Dieses Gehirn

Im Jahr 2011 verlor Gert-Jan Oskam seine Gehfähigkeit. Zwölf Jahre später haben ihm Neurowissenschaftler der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in der Schweiz geholfen, wieder auf die Beine zu kommen.

Oskam, der durch einen Fahrradunfall eine traumatische Halswirbelsäulenverletzung erlitten hatte, erlangte mit Hilfe von Wissenschaftlern des NeuroRestore-Forschungszentrums der EPFL unter der Leitung von Grégoire Courtine, einem Professor für Life-Science-Ingenieurwissenschaften, die Kontrolle über seine Beine zurück. Courtine und seine Mitarbeiter, die Neurotechnologien für körperliche Unterstützung und Rehabilitation erforschen und entwickeln, implantierten Oskam ein Gerät, das die verlorenen Funktionen seiner beschädigten Wirbelsäule teilweise ersetzt.

In einem aktuellen Artikel, der am 24. Mai in Nature Neuroscience veröffentlicht wurde, stellen Courtine und seine Gruppe die Einzelheiten von Oskams Genesung vor. Verletzungen wie die, die Oskam erlitt, sind das Ergebnis einer Schädigung des Gewebes in der Wirbelsäule einer Person, wodurch die neuronale Kommunikation vom Gehirn zum Rest des Körpers unterbrochen wird. Ohne diese Verbindung zwischen dem Nerven- und Muskelsystem wäre ein Mensch nicht in der Lage, sich so zu bewegen, wie er es möchte. Im Fall von Oskam trennte die Verletzung seiner Halswirbelsäule effektiv sein Gehirn von seinen Beinen, was ihn am Gehen hinderte.

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Courtines Forschung präsentiert eine Lösung für dieses Problem in Form einer Gehirn-Wirbelsäule-Schnittstelle (BSI). Das BSI arbeitet in zwei Schritten. Zunächst misst eine Gehirn-Computer-Schnittstelle die neuronale Aktivität von Elektroden, die auf der Oberfläche von Oskams Gehirn angebracht sind. Die mit der Beinkontrolle verbundene Gehirnaktivität, die von einem auf ihre Erkennung trainierten maschinellen Lernmodell entschlüsselt wird, wird dann zur Steuerung eines separaten Satzes Elektroden verwendet, die in Oskams Wirbelsäule implantiert werden. Dieser Wirbelsäulenstimulator aktiviert Gruppen von Neuronen, die natürliche Gehbewegungen ermöglichen. Mit anderen Worten: Das BSI überbrückt die Kommunikationslücke in Oskams Nervensystem, die durch seine Verletzung entstanden ist, und gibt ihm seine Gehfähigkeit zurück. Mit dem neuen System kann er nun über 200 Meter am Tag laufen und 3 Minuten stehen, ohne auf eine Gehhilfe angewiesen zu sein.

Das EPFL-Team implantierte Geräte über der Region des Gehirns, die für die Steuerung der Beinbewegungen verantwortlich ist. Diese Geräte dekodieren die elektrischen Signale, die das Gehirn erzeugt, wenn der Patient ans Gehen denkt.EPFL

Oskam war Teilnehmer an früheren Forschungsarbeiten dieser Gruppe zur Entwicklung der Wirbelsäulenstimulationstechnologie, die im aktuellen BSI verwendet wird. Frühere Geräte waren in der Lage, natürliche Gehbewegungen in Oskams Beinen nachzubilden und die Kontraktion der vielen Muskelgruppen in seinen Hüften, Oberschenkeln, Waden und Füßen zu koordinieren. Während sich diese Bewegung für Oskam einigermaßen natürlich anfühlte, war dies beim Steuerungssystem des Originalgeräts nicht der Fall: Um Schrittbewegungen einzuleiten, achtete das System auf kleine Kontraktionen, die Oskam noch in der rechten Hüfte ausführen konnte, und bewegte dann seine Beine entsprechend.

Jimmy Ravier/EPFL

Die Hinzufügung der Gehirn-Computer-Schnittstelle zur Vervollständigung des BSI-Systems macht die Gehsteuerung deutlich intuitiver. Auf einer Pressekonferenz kommentierte Oskam die Verbesserung mit den Worten, dass im alten System „die Stimulation mich kontrollierte. Jetzt kontrolliere ich die Stimulation.“

Ein weiterer Vorteil des BSI ist eine gewisse Reparatur des beschädigten Gewebes in Oskams Wirbelsäule. Nachdem Oskam und die Forscher über einen Zeitraum von Wochen und Monaten gelernt hatten, das Stimulationssystem zu nutzen, stellten sie fest, dass er wieder in der Lage war, seine Beine ohne die Hilfe des Geräts zu bewegen. Sie erlebten diese Erholung zum ersten Mal, als Oskam lernte, ihr ursprüngliches hüftgesteuertes Stimulatorsystem zu verwenden, erlebten jedoch eine wesentlich stärkere Heilung der Wirbelsäule durch die Hinzufügung der gehirngesteuerten Steuerung.

Nach Angaben des Forschungsteams wird diese Wiederherstellung dadurch vorangetrieben, dass das Gerät das koordinierte Verhalten von Neuronen wiederherstellt, die sowohl in den beschädigten Abschnitt der Wirbelsäule hineinsenden als auch diesen auslesen. Wenn proximal gelegene Neuronen zuverlässig zu ähnlichen Zeiten aktiviert werden, neigt unser Nervensystem dazu, sie zu verbinden. In Oskams Fall stimulierte das BSI-System Neuronen in der Wirbelsäule unterhalb der Verletzung, aber Neuronen über dem beschädigten Gewebe feuerten immer noch, weil sie immer noch mit den Teilen seines Gehirns verbunden sind, die die Beinbewegung auslösen und steuern. „Den genauen Mechanismus kennen wir nicht, aber die Grundidee ist, dass der sensomotorische Kreislauf geschlossen ist“, sagt Courtine. „Er versucht, eine Region mit seinen natürlichen Pfaden zu aktivieren, die gleichzeitig auch stimuliert werden. Diese Zusammenarbeit zwischen den natürlichen und digitalen Pfaden wird wahrscheinlich zu einem erneuten Wachstum der Projektionen führen.“