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Freitag, 09.12.2016
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Gelähmte spüren und laufen wieder

Kombination aus Neurofeedback und Robotik reaktiviert Gehirn und Nervenverbindungen

Hoffnung für Querschnittsgelähmte: Acht langjährig Gelähmte haben wieder Gefühl in ihren Beinen und können mit Hilfe eines Exoskeletts sogar wieder laufen. Auch die Kontrolle über ihre Blase und ihren Darm erlangten sie teilweise zurück. Erreicht haben sie dies durch ein Training, das Neuro-Feedback, virtuelle Realität und Roboter-Gehhilfen kombiniert. Diese Methode könnte auch andern Gelähmten zumindest eine teilweise Heilung bringen, meinen die Forscher im Fachmagazin "Scientific Reports".
Ein Teil des Trainings besteht in Laufübungen in einem von den Hirnströmen des Patienten kontrollierten Exoskelett.

Ein Teil des Trainings besteht in Laufübungen in einem von den Hirnströmen des Patienten kontrollierten Exoskelett.

Bisher galt eine Lähmung nach durchtrenntem Rückenmark als unheilbar. Ist die Verbindung von Gehirn zu den Gliedmaßen einmal unterbrochen, bleibt dies auch so – so die gängige Lehrmeinung. Doch Fortschritte in Computertechnik und Robotik ändern diese Sicht zunehmend. So lernten vier Querschnittsgelähmte Anfang 2014, mittels elektrischer Stimulation ihre Beine wieder bewussst zu bewegen.

Ziel für acht Gelähmte: "Walk Again"


Wenig später sorgte der von der Brust abwärts gelähmte Julian Pinto für Aufsehen, als er frei stehend den Anstoß für die Fußball-WM in Brasilien gab. Ein von seinen Hirnströmen gesteuertes Exoskelett ermöglichte ihm die Kontrolle über seine Beine – und ließ ihn sogar den Boden spüren. 2015 dann kombinierten Forscher Elektrostimulation und Exoskelett, um einen Querschnittsgelähmten ebenfalls wieder laufen zu lassen.

Dass dies keine Einzelfälle sind, belegen nun die neuesten Ergebnisse aus dem Walk Again Project (WAP), das auch Julian Pinto zum Anstoß verhalf. In Rahmen dieser Studie trainieren acht querschnittsgelähmte Teilnehmer seit Anfang 2014 mit einer Kombination aus Neuro-Feedback und robotischen Hilfsmitteln. Alle konnten wegen schwerer Rückenmarksverletzungen seit drei bis 13 Jahren ihre Beine nicht mehr bewegen und hatten vom Bauch abwärts alle Empfindungen verloren.


VR-Brille und taktiles Feedback


Das Trainingsprogramm umfasste zunächst Neuro-Feedback-Übungen mit der Oculus-Rift, einer VR-Brille. Die Probanden sollten lernen, einen Avatar mit Hilfe ihrer Gedanken zum Laufen zu bringen. Eine Elektrodenkappe auf ihrem Kopf leitete dafür ihre Hirnströme an einen Computer. Dieser bewegte den Avatar immer dann, wenn die Hirnsignale der Probanden denen für das normale Laufen entsprachen.

Das Training beginnt mit einem mittels VR-Brille und Neuro-Feedback gesteuerten Avatar.

Das Training beginnt mit einem mittels VR-Brille und Neuro-Feedback gesteuerten Avatar.

Gleichzeitig erhielten die Probanden taktiles Feedback über Vibratoren in ihren Ärmeln. "Dieses Feedback verstärkt die Illusion, dass sie ihre Beine selbst bewegen und spüren", erklärt Studienleiter Miguel Nicolelis von der Duke University in Durham. "Wir glauben, dass dadurch eine Plastizität nicht nur auf der Ebene des Gehirns angestoßen wird, sondern auch im Rückenmark."

Und tatsächlich zeigten sich bald erste Erfolge: "Anfangs hatte das Gehirn bei diesen Patienten die Repräsentation ihrer unteren Gliedmaßen fast vollkommen ausgelöscht", berichtet Nicolelis. Doch nach Monaten des Trainings lernte das Gehirn wieder, die richtigen motorischen Steuerbefehle zu geben. "Im Prinzip fügte das Training die Repräsentation der Beine wieder in die Landkarte des Gehirns ein", so Nicolelis.

Hängende Laufübungen und ein Exoskelett


Als zweite Komponente des Trainings übten die gelähmten Probanden mit einer robotischen Gehhilfe auf einem Laufband. Dabei hingen sie in einem Tragegeschirr, das ihr Gewicht hielt und sie stabilisierte. Ihre Beine steckten in einem robotischen Exoskelett, das ähnlich wie zuvor der Avatar durch ihre Hirnströme gesteuert wurde.

Hatten die Probanden gelernt, dieses System zu steuern und damit zu laufen, begann der dritte Teil des Trainings: Übungen mit einem freistehenden Exoskelett, wie es auch Julian Pintos bei der Fußball-WM getragen hatte. Dieses stützt den Körper der Gelähmten und ist gleichzeitig motorisiert und kann per EEG-Steuerung gehen. Wie zuvor beim VR-Training bekamen die Probanden bei beiden Systemen haptisches Feedback durch die Sensorärmel.

Gefühl im Bein und bewusste Kontrolle


Das Ergebnis nach einem Jahr Training: Alle Querschnittsgelähmten erlangten die bewusste Kontrolle über ihre Beine zumindest teilweise wieder. Bei allen kehrten zudem die Empfindungen unterhalb der Rückenmarksverletzung zurück: Sie spürten wieder Schmerz, Berührung und konnten Blase und Darm besser kontrollieren. Bei vier der Probanden waren die Besserung so deutlich, dass sie von ihren Ärzten von "vollkommen gelähmt" auf "teilweise gelähmt" umgestuft wurden.

"Eine solche Wiederherstellung dieser Funktionen bei so langjährig Gelähmten hat man bisher noch nie gesehen", sagt Nicolelis. "Selbst wir hätten dieses Ergebnis zu Beginn des Projekts nicht vorhergesagt." Und dies seien erst die Zwischenergebnisse nach einem Jahr des Trainings. Seit diesem Stand ist fast ein weiteres Jahr vergangen und die Probanden zeigen weitere Fortschritte, wie die Forscher berichten.

So funktioniert das Training und das sind die Erfolge


Reaktivierung von Gehirn und Rückenmark


Warum aber funktioniert die Methode? Die Forscher vermuten, dass die gezielte Kombination von Neuro-Feedback und robotischen Hilfsmitteln das Gehirn dazu bringt, die gelähmten Gliedmaßen wieder in ihre neuronale Landkarte aufzunehmen. Zusätzlich werden auch verbliebene Restverbindungen im Rückenmark dadurch gestärkt und reaktiviert.

"Frühere Studien zeigen, dass bei einem großen Teil der Patienten mit vollständiger Querschnittslähmung noch einige Spinalnerven intakt sind", erklärt Nicolelis. Diese Nerven liegen jedoch brach, weil sie keine Signale mehr von Gehirn erhalten. Während des Gehtrainings ändert sich dies jedoch. "Wenn die Patienten dank der Hilfsmittel ihre Beine bewegen und aufrecht gehen, feuern die Propriorezeptoren in ihren Muskeln, Sehnen und Gelenken. Und diese Rezeptoren senden Signale zurück an das Rückenmark", so Nicolelis.

Diese Signale wiederum regen die verbliebenen Nervenverbindungen dazu an, wieder aktiv zu werden und sich zu verstärken. "Selbst wenn nur eine kleine Zahl von intakten Nervenfasern geblieben ist, kann dies genug sein, um Signale vom motorischen Areal des Gehirns in die Gliedmaßen zu übermitteln."

Hoffnung auf weitere Erfolge


Die Forscher wollen ihre Trainingsmethode künftig in Behandlungszentren für Gelähmte auch anderswo einsetzen. Gleichzeitig beginnen sie in Kürze eine Studie an weiteren Querschnittsgelähmten, deren Verletzung erst kurze Zeit zurückliegt – in der Hoffnung, bei ihnen noch schnellere Erfolge zu erzielen. Über die aktuellsten Fortschritte ihrer ersten acht Patienten wollen sie zudem demnächst in einer weiteren Veröffentlichung berichten.

Generell sehen die Wissenschaftler in der Kombination von Neurofeedback und Robotik die Chance, das Leben von Gelähmten substanziell zu verbessern. "Bisher ist es so, dass Menschen mit der Diagnose komplette Lähmung in der Rehabilitation vor allem lernen, mit dem Rollstuhl zu leben", sagt Nicolelis. "Wir glauben aber, dass unser langfristiges, auf Gehirn-Maschine-Schnittstellen basierendes Training eine echte Gesundung anstoßen kann." (Scientific Reports, 2016; doi: 10.1038/srep30383)

Im begleitenden Interview berichtet Gordon Cheng vom Walk Again Projekt mehr über die Arbeit mit Gelähmten und den Mensch-Maschine-Schnittstellen.
(Associação Alberto Santos Dumont para Apoio à Pesquisa / Duke University, 12.08.2016 - NPO)
 
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