Was man mit Nerven mittlerweile machen kann ...
Künstlicher Arm mit Gefühl
Von Emily Singer
Wissenschaftler am Institut für Rehabilitationsmedizin in Chicago (RIC) haben ein Verfahren entwickelt, mit dem bei Amputationen verbliebene Nerven direkt mit Prothesen verbunden werden können. Die Patienten sollen die künstlichen Gliedmaßen so deutlich feiner kontrollieren können.
Den Forschern gelang es bei einer Frau, die bei einem Motorradunfall ihren Arm verloren hatte, Nerven chirurgisch von der Schulter zum oberen Brustmuskel zu transplantieren. Die so "umgeleiteten" Nerven wuchsen dann in den Muskel hinein und verstärkten die vom Gehirn kommenden Befehle, die eigentlich für die nicht mehr vorhandenen Gliedmaßen bestimmt waren. Diese Signale ließen sich dann von einer mit Sensoren ausgestatteten Prothese auslesen und in Bewegungen umgesetzt.
Leigh Hochberg, Neurologe am Massachusetts General Hospital in Boston, stimmen die Ergebnisse der Studie, für die er selbst einen Kommentar lieferte, hoffnungsfroh: "Es ist sehr spannend, dass es selbst nach einer Amputation möglich zu sein scheint, die Bewegungsbefehle des Gehirns an die nicht mehr vorhandenen Gliedmaßen auszulesen."
Die meisten Arm-Prothesen werden über die verbliebenen Muskeln kontrolliert, die sich in der Nähe der amputierten Gliedmaßen befinden. Diese Geräte sind allerdings nicht besonders einfach zu bedienen und vor allem eher langsam: Der Nutzer muss seine Muskeln bewusst kontrahieren, um eine Bewegung auszuführen - und diese erfolgt jeweils nur in einzelnen Schritten. Das RIC-Team, das vom Prothesen-Spezialisten Todd Kuiken geleitet wurde, suchte daher nach einer intuitiveren Methode zur Kontrolle künstlicher Gliedmaßen. Die Lösung lag in der Ausnutzung der verbliebenen Nerven.
Transplantiert wurden dazu sowohl Bewegungs- als auch Sinnes-Nerven, die normalerweise von der Schulter zu den Muskeln in Arm und Hand verlaufen. In den ersten Monaten nach der Operation wuchsen die transplantierten Nerven interessanterweise in das Brustmuskelgewebe hinein. Versuchte die Patientin dann, ihre nicht mehr vorhandene Hand oder ihren nicht mehr vorhandenen Ellbogen zu bewegen, ergaben sich Zuckungen im Schultermuskel. Deren genaue Muster zeichneten die Forscher anschließend auf - je nachdem, welche Bewegung die Patientin "im Kopf“ ausführte, etwa das Greifen mit der Hand oder die Bewegung des Ellbogens. Der Prothesen-Spezialist Liberating Technologies stellte anschließend einen eigens darauf abgestimmten künstlichen Arm her, der auf die verschiedenen Muskelzuckungen programmiert war, die die transplantierten Nerven anregten.
Die Patientin brauchte nur wenige Tage, bis sie die neue Prothese beherrschte. Sie war dadurch bis zu vier Mal schneller in Bewegungstests als mit einem herkömmlichen Gerät. Der künstliche Arm ließ sich außerdem wesentlich leichter und natürlicher bedienen - auch, weil Hand, Handgelenk und Ellbogen gleichzeitig verwendet werden konnte. Robert Kirsch, Prothesen-Experte am Louis Stokes Veterans Affairs Medical Center, hält den Ansatz für sehr innovativ: "Dies verbessert die Kontrolle, die die Leute über ihre Prothese haben, enorm."
Das wohl spannendste Ergebnis war allerdings die verbesserte Sinnenswahrnehmung, die die Patientin in ihrem Brustbereich entwickelte. Wenn die Region berührt wurde, fühlte sich das an, als wäre ihre fehlende Hand berührt worden. Später spürte sie sogar eine sanfte Berührung ihres nicht mehr vorhandenen Mittelfingers, wenn ein bestimmter Bereich ihrer Brust belastet wurde. Die Patientin war die insgesamt Dritte innerhalb der Studie, bei der eine solche Nerventransplantation durchgeführt wurde, gleichzeitig aber auch die Erste, bei der nicht nur Bewegungsnerven transplantiert wurden.
Die neu gewonnene Sensorik könnte sich in Prothesen der nächsten Generation verwenden lassen. Haptik-Elemente ließen sich in den künstlichen Fingern eines Roboterarms platzieren und dann über Kontakte zur Brust führen, um das entsprechende Berührungsgefühl auszulösen. So wäre erstmals ein Feedback möglich, das beispielsweise notwendig ist, um einen Kaffeebecher zu greifen, ohne ihn zu zerdrücken. "Statt Kommandos wie ein Roboter zu geben, würde die Prothese ein Teil des Körpers werden", meint Krisch.
Andere Forscherteams arbeiten an ähnlichen Implantaten, die womöglich eine noch feinere Kontrolle ermöglichen könnten. Kirsch selbst werkelt an einem Gerät, das direkt an einem Muskel angebracht wird, um dessen Aktivität zu messen und sie dann drahtlos an eine Prothese zu übertragen. So soll ein stabileres Eingabesignal für einen Roboterarm entstehen.
Kirschs Kollege Richard Normann von der University of Utah arbeitet hingegen an einem Gerät, das man direkt an Nervenstränge anbringen kann. Es kann die Signale einzelner Axone in den Nervenfasern aufnehmen und daraus ein fein abgestimmtes Muster an Kontrollsignalen generieren. Normann, der selbst ein Pionier auf dem Gebiet der Mensch-Maschine-Schnittstelle ist, will sein System nun Kuiken vom RIC zur Verfügung stellen, um es bei dessen Patienten zu testen. Das kann allerdings noch gut und gerne zwei Jahre dauern. "Es ist nicht unwahrscheinlich, dass ein Mensch mit fehlenden Gliedmaßen eines Tages eine Prothese haben wird, die sich genauso anfühlt und verwenden lässt, wie ein natürlicher Arm", glaubt Normann. Die Technologie sei zwar noch nicht ganz in der Realität angekommen, aber auch "längst keine Fantasie mehr".
Quelle: www.heise.de
Von Emily Singer
Wissenschaftler am Institut für Rehabilitationsmedizin in Chicago (RIC) haben ein Verfahren entwickelt, mit dem bei Amputationen verbliebene Nerven direkt mit Prothesen verbunden werden können. Die Patienten sollen die künstlichen Gliedmaßen so deutlich feiner kontrollieren können.
Den Forschern gelang es bei einer Frau, die bei einem Motorradunfall ihren Arm verloren hatte, Nerven chirurgisch von der Schulter zum oberen Brustmuskel zu transplantieren. Die so "umgeleiteten" Nerven wuchsen dann in den Muskel hinein und verstärkten die vom Gehirn kommenden Befehle, die eigentlich für die nicht mehr vorhandenen Gliedmaßen bestimmt waren. Diese Signale ließen sich dann von einer mit Sensoren ausgestatteten Prothese auslesen und in Bewegungen umgesetzt.
Leigh Hochberg, Neurologe am Massachusetts General Hospital in Boston, stimmen die Ergebnisse der Studie, für die er selbst einen Kommentar lieferte, hoffnungsfroh: "Es ist sehr spannend, dass es selbst nach einer Amputation möglich zu sein scheint, die Bewegungsbefehle des Gehirns an die nicht mehr vorhandenen Gliedmaßen auszulesen."
Die meisten Arm-Prothesen werden über die verbliebenen Muskeln kontrolliert, die sich in der Nähe der amputierten Gliedmaßen befinden. Diese Geräte sind allerdings nicht besonders einfach zu bedienen und vor allem eher langsam: Der Nutzer muss seine Muskeln bewusst kontrahieren, um eine Bewegung auszuführen - und diese erfolgt jeweils nur in einzelnen Schritten. Das RIC-Team, das vom Prothesen-Spezialisten Todd Kuiken geleitet wurde, suchte daher nach einer intuitiveren Methode zur Kontrolle künstlicher Gliedmaßen. Die Lösung lag in der Ausnutzung der verbliebenen Nerven.
Transplantiert wurden dazu sowohl Bewegungs- als auch Sinnes-Nerven, die normalerweise von der Schulter zu den Muskeln in Arm und Hand verlaufen. In den ersten Monaten nach der Operation wuchsen die transplantierten Nerven interessanterweise in das Brustmuskelgewebe hinein. Versuchte die Patientin dann, ihre nicht mehr vorhandene Hand oder ihren nicht mehr vorhandenen Ellbogen zu bewegen, ergaben sich Zuckungen im Schultermuskel. Deren genaue Muster zeichneten die Forscher anschließend auf - je nachdem, welche Bewegung die Patientin "im Kopf“ ausführte, etwa das Greifen mit der Hand oder die Bewegung des Ellbogens. Der Prothesen-Spezialist Liberating Technologies stellte anschließend einen eigens darauf abgestimmten künstlichen Arm her, der auf die verschiedenen Muskelzuckungen programmiert war, die die transplantierten Nerven anregten.
Die Patientin brauchte nur wenige Tage, bis sie die neue Prothese beherrschte. Sie war dadurch bis zu vier Mal schneller in Bewegungstests als mit einem herkömmlichen Gerät. Der künstliche Arm ließ sich außerdem wesentlich leichter und natürlicher bedienen - auch, weil Hand, Handgelenk und Ellbogen gleichzeitig verwendet werden konnte. Robert Kirsch, Prothesen-Experte am Louis Stokes Veterans Affairs Medical Center, hält den Ansatz für sehr innovativ: "Dies verbessert die Kontrolle, die die Leute über ihre Prothese haben, enorm."
Das wohl spannendste Ergebnis war allerdings die verbesserte Sinnenswahrnehmung, die die Patientin in ihrem Brustbereich entwickelte. Wenn die Region berührt wurde, fühlte sich das an, als wäre ihre fehlende Hand berührt worden. Später spürte sie sogar eine sanfte Berührung ihres nicht mehr vorhandenen Mittelfingers, wenn ein bestimmter Bereich ihrer Brust belastet wurde. Die Patientin war die insgesamt Dritte innerhalb der Studie, bei der eine solche Nerventransplantation durchgeführt wurde, gleichzeitig aber auch die Erste, bei der nicht nur Bewegungsnerven transplantiert wurden.
Die neu gewonnene Sensorik könnte sich in Prothesen der nächsten Generation verwenden lassen. Haptik-Elemente ließen sich in den künstlichen Fingern eines Roboterarms platzieren und dann über Kontakte zur Brust führen, um das entsprechende Berührungsgefühl auszulösen. So wäre erstmals ein Feedback möglich, das beispielsweise notwendig ist, um einen Kaffeebecher zu greifen, ohne ihn zu zerdrücken. "Statt Kommandos wie ein Roboter zu geben, würde die Prothese ein Teil des Körpers werden", meint Krisch.
Andere Forscherteams arbeiten an ähnlichen Implantaten, die womöglich eine noch feinere Kontrolle ermöglichen könnten. Kirsch selbst werkelt an einem Gerät, das direkt an einem Muskel angebracht wird, um dessen Aktivität zu messen und sie dann drahtlos an eine Prothese zu übertragen. So soll ein stabileres Eingabesignal für einen Roboterarm entstehen.
Kirschs Kollege Richard Normann von der University of Utah arbeitet hingegen an einem Gerät, das man direkt an Nervenstränge anbringen kann. Es kann die Signale einzelner Axone in den Nervenfasern aufnehmen und daraus ein fein abgestimmtes Muster an Kontrollsignalen generieren. Normann, der selbst ein Pionier auf dem Gebiet der Mensch-Maschine-Schnittstelle ist, will sein System nun Kuiken vom RIC zur Verfügung stellen, um es bei dessen Patienten zu testen. Das kann allerdings noch gut und gerne zwei Jahre dauern. "Es ist nicht unwahrscheinlich, dass ein Mensch mit fehlenden Gliedmaßen eines Tages eine Prothese haben wird, die sich genauso anfühlt und verwenden lässt, wie ein natürlicher Arm", glaubt Normann. Die Technologie sei zwar noch nicht ganz in der Realität angekommen, aber auch "längst keine Fantasie mehr".
Quelle: www.heise.de
Scampi - 20. Mär, 09:17
