Die Forschung im Bereich der Prothetik hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht. Ein zentraler Fokus liegt dabei auf der Integration von Prothesen in das Nervensystem, um das Gefühl für die künstliche Gliedmaße zu verbessern und sie als Teil des eigenen Körpers wahrzunehmen. Dieser Artikel beleuchtet die aktuellen Entwicklungen und Forschungsergebnisse auf diesem Gebiet, von Beinprothesen mit Neurofeedback bis hin zu bionischen Handprothesen, die fest mit Muskeln, Nerven und Skelett verbunden sind.
Sensorisches Feedback für Beinprothesen
Ein wesentlicher Aspekt bei der Akzeptanz von Beinprothesen ist das empfundene Gewicht. Obwohl moderne Beinprothesen oft weniger als halb so schwer sind wie natürliche Gliedmaßen, empfinden viele amputierte Personen sie als zu schwer. Hier setzt die Forschung von Professor Raspopovic an der ETH Zürich an. Gemeinsam mit einem internationalen Konsortium hat er Prothesen entwickelt, die dem Nervensystem des Trägers ein Feedback geben.
Neurofeedback reduziert das empfundene Gewicht
Die Prothesen von Raspopovic nutzen im Oberschenkel implantierte Elektroden, die mit den dortigen Beinnerven verbunden sind. Informationen von Tastsensoren unter der Fußsohle und von Winkelsensoren im elektronischen Prothesen-Kniegelenk werden in Stromimpulse umgewandelt und an die Nerven weitergegeben. „Wir stellten das verlorene sensorische Feedback künstlich wieder her. Dem Gehirn einer oberschenkelamputierten Person wird so vorgegaukelt, dass die Beinprothese ihrem eigenen Bein ähnlich ist“, erklärt Raspopovic.
In einer Studie wurde untersucht, wie schwer oberschenkelamputierte Personen ihre Beinprothese empfinden. Die Teilnehmer absolvierten Gangübungen mit ein- und ausgeschaltetem Neurofeedback. Dabei wurde der gesunde Fuß mit Zusatzgewichten beschwert, und die Teilnehmer bewerteten das relative Gewicht beider Beine. Es zeigte sich, dass das Neurofeedback das empfundene Prothesengewicht um etwa 23 Prozent oder knapp 500 Gramm reduzierte.
Verbesserte Motorik und Kognition durch Neurofeedback
Die positive Wirkung des Neurofeedbacks auf das Gehirn wurde auch durch eine motorisch-kognitive Aufgabe bestätigt. Die Probanden sollten beim Gehen Wörter mit fünf Buchstaben rückwärts buchstabieren. Das sensorische Feedback ermöglichte nicht nur einen schnelleren Gang, sondern auch bessere Ergebnisse bei der Buchstabierübung. „Neurofeedback ermöglicht nicht nur sicheres Gehen und beeinflusst das Gewichtsempfinden positiv“, so Raspopovic. In einer letztes Jahr veröffentlichten Studie zeigte er mit seinem Team, das sich Träger solcher Neurofeedback-Prothesen sicherer und mit weniger Kraftanstrengung fortbewegen können.
Lesen Sie auch: Fortschritte bei nervengesteuerten Prothesen
Die Forscher ließen oberschenkelamputierte Personen Gangübungen mit entweder eingeschaltetem oder ausgeschaltetem Neurofeedback absolvieren. Dabei beschwerten sie den gesunden Fuß mit Zusatzgewichten und ließen die Studienteilnehmer bewerten, als wie schwer diese die beiden Beine im Verhältnis zueinander empfinden. Das sensorische Feedback ermöglichte ihm nicht nur einen schnelleren Gang, sondern er schnitt auch bei der Buchstabierübung besser ab. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich damit ganz grundsätzlich die Erfahrung von Patienten mit künstlichen Gliedmaßen näher an jene mit einer natürlichen Gliedmaße heranführen lässt“, wird Raspopovic in der Mitteilung zitiert.
Bionische Handprothesen: Feste Integration und feinere Bewegungen
Neben Beinprothesen gibt es auch bedeutende Fortschritte bei Handprothesen. Eine Frau aus Schweden hat als erste Person weltweit eine neuartige, hochintegrierte Handprothese erhalten, die sie seit 2018 im täglichen Leben einsetzt. Im Gegensatz zu den meisten herkömmlichen Prothesen ist diese bionische Hand nicht abnehmbar, sondern fest mit Muskeln, Nerven und Skelett verbunden.
Vorteile der festen Integration
Die feste Integration der Prothese im Gewebe ermöglicht vergleichsweise feinere Bewegungen und kommt dem Funktionsspektrum einer "echten" Hand möglichst nahe. Mittlerweile gibt es einige Prothesen, die durch Muskelkontraktionen gesteuert werden können, meist mittels Elektronen, die im Schaft der Prothese sitzen und auf die gezielte Anspannung bestimmter Muskelgruppen reagieren. Vor der Prothese litt die Patientin unter starken Phantomschmerzen, die nach dem Verlust ihrer Hand bei einem landwirtschaftlichen Unfall auftraten. Durch die neuartige Prothese sind diese Schmerzen verschwunden. "Es fühlte sich an, als hätte ich ständig meine Hand in einem Fleischwolf, was zu einem hohen Stresslevel führte, und ich musste hohe Dosen verschiedener Schmerzmittel einnehmen." Für sie habe diese Forschung viel bedeutet, weil sie ihr ein besseres Leben ermöglicht habe.
Steuerung durch neuronale Signale
Im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat geförderten Projektes „Natural BionicS“ wurden bei drei armamputierten Studienteilnehmern neuartige (40-Kanal-)Mikroelektroden in Muskeln implantiert. Diese waren zuvor durch eine Targeted Muscle Reinnervation (TMR) wieder mit Nerven verbunden worden. Das chirurgische Verfahren leitet nach einer Amputation verbliebene Nervenbahnen in noch vorhandene Muskeln um.
Durch diese Kombination chirurgischer Reinnervation mit implantierbaren Mikroelektroden gelang es den Wissenschaftern aus Wien und London erstmals, die Aktivität einzelner Motoneuronen direkt zu messen und deren Signalmuster mit bestimmten Bewegungsabsichten zu verknüpfen. „Mithilfe unserer Methode konnten wir jene Nervensignale präzise identifizieren, die zum Beispiel dem Strecken eines Fingers oder dem Beugen des Handgelenks zugrunde liegen“, berichtet Studienautor Oskar Aszmann.
Lesen Sie auch: Diagnose von Schmerzen an der Außenseite des Knies
Die Analyse der aufgezeichneten, hoch differenzierten Nervensignale zeigte zudem, dass komplexe Bewegungsabsichten auch nach einer Amputation im Nervensystem erhalten bleiben und sich mathematisch rekonstruieren lassen. Damit ist es möglich, diese Informationen künftig für die präzise Steuerung bionischer Prothesen zu nutzen. Langfristig soll aus diesen Erkenntnissen ein sogenannter Bioscreen entstehen - ein System, das die komplexen neuronalen Muster menschlicher Bewegungen sichtbar macht und so die Grundlage für neue Generationen von Prothesen bildet.
Biomimetische Stimulation für natürlichere Empfindungen
Ein Forschungsteam um Stanisa Raspopovic vom Neuroengineering Lab der ETH Zürich erregte Aufsehen, als sie berichteten, dass ihre Beinprothesen es Amputierten erstmals erlaubten, den Ersatzkörperteil zu spüren. Die Neuroprothesen konnten dem Gehirn Informationen übermitteln, etwa über die sich beim Gehen ständig ändernde Druckbelastung an der Fußsohle der Prothese. Dies führte dazu, dass die Probanden dem Ersatzkörperteil mehr vertrauten und etwa auch auf schwierigem Untergrund rascher gehen konnten.
Das Problem der unnatürlichen Stimulation
„Im Unterschied zu unserer experimentellen Beinprothese sind aktuelle Neuroprothesen allerdings noch nicht in der Lage, ein natürliches Gefühl zu erzeugen. Wahrscheinlich liegt das auch daran, dass aktuelle Neuroprothesen sich regelmäßig wiederholende elektrische Pulsationen verwenden, um das Nervensystem zu stimulieren. Das ist unnatürlich und ineffizient“, sagt Raspopovic.
FootSim: Ein Computermodell für biomimetische Signale
Um solche biomimetischen Signale erzeugen zu können, entwickelte Natalija Katic, eine Doktorandin aus Raspopovics Forschungsgruppe, ein Computermodell namens FootSim. Das Modell simuliert das dynamische Verhalten einer Vielzahl von Mechanorezeptoren in der Fusssohle und errechnet die Nervensignale, die sich vom Fuß blitzschnell beinaufwärts in Richtung Gehirn fortbewegen. Dies vom Moment an, da der Fuss mit der Ferse auf den Boden aufsetzt, dann das Gewicht des Körpers über die Fußaußenkante abrollt, bis die Zehen wieder für den nächsten Schritt hochgezogen werden.
Vergleich mit echten Nervensignalen
Wie gut diese vom Modell errechneten biomimetischen Signale mit echten Nervensignalen übereinstimmen, prüfte Giacomo Valle, ein Postdoc aus Raspopovics Forschungsgruppe mit Kolleginnen und Kollegen in Deutschland, Serbien und Russland in einem Experiment mit Katzen, deren Nervensystem Bewegungen ähnlich verarbeitet wie das der Menschen. Die Forschenden implantierten Elektroden, von denen sie einige an den Nerv im Bein und andere an das Rückenmark anschlossen, um abzulesen, wie die Signale im Nervensystem übertragen werden.
Lesen Sie auch: Nurvet Kautabletten Nerven: Die Inhaltsstoffe und ihre Wirkung.
Im Gegensatz dazu rief die herkömmliche starre Stimulation des Ischiasnervs im Oberschenkel der Katzen ein deutlich anderes Muster im Rückenmark hervor. „Die üblicherweise verwendeten Stimulationsmethoden führen offenbar dazu, dass die neuronalen Netze in der Wirbelsäule mit Informationen überflutet werden“, sagt Valle.
Klinische Studie mit Beinamputierten
Dass die biomimetische der starren Stimulation überlegen ist, wiesen die Forschenden schließlich in der klinischen Studie mit Beinamputierten nach. Die der Natur nachempfundenen Signale führten zu eindeutig besseren Resultaten: Die Probanden konnten dadurch rascher Treppen steigen. Zudem machten sie weniger Fehler, wenn sie beim Treppensteigen versuchten, Wörter rückwärts zu buchstabieren. „Dank der biomimetischen Neurostimulation können sich die Probanden beim Gehen auch auf andere Dinge konzentrieren.
Der ETH-Professor am Institut für Robotik und Intelligente Systeme meint, dass die neuen Erkenntnisse nicht nur für die Beinprothesen von Bedeutung sind, mit denen er und sein Team sich schon seit über fünf Jahren beschäftigen. Auch für eine Reihe von anderen Instrumenten und Apparaten - wie etwa Wirbelsäulenimplantaten oder Elektroden für die Hirnstimulation - sei es wichtig, von der bisher verwendeten unnatürlichen sich starr wiederholenden Stimulation abzukommen und dafür biomimetische Signale zu verwenden. „Wir müssen die Sprache des Nervensystems erlernen“, sagt Raspopovic.
Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine
Bionische Prothesen, die fest mit dem Körper verbunden sind, ahmen verlorene Gliedmaßen in ihrer Funktion nach. Bisher war es jedoch nicht möglich, die Prothese so zu spüren und zu bewegen, als würde sie zum eigenen Körper gehören. Forschenden ist es gelungen, eine neuartige Schnittstelle für die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine zu schaffen.
Durchbruch bei bionischen Prothesen
Bionische Prothesen lassen sich - im Gegensatz zu herkömmlichen Prothesen - nicht abnehmen, sondern sind fest mit dem Körper verbunden. Die hochentwickelten künstlichen Gliedmaßen sollen die Funktionen eines verlorenen Körperteils nachahmen. Aktuell verwendete Modelle schaffen es bereits, elektrische Signale zu verarbeiten, die von den verbleibenden Muskeln beim Anspannen erzeugt werden. Die Prothese setzt diese Signale dann in Bewegung um. Darüber hinaus gibt es einige Ansätze, um das Gefühl von Berührungen bei künstlichen Gliedmaßen wiederherzustellen. Allerdings ist es bis heute nicht möglich, ein wirklich natürliches und intuitives Empfinden zu vermitteln.
Neuartige biologische Schnittstelle
Ein Forschungsteam unter Leitung von Oskar Aszmann von der MedUni Wien hat untersucht, wie man die Kontrolle über die Prothese verbessern könnte und wie sich sogar das Gefühl der amputierten Gliedmaße wiederherstellen ließe. Dabei entwickelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine neuartige biologische Schnittstelle: In einem Experiment mit Ratten verbanden sie einen gemischten Nerv, der sowohl sensorische wie auch motorische Fasern enthält, mit einem Skelettmuskel. Auf den Muskel transplantierten sie zusätzlich ein Stück Haut.
Studienleiter Oskar Aszmann berichtet: „Der Nerv wuchs daraufhin in Muskel und Haut ein und bildete neue, funktionale Verbindungen mit den Muskelfasern sowie Rezeptoren, welche Bewegungen und Berührungen wahrnehmen - ein Vorgang, den wir Reinnervation nennen.“
Verlorene Gliedmaße kann wieder fühlen
Die Ergebnisse aus dem Tierversuch verdeutlichen: Ein Nerv, der durch eine Amputation durchtrennt wurde, kann zu Muskeln und Haut umgeleitet werden, mit denen er zuvor nicht verbunden war. Dadurch ist der Nerv in der Lage, wieder Informationen zu übermitteln. „Auf diese Weise haben wir eine neuromuskuläre Landschaft im Amputationsstumpf geschaffen, welche die verlorene Gliedmaße abbildet“, sagt Aszmann.
Er und sein Team konnten zeigen, dass sich durch einen chirurgischen Eingriff eine Verbindung herstellen lässt, dank der sowohl Bewegungsbefehle entschlüsselt als auch Berührungs- und Lageempfindungen zurück an den Körper gesendet werden können. Diese Entdeckung könnte dazu beitragen, natürliche Kommunikationswege zwischen Körper und Prothese in der medizinischen Praxis zu etablieren. Dazu müssen die Erkenntnisse aus dem Tiermodell jedoch erst an Patientinnen und Patienten mit bionischen Prothesen untersucht werden. Aszmann ist optimistisch: „Ich bin überzeugt, dass die Methode auch beim Menschen funktioniert.“
Virtuelle Realität zur Optimierung von Gehirn-Computer-Schnittstellen
Mittels virtueller Realität untersuchten die Forschenden verschiedene Fehler, die bei der Steuerung von Prothesen mit Gehirn-Computer-Schnittstellen auftreten. Invasive Gehirn-Computer-Schnittstellen zielen darauf ab, die Lebensqualität schwerstgelähmter Menschen zu verbessern. Bewegungsintentionen werden im Gehirn ausgelesen und diese Informationen genutzt, um robotische Gliedmaßen zu steuern.
Fehlerquellen bei der Steuerung
Ein Forschungsteam am Knappschaftskrankenhaus Bochum Langendreer, Klinikum der Ruhr-Universität Bochum, untersuchte, welche Fehler bei der Kommunikation zwischen Gehirn und robotischer Prothese auftreten können und welche davon besonders ins Gewicht fallen. Mithilfe eines Virtual-Reality-Modells fanden die Forscherinnen und Forscher heraus, dass eine fehlerhafte Ausrichtung der Prothese, des sogenannten End-Effektors, zu einem messbaren Leistungsverlust führt.
Virtuelle Realität als Testumgebung
Gehirn-Computer-Schnittstellen können schwerstgelähmten Patientinnen und Patienten Bewegungen einer Prothese ermöglichen. Bei der invasiven Methode übersetzt ein in das Gehirn implantiertes Messgerät die Signale der Nervenzellen in Steuersignale für den End-Effektor, beispielsweise eine robotische Armprothese. Der Dekodierfehler beschreibt dabei den Unterschied zwischen der wirklichen Bewegungsabsicht des Patienten und der aus den Gehirnsignalen vom Decoder entschlüsselten Bewegungsabsicht. Ein Ausrichtungsfehler tritt auf, wenn der End-Effektor der Gehirn-Computer-Schnittstelle relativ zum natürlichen Arm des Teilnehmers falsch positioniert ist. Der Rückkopplungsfehler des Gehirn-Computer-Schnittstellen-Systems entsteht durch fehlendes somatosensorisches Feedback, also die fehlende Rückmeldung des Roboterarms über die Berührung.
Haptisches Feedback und Ausrichtung
„Gesunde Studienteilnehmer ohne sensomotorische Störungen schlüpften in der virtuellen Realität in die Rolle von Patienten mit motorischen Funktionsstörungen“, sagt Robin Lienkämper, Erstautor der Studie. In der virtuellen Realität hatten die Probandinnen und Probanden die Aufgabe, mit einem Stift Formen zu zeichnen - ein Quadrat, einen Kreis, einen Stern, eine Spirale sowie eine asymmetrische Form. Der Controller wurde von den Probandinnen und Probanden im Versuch als Stift wahrgenommen.
Den gewünschten Rückkopplungs-Effekt erreichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dadurch, dass die Testperson, während sie in der virtuellen Welt zeichnete, an einem realen Tisch saß und der Controller Kontakt mit der Tischoberfläche hatte. Zur Kontrolle des Effekts gab es zwei Gruppen: Eine Gruppe erhielt indirektes haptisches Feedback, die andere nicht. Anhand der erfassten Daten zeigte das Forschungsteam, dass das Fehlen des indirekten haptischen Feedbacks allein einen geringen Einfluss hat, aber den Effekt des Ausrichtungsfehlers verstärkt.
Bedeutung der natürlichen Positionierung
Aus den Ergebnissen deuteten die Forschenden außerdem, dass eine natürlich positionierte Prothese die Leistung von Patientinnen und Patienten mit invasiver Gehirn-Computer-Schnittstelle signifikant verbessern könnte. Sie nehmen auch an, dass sich eine Verankerung des Roboterarms in das eigene Körperbewusstsein positiv auswirken und die motorische Leistung steigern würde. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unterstrichen in ihrer Studie abschließend die Bedeutung der Entwicklung von End-Effektoren, die eine bessere Verkörperung und eine natürlichere Positionierung ermöglichen. „Die Zukunft der Forschung liegt nun darin, die wissenschaftlichen Ergebnisse mithilfe der Ingenieurwissenschaften zum Patienten zu bringen“, so Robin Lienkämper.