Querschnittslähmung: Implantat liefert erstmals Feedback ans Gehirn
Ein neuartiges Implantat koppelt Exoskelett und Gehirn bei Querschnittslähmung – und ermöglicht erstmals echtes sensorisches Feedback in Echtzeit.
Chip direkt am Gehirn: Lokale Signalverarbeitung ermöglicht die gedankengesteuerte Bewegung von Exoskeletten und liefert sensorisches Feedback in Echtzeit.
Foto: Smarterpix / Aleksandrasova
Die Wiederherstellung der Mobilität bei Querschnittslähmung gehört zu den schwierigsten Aufgaben der Medizintechnik. Viele Systeme schaffen es inzwischen, Bewegungsabsichten aus dem Gehirn auszulesen und in Aktionen umzusetzen. Was bislang jedoch fast immer fehlt, ist das passende Feedback des Körpers. Genau an dieser Stelle setzt ein Forschungsteam der Keck School of Medicine (USC), der University of California, Irvine (UCI) und des California Institute of Technology (Caltech) an.
Die Forschenden haben eine Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) entwickelt, die Bewegung und Wahrnehmung erstmals direkt miteinander koppelt. Das System übersetzt nicht nur Signale aus dem Gehirn, sondern meldet auch in Echtzeit zurück, was das Exoskelett gerade tut.
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Den sensomotorischen Kreislauf schließen
Klassische BCIs arbeiten meist als Einbahnstraße: Sie registrieren die elektrische Aktivität im Gehirn und steuern damit etwa einen Roboterarm oder einen Rollstuhl. Für komplexe Abläufe wie das Gehen reicht das kaum aus. Gesunde Menschen verlassen sich nicht nur auf ihre Muskelkraft. Sie spüren den Untergrund, die Belastung der Gelenke und die Position ihrer Beine im Raum. Dieses Zusammenspiel aus Bewegung und Wahrnehmung – der sensomotorische Kreislauf – ist bei bisherigen Systemen unterbrochen.
Das neue BCI schließt diese Lücke. Elektroden auf dem motorischen Kortex erfassen den Wunsch, einen Schritt zu machen. Ein integrierter Mikrocomputer verarbeitet die Signale direkt im Implantat. Dieser Verzicht auf externe Rechenleistung reduziert nicht nur die Latenzzeit zwischen Gedanke und Schritt, sondern ist die Grundvoraussetzung für ein autarkes System außerhalb des Labors.
Parallel dazu erfassen Sensoren am Exoskelett jede Bewegung. Diese Informationen fließen zurück ins Gehirn: Elektroden am sensorischen Kortex erzeugen dort ein künstliches Gefühl, das exakt zu den ausgeführten Schritten passt. Dr. med. Charles Liu beschreibt den Ansatz so: „Das wirklich Neue daran ist, dass Sensoren am Skelett ebenfalls eine Stimulation des Gehirns auslösen, sodass die Person jeden Schritt spüren kann.“
Präzision durch lokale Signalverarbeitung
In ersten klinischen Tests zeigte das System eine bemerkenswerte Genauigkeit. Da die Implantation einen Eingriff am Gehirn erfordert, arbeitete das Team mit einer Epilepsie-Patientin zusammen, bei der die Elektroden bereits aus diagnostischen Gründen platziert waren. Der Versuchsaufbau war ungewöhnlich: Während die Patientin im Bett saß, trug ein Forscher das Exoskelett und führte die Schritte physisch aus.
Die Ergebnisse der Studie, die im Fachmagazin Brain Stimulation veröffentlicht wurden, sprechen für sich:
- Bewegungssteuerung: In rund 92 % der Fälle erkannte das System korrekt, wann die Patientin einen Schritt auslösen wollte.
- Sensorik: Allein über die künstlichen Rückmeldesignale konnte die Patientin die Schritte des Forschers mit etwa 93 % Genauigkeit mitzählen – ganz ohne Sichtkontakt.
Richard A. Andersen vom Caltech ordnet den Fortschritt ein: „Querschnittsgelähmte, die Exoskelette verwenden, sind derzeit auf visuelles Feedback angewiesen, aber diese Forschung eröffnet einen neuen Weg für eine natürlichere und effektivere Nutzung.“
Die Vision eines Cyber-Physical Systems
Mit einer Förderung von 8 Millionen Dollar aus dem Cyber-Physical Systems-Programm der National Science Foundation wird deutlich, dass es hier um mehr als reine Medizintechnik geht: Es ist die nahtlose Integration von Robotik in die menschliche Biologie. Ein zentrales Problem bisheriger BCIs bleibt allerdings die Hardware. Viele Systeme sind noch auf Kabelverbindungen angewiesen, was das Infektionsrisiko erhöht.
Das Team verfolgt deshalb das Ziel, alle Komponenten vollständig zu implantieren. Die Signalverarbeitung findet bereits im System selbst statt. Der nächste Schritt besteht darin, die Elektronik und die Energieversorgung so zu verkleinern, dass sie dauerhaft unter der Haut verbleiben können.
Klinische Studien und kritischer Ausblick
Die US-Arzneimittelbehörde FDA hat dem Team bereits eine Ausnahmegenehmigung erteilt. Damit können nun klinische Studien mit Menschen beginnen, die tatsächlich von einer Querschnittslähmung betroffen sind. Geplant ist, die Elektroden zunächst für 30 Tage zu implantieren, um das Zusammenspiel im Alltag zu prüfen. Zoran Nenadić von der UCI betont die langfristige Vision:
„Unser oberstes Ziel ist es, die Funktion eines solchen Systems an Menschen mit vollständiger Beinlähmung zu testen und damit sein Potenzial zu demonstrieren, die Funktion eines intakten sensomotorischen Regelkreises nachzuahmen.“
Trotz der Erfolge bleibt eine gesunde Skepsis angebracht. Bisher basieren die Daten auf einer einzelnen Testperson. Herausforderungen wie die langfristige Signalstabilität der Elektroden und die Wärmeentwicklung der Implantate im Gewebe müssen erst noch gelöst werden. Dennoch adressiert dieser Ansatz genau den Punkt, an dem Prothesen bisher scheiterten: Er gibt dem Gehirn nicht nur die Kontrolle zurück, sondern auch das Gefühl.
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