Kabellose Gehirn-Rückenmark-Verbindung erfolgreich bei Lähmung

„Nach meiner Kenntnis haben die Autoren in mehreren Bereichen Fortschritte erzielt. Der Schlüsselaspekt ist meiner Auffassung nach, dass das Ganze in Echtzeit funktioniert. Bisher mussten Probanden intensiv an irgendetwas denken, beispielsweise eine bestimmte Farbe, und sich darauf konzentrieren. Dieses Signal in Form eines herausragenden Gedankenereignisses hat der Computer erkannt und daraufhin ein Bewegungsprogramm gestartet. Hier ist es anders, denn anstelle dieses Umweges wird direkt die Imagination der Bewegung am Motokortex erkannt und in Echtzeit weitergegeben. Das Auslesen der Steuerimpulse aus dem Motorkortex, erfolgt beidseits mit Implantaten, ist offenbar so präzise, dass die Bewegungsimagination tatsächlich zum Ansteuern einzelner Gelenke verwendet werden kann. Die Signalverarbeitung ist ausreichend schnell, dass sie für die komplexen Bewegungen beim Laufen verwendet werden kann. Die damit erreichte Ansteuerung der lumbal (an den Lenden; Anm. d. Red.) implantierten Elektroden ist deutlich besser als die Ansteuerung durch rein extern getriggerte Stimulation.“

„Es ist erstmal ein großer Fortschritt für diese Technologie. Inwieweit sie auf andere Patienten, zum Beispiel mit kompletter Lähmung, übertragen werden können, bleibt abzuwarten. Der hier behandelte Patient ist inkomplett, das heißt, er verfügt zumindest über vorbestehende motorische Fähigkeiten, die genutzt werden können. Außerdem verfügt er vermutlich über ein gewisses Maß an Sensibilität – da das System keinerlei ‚Feedback‘ an das Gehirn geben kann, ist unklar wieweit Stehen und Gehen alltagstauglich ohne diese Rückmeldung erfolgreich ist. Außerdem ist immer noch abzuwarten, ob der Aufwand (Kraft, Vorbereitung, Ausdauer) den Rollstuhl im Alltag überflüssig macht.“

„Bei der Anwendung kommt es wie so häufig auch bei dieser Technik auf die Details an. Wir haben beispielsweise schon bei vielen Brain-Computer Interfaces gesehen, dass sich Narben um die Elektroden bilden, die die Funktionsweise beeinträchtigen können. Auch braucht es Patientinnen und Patienten, die erst einmal dazu bereit sind, sich unter anderem Teile der Schädeldecke mit Implantaten ersetzen zu lassen und eine lange Zeit mit entsprechenden Trainings zuzubringen, auch wenn ein Therapieerfolg nicht garantiert werden kann. Es handelt sich in dieser Studie um einen außergewöhnlich disziplinierten und offenbar auch risikobereiten Patienten, der bereit ist, seine Lebensführung zumindest über lange Zeiten einem Trainingsziel (Laufen) unterzuordnen. Außerdem hat er offenbar keine wesentlichen Begleiterkrankungen.“

„Es ist eine wirklich eine tolle Kombination von verschiedenen Techniken, die zumindest nach dem Bericht eine neue ‚Qualität‘ der funktionellen Bewegungskontrolle an den Beinen ermöglicht. Es ist schon so ein bisschen ein iPhone-Moment – als das auf den Markt kam, habe ich zuerst gedacht: ‚Wozu brauche ich GPS beim Telefonieren in einer Großstadt?‘. Jetzt wissen wir es.“

„Ein voll implantiertes Brain-Spine Interface (BSI), welches Gehirnsignale über direkt auf die Gehirnhaut aufgebrachte Elektroden ableitet, um einen implantierten epiduralen Stimulator zu modulieren, ist in dieser Form neuartig.“

„Bisherige Studien konnten zeigen, dass durch intensives funktionsorientiertes Training (zum Beispiel körpergewichtsentlastendes Gehtraining) in Kombination mit epiduraler Stimulation des Rückenmarks limitierte Gehfähigkeit mit Hilfsmitteln (zum Beispiel Rollator) bei sehr beschränkter Gehstrecke und Gehgeschwindigkeit befördert werden kann. Die Umgebungsbedingungen müssen sehr gut kontrolliert sein, zum Beispiel möglichst ebene barrierefreie Wegstrecke. Durch willentliche Modulierung der spinalen Stimulation über BSI soll der Patient nun in der Lage sein, die Beweglichkeit der Beine situationsbezogen individuell anzupassen. Als Beispiel wird Treppensteigen beschrieben, was ohne Verknüpfung der Gehirnaktivität mit der epiduraler Stimulation bei dem vorgestellten Patienten nicht möglich war. Ein Nachteil ist natürlich, dass mit der Implantation eines Elektrodenarrays in die Schädeldecke eine weitere hochinvasive Intervention notwendig ist.“

Auf die Frage inwiefern die Ergebnisse von einem einzigen Probanden auch auf andere Patientinnen und Patienten übertragbar sind:
„Das ist das große Problem dieser wie auch vorausgegangener Studien zum Thema. So werden in der aktuellen Studie Effekte des Brain-Spine Interfaces an lediglich einem einzigen Patienten gezeigt, obwohl die Studie laut Studienbeschreibung ursprünglich für zehn Patienten konzipiert ist. Da die Studie bereits 2016 initiiert wurde, ist es bemerkenswert, dass bisher nur ein Patient das BSI erhalten hat – die Gründe dafür gehen aus der Studie nicht hervor. Noch dazu kommt, dass der beschriebene Patient ‚besonders‘ ist, da er sich zusätzlich zur spinalen epiduralen Stimulation vor Implantation der Gehirnelektroden orthopädischen Eingriffen im Bereich der Beine (Muskelsehnen-Transfer, Sprunggelenkversteifung) unterzogen hat, die ebenfalls zu einer stabileren Geh- und Stehfunktion führen können. Zusammengefasst lässt sich also überhaupt keine verlässliche Aussage treffen, ob und inwieweit die berichteten Effekte hinsichtlich Gehfunktion auf anderen Patienten mit Querschnittlähmung übertragbar sind oder gar Patienten mit anderen neurologischen Erkrankungen.“

„Betrachtet man die vorab definierten Endpunkte der Studie wie Gehfunktion oder Verbesserung der Muskelkraft, zeigen sich vergleichsweise geringfügige Verbesserungen im Vergleich zur Situation mit epiduraler Stimulation ohne BSI. Natürlich ist es sehr gut vorstellbar, dass weitere gezielte neurorehabiliative Interventionen zumindest zum Teil zu diesen Verbesserungen beigetragen haben, insbesondere bei einem Patienten mit einer motorisch sehr inkompletten Querschnittslähmung (dabei sind die Nerven zwar stark geschädigt, aber nicht vollständig durchtrennt; Anm. d. Red.). Allerdings wird beschrieben, dass sich die Gehfunktion nach Abschalten des BSI wieder unmittelbar verschlechtert. Aber wie gesagt, hierbei handelt es sich um Einzelfall-Beobachtungen!“

Auf die Frage inwiefern von einer „neuen Ära” in der Behandlung von motorischen Defiziten aufgrund neurologischer Erkrankungen gesprochen werden kann, wie es die Forschenden in der Studie tun:
„Wie so häufig in der Vergangenheit, erachte ich dieses Statement als zu gewagt mit der Gefahr, dass falsche Hoffnungen bei Betroffenen geweckt werden. Die Effektgröße des zusätzlichen BSI im berichteten Einzelfall ist überschaubar. Der wesentliche Nachweis der Übertragbarkeit auf andere Patienten lässt weiter auf sich warten.“

„Das vorgestellte System ist eine Kombination aus Brain-Computer Interface (BCI) und lumbaler Rückenmarksstimulation, die für diesen interessanten Fallbericht kombiniert wurden. Das Thema BCI ist ein etabliertes, breit aufgestelltes Forschungsgebiet, das auf verschiedene Elektrodentechnologien aufbaut. Es gibt nichtinvasive Ansätze mit Elektroden-Arrays an der Kopfhaut, meist elastische Elektrodenhauben, und verschiedene Formen von invasiven Lösungen, wie im vorliegenden Fall, mit epidural an der Hirnhaut angebrachten Flächen, auf denen ebenfalls in Array-Konfiguration kleine Kontaktelektroden angebracht sind, aber auch noch invasivere Konstruktionen, die aus Miniarrays aus Mikronadeln bestehen, die in die Gehirnsubstanz versenkt werden. Über entsprechend leistungsfähige Computeralgorithmen können in allen Varianten sehr stabile Steuersignale abgeleitet werden, die schon wiederholt zusammen mit Roboterarmen, Prothesen, Exoskeletten und Funktioneller Elektrostimulation gelähmter Extremitäten demonstriert wurden. In der vorliegenden Arbeit ist das Interface eine vielversprechende Prototypenlösung eines epiduralen BCI-Implantates. Dieses wird schon mit einiger Invasivität durch eine fünf Zentimeter große Öffnung im Schädelknochen implantiert. Dieser Ansatz ist an der Universität Grenoble entstanden, an der schon früher Lösungen zur Bewegungsförderung durch epidurale Stimulation des lumbalen Rückenmarks – eigentlich der hinteren Nervenwurzeln, wo sensorische Signale aus den Nerven der der unteren Extremität ankommen – vorgestellt und kombiniert eingesetzt wurden.“

„Historisch wurde ein ähnliches Konzept schon 1948 vom großen Norbert Wiener in einem Buch zur ‚Kybernetik‘ vorgeschlagen, als deren Vater er in Wissenschaftskreisen gilt. Damals waren die technischen Möglichkeiten für eine Umsetzung dieser visionären Idee noch nicht in Sicht. Inzwischen gibt es immer wieder spannende Demonstrationen solcher Anwendungen an Einzelpatienten, wie auch die gegenständliche, deren besonderes Merkmal die gleichzeitige Verwendung eines BCI- und eines Stimulationsimplantates ist. Für deren Zusammenspiel ist allerdings noch eine relativ aufwändige externe Computerlösung notwendig, die aus BCI-Signalen Steuersignale für die Stimulation errechnet.“

„Wie immer bei solchen spektakulären Einzelberichten kann seriöserweise nicht auf eine Lösung für andere Betroffene geschlossen werden. Zu unterschiedlich sind die Lähmungsbilder bei Querschnittlähmung und damit die Aussichten auf Wiederherstellung von Bewegungskontrolle mit oder auch ohne Einsatz technischer Hilfen. Bei manchen Patientinnen und Patienten werden ähnliche Verbesserungen möglich sein, bei sehr vielen jedoch nicht. Auch muss in jedem Einzelfall immer zwischen Invasivität, Aufwand und Risken gegenüber dem erzielbaren Nutzen abgewogen werden.“

„Der Patient hatte bereits drei Jahre lang ein Implantat derselben Forschungsgruppe zur Gangverbesserung angewendet, dessen Stimulationsmuster aber über Bewegungssensoren an den Extremitäten gesteuert wurden. Prinzipiell gibt es verschiedene Möglichkeiten die Stimulation bewusst zu steuern, manuell über technische Eingabesensoren/Handschalter, über Rest-Elektromyogramm teilgelähmter Muskeln oder wie im Artikel beschrieben über EEG-Ableitung, dem in BCIs genutzten Prinzip. Eine besondere Zusatzperspektive der BCI-Steuerung ist eine gewisse Evidenz für Förderung der plastischen Reorganisation der Bewegungskontrolle, wie offenbar auch im vorgestellten Fall. Ganz allgemein finden sich zunehmend Hinweise in der wissenschaftlichen Literatur, dass zeitsynchronisierte Aktivität entsprechender Hirnareale und teilgelähmter peripherer Funktionen, etwa durch koordinierte elektrische Stimulation, die Regeneration von Bewegungsfunktionen positiv beeinflussen kann.“

Auf die Frage inwiefern von einer „neuen Ära” in der Behandlung von motorischen Defiziten aufgrund neurologischer Erkrankungen gesprochen werden kann, wie es die Forschenden in der Studie tun:
„Bei allem Respekt für die geleistete Arbeit sollte man mit so generellen Versprechen vorsichtig sein. Forschende in diesem Bereich haben eine besondere Verantwortung, die Betroffenen über Fortschritte und Erkenntnisse sachlich zu informieren, nicht aber falsche Hoffnungen zu wecken. Die Arbeit präsentiert einen besonderen Einzelfall, bei dem durch geschickte Anwendung technologischer Unterstützung ein für den Betroffenen hilfreiches und wissenschaftlich weiterführendes Rehabilitationsergebnis erzielt wurde. Einerseits wird demonstriert, dass schwache Restfunktionen einzelner Muskeln über augmentierende Stimulation verstärkt werden können und diese Verstärkung bis zu einem gewissen Grad auch intuitiv aktiviert werden kann, mit umfassenderen Auswirkungen auf das akute Gangbild. Andererseits gibt es in diesem spezifischen Fall auch eine gewisse Evidenz, dass mentale Anteile einer Bewegungsauslösung, auf die unmittelbar periphere Rückmeldungen über sensorische Nerven folgen, neuroplastische Entwicklungen anregen kann. Darauf kann geschlossen werden, da bleibende, graduelle Funktionsverbesserungen auch bei abgeschalteten Implantaten zu beobachten waren, obwohl vorher das jahrelange erfolgreiche Aufbautraining in eine schon längere Phase stagnierender Ergebnisse gemündet hatte.“

„Also ‚neue Ära‘ nein, und schon gar nicht generell für die Behandlung von Bewegungsstörungen unterschiedlichster neurologischer Genese, aber wichtige Erkenntnisse, die zu weiteren Forschungsbemühungen anregen.“