Unfälle, Schlaganfälle oder auch Krankheiten hinterlassen jedes Jahr bei Millionen Menschen Lähmungen. Oft kommt die Beweglichkeit der Gliedmaßen nach einer Zeit wieder zurück, je nach Art der Schädigung der Nerven bleibt die Lähmung jedoch dauerhaft. Ganz alltägliche Dinge, wie zum Beispiel den Arm zu heben, funktionieren nicht mehr.
Normalerweise sendet das Gehirn über das Rückenmark ein elektrisches Signal in den Nerv, der den Schultermuskel versorgt. Dadurch wird eine Welle von Elektrizität ausgelöst, die sich über den Muskel ausbreitet, wodurch dieser sich dann zusammenzuzieht und der Arm sich hebt. Wenn der Nerv jedoch schwer geschädigt ist und die Information nicht mehr weiterleiten kann, hat der Mensch keine Kontrolle mehr über den Arm. Um Betroffenen zu helfen, entwickeln Forscher des Cambridge Bioelectronics Lab der University of Cambridge nun Implantate, die diese Nervenschäden umgehen und die Beweglichkeit der Gliedmaßen wieder herstellen sollen.
Implantate als Schnittstelle
“Nerven sind die ‘Drähte’, die Informationen zu und von unserem Gehirn transportieren und uns die Fähigkeit geben, Muskeln auf Kommando zu bewegen und sensorische Informationen über unsere Umgebung zu empfangen”, sagt Professor George Malliaras, Prinz Philip Professor für Technologie am Bioelectronics Lab im Department of Engineering in Cambridge. “Eine Schädigung der Nerven kann auf viele Arten auftreten, durch Krankheit oder Verletzung, und sie kann zu dauerhaften Lähmungen und Taubheit führen, die die Lebensqualität stark beeinträchtigen können. Nach Angaben der Christopher and Dana Reeve Foundation lebt fast 1 von 50 Menschen in den USA mit Lähmungen. Das sind 5.357.970 Menschen mit einer Störung des zentralen Nervensystems, die zu Schwierigkeiten oder der Unfähigkeit führt, die oberen oder unteren Extremitäten zu bewegen.”
Malliaras leitet ein von Dr. Alejandro Carnicer-Lombarte entwickeltes Projekt, mit dem Menschen geholfen werden soll, die beispielsweise durch einen Autounfall oder eine Messerwunde Nervenverletzungen davongetragen haben. Ziel des Projekts ist es, Implantate zu schaffen, die geschädigte Nerven überbrücken, indem sie eine Schnittstelle zum Gehirn und Nervensystem bilden.
Wie kabellose Kopfhörer
Bisher hat das Team zwei “Neuroprothetik”-Geräte entwickelt, von denen eines elektrische Muster aus dem Gehirn liest, während das andere einen elektrischen Reiz in die Zielmuskelgruppe injiziert. Die Geräte funktionieren über eine drahtlose Verbindung und schaffen es, den verletzten Nerv vollständig zu umgehen. “Ähnlich wie kabellose Kopfhörer die alten kabelgebundenen Kopfhörer überflüssig gemacht haben, ist es unser Ziel, Muskeln kabellos zu machen, indem wir elektrische Signale vom Gehirn abfangen, bevor sie in den geschädigten Nerv gelangen, und sie über Radiowellen direkt an die Zielmuskeln senden”, sagt Sam Hilton, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Malliaras’ Team.
In Computersimulationen und an im Labor gezüchteten Zellen hat das Verfahren bereits funktioniert. Als nächstes wird es nun an lebenden Ratten auf Sicherheit und mögliche Verbesserungen geprüft. “Aufgrund der Neuartigkeit der Geräte haben wir eine moralische und ethische Verantwortung, sicherzustellen, dass das Verfahren sicher ist, bevor es am Menschen angewendet wird”, sagt Hilton. “Dafür gibt es keinen Ersatz für die hochkomplexen und miteinander vernetzten Systeme des lebenden Körpers – wir müssen es an Tieren testen.” Diese Untersuchungen zeigen den Forschern, inwieweit das Design, das Implantationsprotokoll oder die Einstellungen verbessert werden könnten. In der letzten Phase der Validierung würden sie ein Rattenmodell mit Nervenverletzungen verwenden, um zu zeigen, dass die Funktion einer gelähmten Gliedmaße wiederhergestellt werden kann, sagen die Forscher.
Verzicht auf Tierversuche leider nicht möglich
Das Team hofft, mithilfe des Geräts das Gehirnmuster zu erkennen, das mit der Greifbewegung der Ratte verbunden ist. Dazu bekommt die Ratte ein Zuckerkügelchen angeboten, nach denen sie greifen muss. Dabei werden die entsprechenden elektrischen Signale aufzeichnet. Anhand dieser Daten wollen die Wissenschaftler das Gerät so weiterentwickeln, dass es nur aufgrund der Gehirnaktivität bestimmen kann, wann eine Ratte mit der Pfote greifen will.
Das Wohlergehen der Ratten stünde bei den Versuchen im Vordergrund, betonen die Forscher. Außerdem würden sie nur so viele Tiere einsetzen wie unbedingt nötig. Ein kompletter Verzicht auf Tierversuche sei in diesem Fall aber leider nicht möglich. Die ersten menschlichen Empfänger dieses neuen Geräts würden dann einem untragbaren Risiko ausgesetzt. Am Ende hätte diese Arbeit das Potenzial, “die Bewegungsfähigkeit von Patienten mit schweren Nervenschäden zu verbessern oder wiederherzustellen – und damit ihre Lebensqualität zu verbessern und unsere Gesundheitsdienste zu entlasten”.
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