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Lähmungspatienten gewinnen Gefühl, Muskelkontrolle durch Gehirnmaschine

Eine Studie veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichte enthüllt, dass acht Menschen mit Rückenmarksverletzungen, von denen viele seit mehreren Jahren gelähmt sind, nach dem Training mit einer Gehirn-gesteuerten Robotik eine teilweise Sensibilisierung und Muskelkontrolle in ihren unteren Extremitäten wiedererlangt haben.


Ein Computer-Monitor im Labor von Dr. Miguel Nicolelis zeigt die Gehirnaktivität eines Affen mithilfe einer Gehirn-Maschine-Schnittstelle.
Bildnachweis: Shawn Rocco / Duke Health

Die Forschung ist Teil des Projekts "Walk Again" in São Paulo, Brasilien, das mit Menschen zusammenarbeitet, die infolge eines Autounfalls, Stürzen und anderen Verletzungen, die ihre unteren Gliedmaßen gelähmt haben, eine Rückenmarksverletzung erlitten haben. Das Programm soll den Teilnehmern dabei helfen, Kraft, Mobilität und Unabhängigkeit zu erlangen.

Das Walk Again-Projekt ist eine Zusammenarbeit von mehr als 100 Wissenschaftlern aus 25 Ländern. Ihre gemeinsame Anstrengung ermöglichte es einem Mann mit einer Lähmung, einen Fußball während der Eröffnungszeremonie der Weltmeisterschaft 2014 in São Paulo mit einem gehirngesteuerten Roboter-Exoskelett zu treten.

Unter der Leitung des Neurowissenschaftlers der Duke-Universität, Dr. Miguel Nicolelis, Co-Direktor des Duke Center for Neuroengineering, folgt die Forschung früheren Studien von Dr. Nicolelis, in denen untersucht wird, wie Populationen von Gehirnzellen sensorische und motorische Informationen darstellen und wie sie Verhalten erzeugen, einschließlich Bewegungen der oberen und unteren Gliedmaßen.

Frühere Studien ebneten den Weg für den Einsatz von Gehirnmaschinen beim Menschen

In einer Studie zeichnete Dr. Nicolelis die Gehirnaktivität von Ratten auf, die darauf trainiert wurden, einen Roboterhebel zu ziehen, um einen Schluck Wasser zu erhalten, und zwar unter Verwendung von im Gehirn implantierten Mikroelektroden. Mithilfe einer Gehirn-Maschine-Schnittstelle konnten die Ratten lernen, den Hebel nur mit ihrer Gehirnaktivität zu steuern.

In einer anderen Studie lernten Rhesusaffen, wie sie die Gliedmaßen von Robotern und eine animierte Version von sich selbst auf einem digitalen Bildschirm kontrollieren und Rollstühle nur mit Hirnaktivität in Richtung einer Schale mit Trauben bewegen. Die Rhesusaffen lernten auch, auf einem Laufband mit Roboterbeinen zu laufen, die von ihrem Gehirn gesteuert werden.

Diese Experimente mit Ratten und Primaten bildeten ein Modell für die Arbeit bei menschlichen Patienten, bei dem die Gehirnaktivität bei Patienten aufgezeichnet wurde, wenn sie mit einer Hand einen Ball mit unterschiedlicher Kraft ergreifen.

"Es ist wichtig zu verstehen, wie das Gehirn für die Bewegung kodiert", sagt Dr. Nicolelis. "Wir haben Prinzipien entdeckt, wie das Gehirn arbeitet, die wir nicht entdeckt hätten, ohne in das Gehirn zu gelangen."

"Niemand hat erwartet, dass wir sehen würden, was wir gefunden haben, nämlich die teilweise neurologische Wiederherstellung sensomotorischer und viszeraler Funktionen", fügt er hinzu.

Ziel der neuen Forschung war es, den Weg für verbesserte Prothesen und gehirngesteuerte Geräte für Menschen mit körperlichen Behinderungen zu ebnen.

Erholung, die bei langjährigen Lähmungspatienten bisher nicht zu sehen war

Mit Hilfe von Gehirn-Maschine-Schnittstellen, einschließlich eines Virtual-Reality-Systems, simulierten die Patienten mit ihrer Gehirnaktivität die volle Kontrolle über ihre Beine. Zu Beginn der Rehabilitation waren fünf Teilnehmer seit mindestens fünf Jahren gelähmt, und zwei waren seit mehr als einem Jahrzehnt gelähmt.

"Wir zeigen in diesem Artikel, dass Patienten, die eine Gehirn-Maschine-Schnittstelle für längere Zeit verwendet haben, Verbesserungen des motorischen Verhaltens, der taktilen Empfindungen und der viszeralen Funktionen unterhalb der Rückenmarksverletzung erfahren haben", erklärt Dr. Nicolelis .

"Bislang hat niemand die Wiederherstellung dieser Funktionen bei einem Patienten so viele Jahre nach der Diagnose einer vollständigen Lähmung gesehen", fügt er hinzu.

Laut Dr. Nicolelis trugen die Teilnehmer einen Ärmel mit Touch-Technologie, haptisches Feedback genannt, um die Erfahrung zu bereichern und ihr Gehirn zu trainieren. Haptiken verwenden unterschiedliche Vibrationen, um ein taktiles Feedback zu geben, ähnlich wie die summenden Stöße oder Rückschläge, die Spieler durch einen Handheld-Controller empfinden.

"Das taktile Feedback wird synchronisiert, und das Gehirn des Patienten vermittelt das Gefühl, dass er von alleine geht, nicht mit Hilfe von Geräten", sagt Dr. Nicolelis. "Es ist eine Illusion, dass sie ihre Beine fühlen und bewegen. Unsere Theorie ist, dass wir dadurch Plastizität sowohl auf kortikaler Ebene als auch auf das Rückenmark induziert haben."

Die Diagnose verbesserte sich von vollständiger zu partieller Lähmung

Die acht Patienten verbrachten mindestens zwei Stunden pro Woche mit Gehirn-Maschine-Schnittstellen oder Geräten, die von ihren Gehirnsignalen gesteuert wurden. Nach monatelangem Training beobachteten die Wissenschaftler die Gehirntätigkeit, die sie erwarteten, wenn Patienten überlegten, ihre Beine zu bewegen.

"Im Grunde hat das Training die Darstellung der unteren Gliedmaßen wieder in das Gehirn der Patienten eingefügt", sagt Dr. Nicolelis.

Nach einem Jahr des Trainings änderten sich die Sensibilisierung und Muskelkontrolle von vier Patienten so stark, dass die Ärzte ihre Diagnosen von einer vollständigen zu einer partiellen Lähmung verbesserten.

Blasenkontrolle und Darmfunktion verbesserten sich ebenfalls bei den Patienten, wodurch sowohl die Abhängigkeit von Abführmitteln und Kathetern als auch das Risiko von Infektionen reduziert wurden, die bei Patienten mit chronischer Lähmung und einer der häufigsten Todesursachen auftreten.

"Eine frühere Studie hat gezeigt, dass bei einem großen Prozentsatz der Patienten, bei denen diagnostiziert wird, dass sie eine Paraplegie haben, noch einige Spinalnerven intakt sind", sagt Dr. Nicolelis.

"Diese Nerven können für viele Jahre zum Stillstand kommen, da vom Cortex kein Signal an die Muskeln abgegeben wird. Mit der Zeit könnte das Training mit der Gehirn-Maschine-Schnittstelle diese Nerven neu entfacht haben. Es kann eine kleine Anzahl von Fasern bleiben, die aber verbleiben kann ausreichen, um Signale aus dem motorischen Kortikalbereich des Gehirns an das Rückenmark zu übermitteln. "

Dr. Miguel Nicolelis

Die Wissenschaftler haben Videos über die Technologie und Patienten zur Verfügung gestellt, um ihren Fortschritt zu veranschaulichen.

Zukünftige Studien werden sich auf Patienten mit Rückenmarksverletzungen konzentrieren, um festzustellen, ob eine schnellere Behandlung zu schnelleren und besseren Ergebnissen führen kann.

Lesen Sie, wie ein Gehirnimplantat einem gelähmten Mann geholfen hat, seine Hand und Finger zu kontrollieren.

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