieht, sind die Details der Verbindung zwischen Mensch und Maschine. Damit solch eine Verknüpfung funktioniert, müssen Nervenimpulse aus dem Gehirn in elektrische Signale im künstlichen Arm umgewandelt werden und umgekehrt. Und das ist außerhalb der Fantasiewelt der Filme noch niemandem gelungen.
Die Herausforderungen der Verbindung
Die Verbindung von Nerven mit künstlichen Gliedmaßen ist aus mehreren Gründen komplex. Nerven übertragen Signale durch elektrische Depolarisierung der Zellmembran und chemische Signalmoleküle, während in Drähten Elektronen fließen. Zudem würde das Immunsystem ein elektrisch leitfähiges Material in engem Kontakt mit Nerven als Fremdkörper erkennen und bekämpfen, was zur Bildung von Narbengewebe und Funktionsverlust führen würde.
Fortschritte durch Nanotechnologie und Gewebezüchtung
In den letzten Jahren sind Forscher der Lösung dieser Probleme nähergekommen, indem sie Nanotechnologie und Gewebezüchtung einsetzen. Anstatt Nerven zu direkter Kommunikation mit elektrischen Anschlüssen zu zwingen, werden neue Arten von Brücken zwischen Nerven und künstlichen Gliedern entwickelt. Dabei wird die natürliche Anpassungsfähigkeit des Nervensystems genutzt.
Der Bedarf treibt die Forschung an
Die Entwicklung künstlicher Gliedmaßen hat in den letzten Jahren einen großen Aufschwung genommen, namentlich die Kriege in Afghanistan und im Irak, haben einen großen Bedarf geschaffen. Nachdem 2006 die Wissenschaftsagentur des amerikanischen Verteidigungsministeriums (DARPA) das ambitionierte Programm "Revolutionizing Prosthetics" ins Leben rief, haben die Forscher beeindruckende Fortschritte erzielt.
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Feinmotorik als größte Herausforderung
Bis vor wenigen Jahren konzentrierten sich die Prothesenkonstrukteure auf die untere Körperhälfte. Ein künstliches Bein, mit dem man im Wesentlichen nur gehen und stehen muss, ist einfacher zu konstruieren als eine Hand, die ein Einmachglas aufdrehen oder auf einer Computertastatur tippen soll. Die hochentwickelte Feinmotorik der menschlichen Hand auch nur teilweise nachzubilden, ist die größte Herausforderung an die Kunst des Prothesenbaus.
Die Bedeutung der Propriozeption
Bei einer gesunden Hand arbeiten motorische und sensorische Signale zusammen und verschaffen uns unter anderem die Eigenwahrnehmung ("Propriozeption"): Wir wissen, wo sich unsere Körperteile im Raum befinden und wie sie zueinander stehen, ohne nachsehen zu müssen. Ohne Propriozeption könnten wir nicht einmal mit einem Bleistift umgehen. Es kommt demnach entscheidend darauf an, dass die Anschlussstelle (das "Interface") zwischen Nervensystem und Prothese in beiden Richtungen funktioniert, also einen Austausch von motorischen wie sensorischen Informationen erlaubt. Eine solche Handprothese wäre nicht nur intuitiv, durch die reine Kraft der Gedanken, ansteuerbar, sondern würde sich auch "echt anfühlen".
Aktuelle Ansätze zur Signalübertragung
Bisher konstruierte Roboterhände empfangen die Signale zu ihrer Bewegungssteuerung auf verschiedene, meist indirekte Weise. Beispielsweise betätigt der Träger der Prothese durch wiederholtes Anspannen und Entspannen von Muskeln in der Brust oder im Armstumpf spezielle Schalter, die dann verschiedene Bewegungen der Prothese auslösen. Besser wäre es allerdings, die Prothese wäre mit den ursprünglichen motorischen Nerven verbunden und würde durch sie gesteuert. Diese Nerven sterben nach der Amputation nicht etwa ab, sondern ziehen sich nur ein Stück vom Stumpfende zurück.
Zwei Hauptansätze: Zentrales vs. Peripheres Nervensystem
Die erste Grundsatzentscheidung betrifft die Position der Anschlussstelle innerhalb des Nervensystems. Es stehen im Wesentlichen zwei Möglichkeiten zur Auswahl: das zentrale Nervensystem aus Gehirn und Rückenmark oder das periphere Nervensystem, genauer gesagt, jener Nerv, der vom Rückenmark ausgeht und zu gesunden Zeiten die zu ersetzende Hand versorgte.
Anschluss ans Gehirn: Vor- und Nachteile
Bislang wählen die meisten Wissenschaftler das Gehirn als Signalquelle. In einem der Projekte wird dessen Aktivität durch Elektroden aufgezeichnet, die an der Kopfhaut oder direkt unter der Schädeldecke auf der Hirnoberfläche selbst angebracht sind. Ein Computer analysiert die Signale und setzt sie in die gewünschten Bewegungsbefehle um. Diese Methoden haben den Vorteil, dass sie nicht in das Gehirn selbst eingreifen. Jedoch wird das aufgenommene Signal häufig durch elektrische Geräte in der Umgebung gestört und gibt obendrein die Gehirnaktivität nur sehr grob wieder. Entsprechend schwierig ist es für das Analyseprogramm zu ermitteln, welche Bewegung beabsichtigt ist.
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Bei der invasivsten Technik dagegen werden Reihen von Mikroelektroden direkt in die Hirnrinde implantiert. Es handelt sich typischerweise um Sonden aus Silizium hoher Dichte, jede dünner als ein menschliches Haar. Ein solch direkter Anschluss bietet den gewaltigen Vorteil, dass er sehr genaue und reichhaltige Daten liefert, bis hin zur Aktivität einzelner Nervenzellen. Entsprechend präzise könnte die Prothese angesteuert werden.
Anschlüsse ans Gehirn - mehr oder weniger invasiv - werden bereits an Dutzenden von Menschen getestet. Eine Frau, die durch einen Schlaganfall gelähmt war, lernte, nur mit Hilfe ihrer Gedanken ihren Roboterarm so präzise zu führen, dass sie Kaffee aus einem Becher trinken konnte. Im vergangenen Jahr startete DARPA ein Projekt, bei dem erstmalig einigen Personen, die ihre Arme verloren haben, Elektroden ins Gehirn implantiert werden sollen, um mit ihnen hochmoderne Prothesen zu steuern. In beiden Fällen sind die Elektroden, welche die neuronalen Signale aufzeichnen, mit Drähten verbunden, die aus der Schädeldecke herauskommen. Ein leistungsstarker Computer analysiert die eingehenden Signale und verwandelt sie in Befehle an den Roboterarm. Letztendlich hoffen Wissenschaftler, die Informationen drahtlos übertragen zu können, damit ein Patient nicht mit dem Computer verkabelt sein muss, um seine Armprothese bewegen zu können. Noch besser wäre ein kleiner Computer, den man am Körper oder sogar unter der Haut tragen kann - aber leider reicht dafür die Leistung der derzeit verfügbaren Geräte noch nicht aus.
Ein weiterer Nachteil ist, dass das Hirngewebe die eindringenden Elektroden als Fremdkörper bekämpft und mit einer Entzündung reagiert, die schließlich zur Bildung von Narbengewebe führt. Dadurch wird die Elektrode gewissermaßen betäubt: Die empfangenen Signale werden schwächer, und die Zahl der überhaupt abhörbaren Nervenzellen nimmt mit der Zeit exponentiell ab. Bei einigen Patienten haben die Elektroden Berichten zufolge noch mehrere Jahre nach der Implantation Signale von einem oder mehreren Neuronen übermittelt, aber diese Fälle sind die Ausnahme. Forscher suchen nun nach Wegen, um die körpereigene starke Immunreaktion gegen Fremdobjekte im Gehirn zu minimieren.
Anschluss am peripheren Nervensystem: Ein alternativer Ansatz
Angesichts dieser erheblichen Schwierigkeiten zogen wir es vor, das periphere Nervensystem anzuzapfen. Im Gegensatz zum zentralen Nervensystem, das sich aus bis zu 100 Milliarden Nervenzellen zusammensetzt, hat man es hier hauptsächlich mit einzelnen Fasern zu tun, den Axonen, die zu Nerven gebündelt sind. Axone sind bis zu einem Meter lange Fortsätze von Nervenzellen, die elektrische Signale übertragen.
Manche peripheren Nervenfasern verlaufen vom Rückenmark zu den Muskeln; mit ihrer Hilfe steuert das Gehirn - auf dem Weg über das Rückenmark - unsere Bewegungen. Andere übertragen Wahrnehmungen wie räumliche Position eines Körperteils, Temperatur oder Berührung von dort zum Rückenmark, das sie an das Gehirn weiterleitet.
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Da abgeschnittene sensorische Nerven nach einer Amputation oft weiterhin Signale abgeben, haben viele Amputierte die Empfindung, ihre fehlende Extremität sei noch da - der Phantomschmerz. Wenn man diese fehlfeuernden sensorischen Axone an eine Prothese anschließen könnte, die starke Signale abgibt, würde das Gehirn diese bereitwillig als von einem Unterarm, einer Hand oder einem Finger stammend interpretieren.
Ebenso sind die motorischen Axone des peripheren Nervensystems noch fähig, Bewegungen zu steuern. Da das Gehirn diese verschiedenen motorischen Signale zu geordneten Bewegungen zusammensetzen kann, würde es eine korrekt angeschlossene Prothese auf natürliche Weise bewegen.
Ein abgeschnittenes peripheres Axon kann sogar wieder wachsen, allerdings nur dann, wenn es eine Zielstruktur gibt, zu der es Kontakt herzustellen vermag. Ein metallischer Draht könnte jedoch diese Rolle nicht übernehmen, ganz abgesehen davon, dass ihn das Immunsystem ebenso attackieren würde wie eine ins Gehirn implantierte Elektrode.
Zielorientierte Muskel-Reinnervation (TMR)
Todd Kuiken von der Northwestern University in Chicago und seine Arbeitsgruppe haben eine raffinierte Umgehung dieses Problems erfolgreich an Freiwilligen getestet: Sie nutzen Brustmuskeln als "lebende Brücken" zwischen dem Armstumpf und dem elektrischen Anschluss einer Prothese. Zunächst kappen die Wissenschaftler die motorischen Nerven zu einigen oberflächliche Brustmuskeln, damit diese keine konkurrierenden Signale vom Gehirn mehr empfangen können. Dann leiten sie die motorischen Axone, die ursprünglich vom Rückenmark zu dem nun abgetrennten Teil des Arms verliefen, sorgfältig um, so dass sie nun stattdessen die zuvor präparierten Brustmuskeln innervieren - ein Wachstumsprozess, der binnen weniger Wochen abgeschlossen ist. Befehle vom Gehirn, die eigentlich an die Muskeln des nicht mehr vorhandenen Arms gerichtet sind, wandern nun zur Brust und veranlassen dort Muskeln zur Kontraktion.
Dort setzen die Forscher Elektroden auf die Haut auf. Die registrieren die elektrische Aktivität einzelner Muskeln und damit indirekt die Signale, die vom Gehirn kommen. Nach einigen Wochen Training kann der Patient seine Prothese "mit Gedankenkraft" bewegen. Indem er zum Beispiel daran denkt, einen Becher zu greifen, löst er ein spezielles Muster von Muskelzuckungen in seiner Brust aus. Die ihrerseits weisen - auf dem Weg über die dort aufgesetzten Elektroden - die Elektronik in der Prothese an, die Finger der künstlichen Hand zu krümmen. Kuiken und seine Gruppe haben diese "zielorientierte Muskel-Reinnervierung" (targeted muscle reinnervation, TMR) inzwischen bei Dutzenden von Amputierten angewandt. Ob man damit allerdings die Feinmotorik einer echten Hand erreichen kann, bleibt abzuwarten.
Neuronale Brücken durch Nervenfasertransplantation
Wir glauben, dass dieses ambitionierte Ziel letztendlich eine andere Form von Verknüpfung zwischen lebendem Gewebe und Prothese erfordert. Glücklicherweise ist ein abgeschnittener Nerv nicht auf einen Muskel als Zielstruktur für sein Wachstum beschränkt. Er wächst auch in Richtung anderer Nerven und akzeptiert diese selbst dann, wenn sie transplantiert sind. Diese Möglichkeit beschlossen wir vor ungefähr sechs Jahren auszuloten: An Stelle von Muskeln sollten transplantierte Nervenfasern als Vermittler zwischen den durchtrennten Axonen in einem Stumpf und der elektrischen Steuerung einer Prothese dienen.
Um eine solche neuronale Brücke zu schaffen, muss man zunächst Nervenfasern in Zellkultur dazu bringen, in die Länge zu wachsen. Einer von uns (Smith) hat dafür eine Technik namens "stretch-grow" entwickelt, welche die natürliche Fähigkeit von Nerven nutzt, mit dem umgebenden Gewebe mitzuwachsen. Zunächst bringen die Wissenschaftler im Labor gezüchtete Nerven (grün) dazu, an elektrisch leitende Bündel aus Polymerfasern (grau) anzuwachsen. Dann ziehen sie die Neurone vorsichtig auseinander und dehnen ihre Axone auf diese Weise. Die so konstruierte Brücke wird mit dem nervenseitigen Ende in die Nähe des abgeschnittenen Nervs gebracht. Dieser wächst daraufhin entlang der Brücke (rot) und nimmt Kontakt zu den Polymerfasern auf, mit dem Effekt, dass Signale vom Gehirn über das Rückenmark und die Kontaktstelle bis zur Prothese und zurück fließen. Im Wesentlichen bringen wir eine Kultur von Nervenzellen auf zwei Träger auf, die wir dann ganz allmählich auseinanderziehen. Axone, die ursprünglich auf beiden Trägern lagen, geraten dadurch unter Spannung; dieser Reiz veranlasst sie dazu, in beide Richtungen zu wachsen. In den von uns entwickelten speziellen Geräten, den "axon elongators"("Axonstrecker"), bringen es die Axonbündel auf die bislang im Experiment unerreichte Wachstumsgeschwindigkeit von einem Zentimeter pro Ta…
Weitere Technologien zur Schmerzlinderung und Stimulation
Neben den direkten Schnittstellen zu Prothesen gibt es auch andere Technologien, die das Nervensystem beeinflussen können.
Implantierbare Neurostimulatoren
Ein implantierbarer Neurostimulator ist ein operativ eingesetzter Schrittmacher, das etwa die Größe einer Stoppuhr hat. Neurostimulation lindert Schmerzen, indem sie die Schmerzsignale zwischen Rückenmark und Gehirn unterbricht. Die Rückenmarkstimulation führt zu einer Schmerzlinderung, indem sie die Schmerzsignale verändert, bevor sie das Gehirn erreichen. Die Stärke und der Ort der Stimulation können mit einem kleinen Programmiergerät angepasst werden.
Intelligente Drähte für präzise Bewegungen
Neuartige Nickel-Titan-Drähte ziehen sich zusammen und kehren dann wieder in ihre Ausgangsform zurück. So können sie technische Bauteile präzise bewegen und schwere Lasten hieven. Der Clou: Sie funktionieren ganz ohne Sensoren können aber dennoch auf Störungen reagieren. Das ermöglicht ihre Anwendung in der Medizin oder in Tiermodellen.
Periphere Nervenfeldstimulation (PNS)
Die periphere Nervenfeldstimulation (PNS) ist eine neuromodulatorische Behandlungsmethode, bei der elektrische Impulse verwendet werden, um Schmerzen zu lindern, indem spezifische periphere Nerven oder Nervenfelder stimuliert werden. Diese Technik wird vor allem bei chronischen Schmerzen eingesetzt, die durch periphere Nerven verursacht werden, und ist eine Alternative oder Ergänzung zu anderen Schmerzbehandlungen, wie z. B. medikamentösen Therapien oder chirurgischen Eingriffen.
Das Konnektom: Der Schaltplan des Gehirns
Der Schaltplan des Gehirns kartiert die Informationswege und enthält die Gehirn-Software. Der erste Schaltplan eines ganzen Gehirns war der des Fadenwurms mit einigen hundert Nervenzellen (veröffentlicht 1986). Andere Gehirne sind deutlich komplexer: fast 100 Millionen Nervenzellen in der Maus oder zirka 100 Milliarden Zellen beim Menschen. Trotzdem ist es heute denkbar, dem Mäusehirn seinen Schaltplan zu entlocken. Der erste Schritt dahin ist gelungen: die Entwicklung eines detailgetreuen und kontrastreichen Gehirnpräparats.
Die Bedeutung der Nervenzellverbindungen
Im Zentrum aller Rechenvorgänge steht der Fluss von Informationen. Dieser hängt wiederum davon ab, wie die einzelnen Schaltelemente - im Gehirn die Nervenzellen - miteinander verbunden sind. Wenn wir wissen, "wer mit wem in Verbindung steht", können wir der Information im Gehirn folgen und bestimmen, welche Signale miteinander wechselwirken können und welche nicht. Weil die Zellen und ihre Verbindungen den Informationsfluss nicht nur ermöglichen, sondern auch im Einzelnen kontrollieren, stellen sie nicht nur die physikalische Grundlage für das Rechnen des Gehirns dar.
Im Unterschied zu den meisten anderen Zellen eines Organismus, von denen jede nur etwa ein Dutzend Nachbarn hat, berührt jede Nervenzelle tausende - in Extremfällen sogar hunderttausende - anderer Nervenzellen. Mit vielen dieser Zellen bestehen sogenannte synaptische Verbindungen, über die eine Zelle Signale empfängt oder aussendet. Synapsen können sich chemischer Botenstoffe bedienen oder direkte elektrische Verbindungen herstellen und sind der Weg, auf dem Zellen miteinander kommunizieren - das heißt, sich gegenseitig in ihrer Aktivität beeinflussen. Um eine so große Zahl von anderen Zellen berühren zu können, wachsen aus jeder Nervenzelle mehrere schlanke, oft vielfach baumartig verzweigte Fortsätze heraus. Diese werden, je nachdem, ob sie Signale senden oder empfangen, Axone und Dendriten genannt und sind die "Drähte" des Gehirns. Fortsätze vieler Zellen bilden dann ein verschlungenes, durch die Synapsen in sich verbundenes Netzwerk - das "Neuropil".
Herausforderungen bei der Erstellung des Konnektoms
Obwohl das "Gehirn" von C. elegans nur ein paar hundert Nervenzellen und ein paar tausend Synapsen hat, waren die Wissenschaftler damit über zehn Jahre lang beschäftigt. Ein Mäusegehirn hat dagegen etwa hundert Millionen (108) Zellen, die durch etwa 100 Milliarden (1011) Synapsen miteinander verbunden sind. Ist damit die Bestimmung des Konnektoms komplexerer Nervensysteme von vornherein aussichtslos? Nicht notwendigerweise, wie die Entwicklung der Gensequenzierung gezeigt hat.
Die BROPA-Methode
In einem für die Konnektomik geeigneten Gehirnpräparat müssen die zellulären, besonders die synaptischen Feinstrukturen überall erhalten sein. Auch müssen die Färbung mit Schwermetallen und die Einbettung in Kunstharz gleichmäßig sein. Das erste ist entscheidend für die Erhaltung aller Verbindungsdaten aus dem lebenden Tier. Das zweite, die gleichmäßige Färbung, sorgt für einen ausreichenden Kontrast bei der Abbildung im Elektronenmikroskop. Das dritte, die Einbettung, erlaubt das zuverlässige Abschneiden dünner Scheibchen, wie es für die Auflösung der dritten Raumdimension notwendig ist. Mit einer Kombination von Geduld und sorgfältiger Erkundung verschiedener chemischer Verbindungen und Reaktionsverfahren ist es gelungen, die sog. BROPA-Methode (brain-wide reduced-osmium staining with pyrogallol-mediated amplification method) zu entwickeln, die all diese Bedingungen erfüllt.