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Lähmungspatienten erhalten wieder Empfindung, 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 brained-controlled robotics Teilgefühl und Muskelkontrolle in ihren unteren Gliedmaßen wiedergewonnen haben.
Ein Computermonitor im Labor von Dr. Miguel Nicolelis zeigt anhand einer Gehirn-Maschine-Schnittstelle die Gehirnaktivität eines Affen.
Bildnachweis: Shawn Rocco / Duke Health
Die Forschung ist Teil des "Walk Again Project" in São Paulo, Brasilien, und arbeitet mit Menschen, die Rückenmarksverletzungen infolge von Autounfällen, Stürzen und anderen Verletzungen erlitten haben, die ihre unteren Extremitäten gelähmt haben. Das Programm soll den Teilnehmern helfen, Kraft, Mobilität und Unabhängigkeit wiederzuerlangen.
Das Walk-Again-Projekt ist eine Zusammenarbeit von mehr als 100 Wissenschaftlern aus 25 Ländern. Ihre gemeinsame Anstrengung ermöglichte es einem Mann mit Lähmung, während der Eröffnungszeremonie der Fußballweltmeisterschaft 2014 in São Paulo einen Fußball mit einem hirngesteuerten Roboter-Außenskelett zu treten.
Unter Leitung des Duke-University-Neurowissenschaftlers Dr. Miguel Nicolelis, Co-Direktor des Duke Centre for Neuroengineering, geht die Forschung auf frühere Studien von Dr. Nicolelis zurück, in denen untersucht wird, wie Gehirnzellen Gehirnzellen sensorische und motorische Informationen darstellen und wie sie Bewegungen erzeugen der oberen und unteren Gliedmaßen.
Frühere Studien ebneten den Weg für den Einsatz von Gehirnmaschinen beim Menschen
In einer Studie zeichnete Dr. Nicolelis Gehirnaktivität von Ratten auf, die darauf trainiert waren, einen Roboterhebel zu ziehen, um einen Schluck Wasser unter Verwendung von hirnimplantierten Mikroelektroden zu erhalten. Mithilfe einer Gehirn-Maschine-Schnittstelle konnten die Ratten lernen, den Hebel nur mit ihrer Gehirnaktivität zu kontrollieren.
In einer anderen Studie lernten Rhesusaffen, Roboterroboter und eine animierte Version von sich selbst auf einem digitalen Bildschirm zu kontrollieren und Rollstühle zu einer Schale mit Trauben zu bewegen, die nur über Gehirnaktivität verfügten. Die Rhesusaffen lernten auch auf einem Laufband mit Roboterbeinen zu laufen, die von ihren Gehirnen gesteuert wurden.
Diese Experimente mit Ratten und Primaten etablierten ein Modell für die Arbeit bei menschlichen Patienten, wobei eine Gehirnaktivität bei Patienten aufgezeichnet wurde, wenn sie eine Hand verwendeten, um einen Ball mit unterschiedlicher Kraft zu greifen.
"Es ist wichtig zu verstehen, wie der Gehirn für Bewegung kodiert", sagt Dr. Nicolelis. "Wir haben Prinzipien entdeckt, wie das Gehirn funktioniert, die wir nicht entdeckt hätten, ohne ins Gehirn zu gelangen."
"Niemand hat erwartet, dass wir sehen würden, was wir gefunden haben, nämlich eine teilweise neurologische Erholung der sensomotorischen und viszeralen Funktionen", fügt er hinzu.
Ziel der neuen Forschung war es, den Weg für verbesserte Prothetik und hirngesteuerte Geräte für körperbehinderte Menschen zu ebnen.
Erholung, die bei Langzeit-Lähmungspatienten bisher nicht zu sehen war
Unter Verwendung von Gehirn-Maschine-Schnittstellen, einschließlich eines Virtual-Reality-Systems, verwendeten die Patienten ihre Gehirnaktivität, um die vollständige Kontrolle über ihre Beine zu simulieren. Zu Beginn der Rehabilitation waren fünf Teilnehmer seit mindestens 5 Jahren gelähmt und zwei waren seit mehr als einem Jahrzehnt gelähmt.
"Was wir in dieser Arbeit zeigen, ist, dass Patienten, die eine Gehirn-Maschine-Schnittstelle für eine lange Zeit verwendet haben, Verbesserungen im motorischen Verhalten, Tastempfindungen und viszeralen Funktionen unterhalb der Ebene der Rückenmarksverletzung erfahren", erklärt Dr. Nicolelis .
"Bis jetzt hat niemand diese Funktionen bei einem Patienten so viele Jahre nach der Diagnose einer vollständigen Lähmung erlebt", fügt er hinzu.
Laut Dr. Nicolelis trugen die Teilnehmer eine mit Touch-Technologie ausgestattete Hülle namens haptisches Feedback, um die Erfahrung zu bereichern und ihr Gehirn zu trainieren. Haptics verwenden verschiedene Vibrationen, um taktile Rückmeldung zu geben, ähnlich wie die summenden Stöße oder Kickbacks Spieler durch einen Handsteuerpult fühlen.
"Die taktile Rückmeldung ist synchronisiert, und das Gehirn des Patienten erzeugt das Gefühl, dass sie alleine laufen, nicht mit Hilfe von Geräten", sagt Dr. Nicolelis. "Es erzeugt eine Illusion, dass sie ihre Beine fühlen und bewegen. Unsere Theorie ist, dass wir dadurch Plastizität nicht nur auf der kortikalen Ebene, sondern auch im Rückenmark induziert haben."
Die Diagnose verbesserte sich von vollständiger zu partieller Lähmung
Die acht Patienten verbrachten mindestens 2 Stunden pro Woche mit Gehirn-Maschine-Schnittstellen oder Geräten, die von ihren Gehirnsignalen gesteuert wurden. Nach monatelangem Training beobachteten die Wissenschaftler die Hirnaktivität, die sie erwartet hatten, als die Patienten über das Bewegen ihrer Beine nachdachten.
"Im Grunde hat das Training die Darstellung der unteren Gliedmaßen in das Gehirn des Patienten wieder eingeführt", sagt Dr. Nicolelis.
Nach einem Jahr Training veränderten sich die Sensibilität und die Muskelkontrolle von vier Patienten signifikant genug, so dass die Ärzte ihre Diagnosen von vollständiger zu partieller Lähmung aufwerteten.
Auch die Blasenkontrolle und die Darmfunktion verbesserten sich bei den Patienten, was sowohl ihre Abhängigkeit von Abführmitteln und Kathetern als auch das Risiko von Infektionen verringerte, die bei Patienten mit chronischer Lähmung und einer führenden Todesursache häufig auftreten.
"Eine frühere Studie hat gezeigt, dass bei einem großen Prozentsatz von Patienten, bei denen eine vollständige Paraplegie diagnostiziert wurde, immer noch einige Spinalnerven intakt bleiben", sagt Dr. Nicolelis.
"Diese Nerven können viele Jahre lang verstummen, weil es kein Signal vom Kortex zu den Muskeln gibt. Mit der Zeit könnte das Training mit der Schnittstelle zwischen Gehirn und Maschine diese Nerven wieder angefacht haben. Es könnte eine kleine Anzahl von Fasern sein, die übrig bleiben kann genug sein, um Signale vom motorischen Kortexbereich des Gehirns zum Rückenmark zu übertragen. "
Dr. Miguel Nicolélis
Die Wissenschaftler haben Videos der Technologie und Patienten zur Verfügung gestellt, um ihre Fortschritte zu veranschaulichen.
Zukünftige Studien werden sich auf Patienten mit kürzlich aufgetretenen Rückenmarksverletzungen konzentrieren, um festzustellen, ob eine schnellere Behandlung zu schnelleren und besseren Ergebnissen führen kann.
Lesen Sie, wie ein Gehirnimplantat einem gelähmten Mann half, seine Hand und Finger zu kontrollieren.
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