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14. März 2017

Prothese als eigen empfinden

Prothesen helfen, ein gelähmtes oder amputiertes Körperteil zu ersetzen. Forscher arbeiten heute an Techniken, um Prothesen durch das Gehirn steuern zu können wie ein natürliches Körperteil. Diesem Ziel sind Forscher der Uni Genf jetzt näher gerückt.

Hat ein Mensch einen dauerhaft gelähmten Arm oder eine Hand durch einen Unfall verloren, kann mit einer Prothese versucht werden, die verlorene Körperfunktion wiederherzustellen. Doch wie gelingt es dem Patienten, zum Beispiel eine künstliche Hand anzuheben, zur Faust zu ballen oder mit den Fingern einen Gegenstand zu greifen? Dafür braucht es ein Gerät – ein sogenanntes Gehirn-Maschinen-Interface –, das die Absicht des Patienten in eine Bewegung umsetzt. Dazu sind moderne Neuronal-Prothesen bereits heute in der Lage: Sie zeichnen die Gehirnaktivität mit einer Anordnung von Elektroden auf, die in die Hirnrinde (Cortex) eingepflanzt sind, und setzen die aus dem Gehirn empfangenen Signale in mehrdimensionale Bewegungen eines Roboterarms um. Damit der Patient die Prothese durch seine Gedanken korrekt steuern kann, ist ein Lernprozess nötig, wie der an der Universität Genf tätige Neurowissenschaftler Prof. Daniel Huber ausführt: „Um die Prothese erfolgreich steuern zu können, muss der Patient den funktionellen Zusammenhang zwischen der (von den Elektroden aufgezeichneten) Gehirnaktivität und den Bewegungen des Arms erlernen.“

Sensorisches statt visuelles Feedback

Damit dieser Lernprozess erfolgreich ist, braucht der Patient ein Feedback, das heisst, er muss wissen, zu welcher Bewegung der Prothese ein vom Gehirn produziertes Steuerungssignal genau führt. Das Naheliegenste ist, dass der Patient mit seinen Augen verfolgt, in welche Richtung sich die Prothese bewegt. „Bisher verfügbare Gehirn-Maschinen-Interfaces stützen sich auf visuelles Feedback“, sagt Daniel Huber, „das heisst, der Patient erlernt den oben geschilderten funktionellen Zusammenhang, indem er auf die Prothese schaut und beobachtet, zu welchen Bewegungen die (im Gehirn produzierten) Steuerbefehle führen.“ Noch besser wäre allerdings, wären Patienten erst gar nicht auf dieses visuelle Feedback angewiesen, sondern würden auch bei geschlossenen Augen spüren, wo sich die Handprothese gerade befindet und welche Bewegung sie ausführt. Alle gesunden Menschen verfügen über diese als 'Propriozeption' genannte Fähigkeit; bei Patienten mit gelähmten oder amputierten Körperteilen ist die Propriozeption allerdings verloren gegeangen.

Anwendung beim Menschen denkbar

Dem Forscherteam um Daniel Huber ist es in Versuchen mit Mäusen nun gelungen, ein sensorisches Signal von der Prothese zur Hirnrinde zu senden, wie die Forscher in der Fachzeitschrift 'Neuron' berichten. „Unsere Experimente zeigen, dass die Stimulierung des sensorischen Cortex die bei den Tieren fehlende Feedback-Empfindung künstlich erzeugen kann, und dies unmittelbar, nachdem das Gehhirn das Steuerungssignal an die Prothese gesandt hat“, sagt Mario Prsa, der Erstautor der Studie. „Damit sind die Tiere nicht mehr auf visuelles Feedback angewiesen. Mäuse haben in unseren Experimenten tatsächlich gelernt, die neuronale Aktivität, die die Bewegung kontrolliert, in Verbindung zu bringen mit der Stimulation, welche kontinuierliches Feedback der Bewegung mit sich bringt.“ Die Wissenschaftler hoffen nun, diese Resultate künftig für medizinische Anwendungen beim Menschen nutzen zu können. „Gelingt uns das, könnten gelähmte oder amputierte Patienten in die Lage versetzt werden zu erlernen, wie sie ihre Prothese zielgenau von Punkt A zu Punkt B bewegen können, ohne sich dabei auf ein visuelles Feedback verlassen zu müssen“, sagt Mario Prsa.

Ein Forscherteam zeigt an Mäusen, wie sich die Bewegung von Prothesen durch das Gehirn steuern lassen. http://bit.ly/2nod17t #iph
Maus_Prothese
Maus in der Genfer Versuchsanordnung.
 

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