Mit dem Willen Prothesen steuern

Der 33-jährige Patient aus Zwettl verlor bei einem Unfall seinen rechten Arm und ist auf eine bionische Prothese angewiesen. Also eine der hochmodernen, computergesteuerten künstlichen Gliedmaßen, die Nervensignale der Träger*innen nutzen, um Bewegungen intuitiv und in Echtzeit zu steuern. Doch trotz enormer Fortschritte in den vergangenen zwei Jahrzehnten bleibt die willentliche Bewegung dieser Prothesen eine Herausforderung.

Wissenschaftler*innen der MedUni Wien und des Imperial College London entwickelten nun eine neue Methode, um die nach einer Armamputation verbliebenen Nervensignale präzise zu erfassen und für die Kontrolle eines künstlichen Ersatzes nutzbar zu machen.

Univ.-Prof Dr. Oskar Aszmann, Leiter des Zentrums für bionische Extremitäten-Rekonstruktion an der Universitätsklinik für Plastische, Rekonstruktive und Ästhetische Chirurgie der MedUni Wien und stellvertretender Klinikleiter, entwickelte mit seinem Team ein neues chirurgisches Verfahren bei Armamputationen. „Im Stumpf sind immer noch Muskeln und Nerven vorhanden. Von Letzteren nutzen wir jene, die in die Hand gegangen sind, und leiten sie in noch vorhandene Muskeln um.“ So werden neue Schnittstellen geschaffen, über die neuronale Signale wieder abgerufen werden können. „Nach der Operation wachsen die Nerven in den Muskel ein und sprechen die Sprache der Hand.“ Nach einer Trainingsphase, vergleichbar mit dem Erlenen des Radfahrens, passt sich durch seine Plastizität auch das menschliche Gehirn an, bildet neue Verknüpfungen und spielt mit.

Doch die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine ist noch eine Herausforderung. „Die Dichte an Information im Muskel muss erst einmal ausgelesen werden“, weiß Aszmann. „Bislang waren Prothesen durch die immense Datenflut hoffnungslos überfordert.“ Schließlich wird der Arm eines Menschen von rund 350.000 Nervenfasern versorgt, die mit unglaublich hoher Frequenz Information bidirektional übertragen.

Nun fungieren High Density Elektroden als Übersetzer. Sie bilden die Elektromyografie-Schnittstelle (EMG) zwischen Patient*in und Prothese. „Damit können wir Nervenimpulse in eine Sprache übersetzen, die von der Maschine verlässlich und mit hoher Präzision verstanden werden kann‘“, so Aszmann. Vor sechs Wochen wurde dem niederösterreichischen Patienten in Wien der innovative Sensor unter der Haut im Muskel implantiert, als erstem Menschen weltweit. Er ermöglicht die präzisere Steuerung der Prothese mit neuen Signalen. Produziert wurde der Sensor vom US-Startup Blue Arbor Technologies, das künftig mit dem heimischen Prothesenspezialisten Ottobock kooperieren will.

Hinter dem medizinischen Erfolg steckt die dreijährige Forschungsarbeit von Aszmanns Team. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Fachjournal „Nature Biomedical Engineering“ publiziert. Im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat geförderten Projekts Natural BionicS wurden bei drei armamputierten Studienteilnehmer*innen neuartige Mikroelektroden in Muskeln implantiert, die zuvor durch die Targeted Muscle Reinnervation (TMR) wieder mit Nerven verbunden worden waren.

Durch die erstmalige Kombination von chirurgischer Reinnervation und implantierbarer Mikroelektroden gelang den Wissenschaftler*innen die Messung der Aktivität einzelner Motoneuronen. Also Nervenzellen im Rückenmark, die Bewegungsbefehle an Muskeln weiterleiten. Ihre Signalmuster wurden mit Regungsabsichten verknüpft. Dafür führten die Proband*innen gedanklich Bewegungen mit ihrem Phantomarm durch, erinnert sich der Studienleiter. „Damit konnten wir zum Beispiel die Nervensignale für das Strecken eines Fingers oder Beugen des Handgelenks identifizieren.“

Auch wenn es paradox klingt: Bewegungskontrolle ist, wie Klavierspieler*innen beweisen, großteils ein sensorisches Phänomen. Forschungsergebnisse aus den Wiener Labors zeigten, dass fast 90 Prozent der Nervenfasern Information zum Zentralnervensystem vermitteln und nur 10 Prozent motorische Funktion. So besteht die Haut einer einzelnen Fingerspitze aus rund fünftausenden Mechanorezeptoren. Letztere vermitteln über die Temperatur, Form und Beschaffenheit eines Objektes ein detailliertes Bild.

Die Analyse der aufgezeichneten, hoch differenzierten Nervensignale zeigt außerdem, dass komplexe Bewegungsabsichten auch nach der Amputation im Nervensystem erhalten bleiben und sich mathematisch rekonstruieren lassen. Die neuen Erkenntnisse sind die Basis für die Weiterentwicklung bionischer Prothesen mit fluider Steuerung. „Ein entscheidender Schritt, um ihre Kontrolle natürlicher und intuitiver zu gestalten“, resümiert Aszmann. „In fünf Jahren könnten sie marktreif sein.“

Das neue Wissen sei auch Basis für die Entwicklung drahtloser Implantate, „die Nervensignale direkt und in Echtzeit an bionische Hände oder andere Assistenzsysteme übertragen können“. Cyborgs hält Azsmann dennoch für „utopisch“, auch wenn er und seine Kolleg*innen bald Hände und Füße mit mechatronischen Hilfsmitteln ersetzen können.

„Wahrnehmung, Erinnerung und Bewegungskontrolle sind biologische Leistungen, die die gesamte Syntheseleistung unterschiedlicher Zellen in Anspruch nehmen und nicht nur simple Signalübertragung oder Datenverarbeitung darstellen. Der Mensch ist eben keine Maschine.“

Fotos: Titelbild und Expertenfoto von Oskar Aszmann (c) MedUni Wien