Ärzte implantierten Elektroden in die Wirbelsäule von drei gelähmten Patienten, dank derer sie jetzt stehen, gehen, schwimmen, Fahrrad oder Kanu fahren und vieles mehr können. Die Entwicklung ist ein Komplex aus flexiblen Elektroden, die drahtlos über ein Tablet gesteuert werden. Der Patient wählt die Art der Aktivität auf dem Tablet aus, woraufhin die entsprechenden Signale über die Elektroden an das Rückenmark gesendet werden und die Bewegung der Gliedmaßen aktivieren.
Die Technologie heißt Epidurale Elektrostimulation (EES). Die Elektroden werden im Zwischenraum zwischen Wirbelsäule und Rückenmark platziert, wonach die Nervenfasern gemäß dem gegebenen Befehl selektiv aktiviert werden. Dadurch ist es möglich, die natürlichen Signale des Nervensystems zu imitieren, die vom Gehirn in die Gliedmaßen gelangen. EES hat sich in Sachen Rehabilitation und Wiederherstellung motorischer Funktionen bei gelähmten Patienten sehr bewährt. Beispielsweise wurde 2017 in Scientific Reports eine Studie veröffentlicht, die zeigt, wie ein Patient seine Beine nach der Anwendung von EES zusammen mit einem speziellen Trainingsprogramm wieder bewegen konnte.
Die Forscher nahmen die bereits vorhandene Erfahrung mit EES als Grundlage und modernisierten sie. Zwei Programme wurden entwickelt – mit Hilfe des einen veränderten die Wissenschaftler die Position der Elektroden leicht, mit Hilfe des zweiten sorgten sie für eine schnelle Einstellung von Stimulationsbefehlen für bestimmte Aktivitäten, die die natürliche Aktivierung von Motoneuronen bei verschiedenen Aktivitäten reproduzierten .
Das obige Bild zeigt eine flexible Basis (Stange) mit 16 Elektroden, die von den Autoren während der Studie entwickelt wurde. Links die neue Leiste, rechts die Vorgängerversion, die 2017 zum Einsatz kam. Vor der Installation führen Ärzte CT und MRT durch, um die Position der Elektroden zu personalisieren. Auf ihrer Grundlage wurde ein dreidimensionaler anatomischer Atlas des Wirbelsäulenabschnitts erstellt, in dem die Elektroden installiert werden sollen - ein Abschnitt der Wirbelsäule von T10 bis L5.
Danach wurden die gewonnenen Daten durch 15 Rechenmodelle geführt. Sie zeigten, dass eine zusätzliche Personalisierung der Elektrodenplatzierung erforderlich ist, und fügten der Simulation weitere Daten über die Bewegung der Beine und die Prozesse hinzu, die als Reaktion auf ein Signal des Nervensystems an die Beine ablaufen. Insgesamt nahmen drei Personen an der Studie teil, für die jeweils ein personalisierter Atlas mit eigenem Modell erstellt wurde. Wie die Praxis gezeigt hat, zeigten personalisierte Modelle deutlich höhere Raten als allgemeine. Um Neuronen fernsteuern zu können, ergänzten die Autoren den implantierbaren Pulsgenerator Activa RC mit drahtlosen Kommunikationsmodulen. Activa RC wurde in die Bauchhöhle implantiert und mit Elektroden verbunden.
Während der Experimente wurden die Streckmuskeln mit einem gepulsten Strom mit einer Frequenz von 20 Hz versorgt, die Beuger mit 100 Hz. Zunächst befand sich der Patient in Rückenlage, um die Feineinstellung zu erleichtern. Die Forscher begannen dann damit, mit Kombinationen von Neuronen zu experimentieren, um die natürlichen Feuermuster von Neuronen während des Gehens nachzubilden. Bemerkenswerterweise konnten alle drei Teilnehmer am ersten Tag selbstständig auf dem Laufband laufen. Nach zusätzlicher Optimierung des Modells wurde der Gang bereits am dritten Tag sicherer. Alle Patienten bewegten sich mit Unterstützung von speziellen Hilfsmitteln wie Rollatoren.
Am Ende absolvierten drei Studienteilnehmer ein 5-monatiges Neurorehabilitationsprogramm, in dessen Verlauf EES es ihnen ermöglichte, vier- oder fünfmal pro Woche zu stehen, zu gehen und eine Vielzahl von Übungen durchzuführen. Die Autoren entwickelten für sie eine vereinfachte Softwareoberfläche, die es ermöglichte, zwischen aktivitätsabhängigen Stimulationsprogrammen zu wechseln und die wichtigsten Parameter dieser Programme fein abzustimmen. Zusatzgeräte wurden mit ergonomisch gestalteten Tasten ausgestattet, die EES-Programme nach Belieben starten.
Alle Teilnehmer erreichten nach wieder die volle Belastbarkeit, was zum selbstständigen Stehen (mit Gehhilfe) führte. Ein Teilnehmer erlangte sogar die Fähigkeit wieder, Treppen zu steigen und sich in schwierigem Gelände zurechtzufinden. Dank EES und Bewegung gewannen die Patienten Muskelmasse in ihren gelähmten Gliedmaßen zurück, was die Therapieergebnisse deutlich verbesserte.
Die Ergebnisse der Studie können in .epdf nachgelesen werden - Aktivitätsabhängige Neuromodulation des Rückenmarks stellt Rumpf- und Beinmotorik nach vollständiger Lähmung schnell wieder her.
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