Zeitung Heute : Der Natur auf die Finger geschaut

Moderne Prothesen werden mit der Kraft der Gedanken bewegt. Was heute und in Zukunft möglich ist Das Fernziel: eine direkte Verbindung zum Gehirn

US-Forscher Todd Kuiken verband als erster die nach einer Amputation ins Leere laufenden Nerven mit neuen Muskelpartien – die Geburtsstunde der gedankengesteuerten Prothese. Foto: The Rehabilitation Institute of Chicago
US-Forscher Todd Kuiken verband als erster die nach einer Amputation ins Leere laufenden Nerven mit neuen Muskelpartien – die...

Die Zeiten, in denen Kapitän Ahab im Roman „Moby Dick“ das fehlende Bein durch einen unbeweglichen Holzknüppel ersetzt bekam, sind zum Glück längst vorbei. Seit dem 19. Jahrhundert hat sich die Prothesentechnik so erheblich verbessert, dass ein Beinamputierter wie der 74-jährige Roland Zahn im Frühjahr und Sommer 2011 schon mal tausend Kilometer von Leipzig nach Tübingen wandern kann. Und bei den Paralympics nähern sich in den Laufwettbewerben die Zeiten der Teilnehmer auf Prothesen schon kräftig den Rekorden der herkömmlichen Olympischen Spiele.

Perfekt sind die künstlichen Gliedmaßen allerdings noch lange nicht – zumindest nicht so perfekt wie das von der Natur geschaffene Original. Noch bessere Prothesen sollten daher möglichst viele Funktionen des Körpers nutzen. Genau diesen Weg geht Todd Kuiken vom Rehabilitation Institute of Chicago (RIC). Ausgangspunkt seiner Methode sind die Nerven, die vor einer Amputation die Muskeln des später fehlenden Armes steuerten. Deren Signale laufen zwar ins Leere, die Nerven selbst aber funktionieren noch völlig normal. In einer aufwändigen Operation leiten Chirurgen diese Nerven zu den Brustmuskeln um, an denen sie nach wenigen Monaten anwachsen.

Will der Patient jetzt in Gedanken die Faust ballen, regen die umgeleiteten Nerven bestimmte Muskeln in seiner Brust an. Denkt er daran, mit den Fingern ein Glas zu umfassen, werden andere Muskeln aktiviert. Bei all diesen Muskelbewegungen entsteht ein elektrisches Feld. Auf der Haut aufgeklebte Elektroden können es messen und so die Muskelbewegungen registrieren. Ein leistungsstarker Computer interpretiert die gewonnenen Signale, leitet sie über Kabel in die Armprothese und steuert dort Motoren, mit denen die künstlichen Gelenke bewegt werden.

Der Rest ist Training, mit der Zeit lernt der Patient, seinen künstlichen Arm allein mit seinen Gedanken immer besser zu steuern. Der erste Mensch, der mit dieser Technik behandelt wurde, war Anfang des 21. Jahrhunderts ein Starkstromtechniker, dem nach einem Unfall mit 7200 Volt beide Arme amputiert werden mussten. Nach einiger Übung konnte er mit seinen über die Brustmuskeln gesteuerten künstlichen Armen wieder selbständig essen und war deutlich geschickter als mit herkömmlicher Technik.

Perfekt aber funktionieren diese Prothesen immer noch nicht, weil ein gesunder Arm viel feiner gesteuert werden kann, als es der Umweg über die Brustmuskeln und die Motoren in der Prothese erlaubt. Einen noch besseren Erfolg versprechen sich die Forscher am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin von einem sogenannten Interface, das eine direkte Verbindung zwischen dem Gehirn und der Prothese herstellen soll. Dieses Interface ist im Prinzip eine dünne Schicht Elektronik über einer haarfeinen Platte, die gerade mal 6,8 mal 7,5 Millimeter misst. Aus diesem „neuronalen Array“ ragen nach unten hundert feine und spitze Nadeln heraus, die in die obersten Schichten des Gehirns eindringen können, ohne dabei Schmerzen zu verursachen.

„Ein solches Interface lässt sich natürlich auch direkt verdrahten“, erklärt der Physiker Erik Jung vom IZM. Dann aber würden Drähte von den Nerven aus dem Inneren des Gehirns an die Oberfläche des Gewebes zu einer Art Stecker führen – was wiederum ein erhebliches Infektionsrisiko bedeutet. Daher entwickeln die Berliner Fraunhofer-Forscher gemeinsam mit Kollegen in verschiedenen Instituten in aller Welt eine verbesserte, drahtlose Schnittstelle.

Die hundert nadelfeinen Spitzen werden in einer Operation in eine bestimmte Region im Gehirn gedrückt, die Neurowissenschaftler als „motorischen Cortex“ kennen. Hier werden die Bewegungen der Gliedmaßen gesteuert. Sendet nun eine Nervenzelle im motorischen Cortex ein Signal in Form eines winzigen elektrischen Stromimpulses, können die Nadelspitzen, die Kontakt mit dieser Zelle haben, den Stromfluss aufnehmen.

Der Rest ist ausgeklügelte Mikroelektronik: Die Spitzen leiten das Signal an einen winzigen Chip weiter, der es verstärkt und störendes Rauschen herausfiltert. Ganz oben auf dem drei Millimeter hohen Bauteil sitzt eine Antenne, die das Signal nach außen sendet. Zur Energieversorgung wird außerhalb des Körpers mit einer Spule ein kleines elektrisches Feld angelegt. Die Spule nimmt auch die Signale des Mikrochips auf. Nicht viel anders liest zum Beispiel ein Scanner die Informationen auf dem Chip, der in elektronisch lesbaren Reisepässen steckt.

„Das Ganze ist aber für Patienten noch Zukunftsmusik“, betont IZM-Forscher Jung. Die Technik könne vermutlich erst in mehr als einem Jahrzehnt eingesetzt werden. Noch kämpfen die Wissenschaftler mit verschiedenen Problemen. So fallen immer wieder Signale von einzelnen Nadeln aus, kommen dann aber unter Umständen wieder. Möglicherweise ist die Nervenleitung für dieses Signal abgestorben; eine andere Nervenzelle ersetzt bald die ausgefallene Funktion. Das gleiche könnte bei den Arrays passieren – mit entsprechenden Folgen für das Funktionieren der Prothese.

Kann in vielen Jahren der erste Patient über einen Array seine Prothese steuern, wird er sich ebenfalls vorstellen, dass er gerade seine Hand zur Faust ballt. Das dabei entstehende Nervensignal wird zu einer Software weitergeleitet, die nach einigen Versuchen lernt, welches Signal dabei jedes Mal durch die Nervenbahnen saust. Kommt nun im Alltag das Signal „Faust ballen“, gibt die Software den Befehl in einer „Sprache“ weiter, die der Elektronik in der Prothese geläufig ist. Langsam lernt der Mensch dann, die Prothese fast wie eine verlorene Hand zu benutzen.

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