Das menschliche Gehirn erlangte die Kontrolle über gelähmte Beine zurück

Warum es bei Wirbelsäulenverletzungen zu Lähmungen kommt, muss nicht noch einmal erklärt werden: Die Nervenbahnen des Rückenmarks werden geschädigt und das Gehirn verliert den Kontakt zu den Muskeln, die unterhalb der Verletzungsstelle liegen. Ist es möglich, die Beweglichkeit des Körpers irgendwie wiederherzustellen? Einerseits gibt es viele Forschungsversuche, Schäden im Rückenmark direkt zu heilen, das Nervenwachstum zu stimulieren, damit Nervenbündel die Verletzungsstelle erreichen und sich dann wiederfinden, so dass die neuronale „Verkabelung“ des Rückenmarks funktioniert. wird wieder kontinuierlich.

Andererseits kann man die neuronale Netzwerkinfrastruktur des Rückenmarks nutzen. Denn das Rückenmark ist nicht nur ein Kabelstrang, der Nachrichten zwischen den Zentren des Gehirns und den untergeordneten Organen überträgt. Wenn wir über Skelettmuskeln sprechen, dann bilden die Neuronen des Rückenmarks ziemlich komplexe spezialisierte Netzwerke, die für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts, die Koordination beim Gehen, die Steuerung der Geschwindigkeit und Richtung der Bewegung usw. verantwortlich sind. Die neuronalen Netzwerke des Rückenmarks empfangen Informationen von Muskeln und Haut kann Anpassungen am Motorprogramm vornehmen und es je nach Empfindungen anpassen. Die Fähigkeit eines Menschen oder Tieres, seine Bewegungen zu kontrollieren, hängt nicht nur von den Kontakten spinaler Neuronen mit den Zentren des Gehirns ab, sondern auch von der Integrität solcher Netzwerke im Rückenmark selbst. Durch die Stimulierung der motorischen Netzwerke des Rückenmarks kann man ihm beibringen, die Beine zu kontrollieren, die nach der Verletzung gelähmt blieben.

Vor vielen Jahren Mitarbeiter Eidgenössische Polytechnische Schule Lausanne zusammen mit Kollegen aus anderen wissenschaftlichen Zentren begann er, mit einer solchen Stimulation zu experimentieren. Wir haben wiederholt über diese Experimente geschrieben. Wenn wir „Rückenmarkstimulation“ sagen, müssen wir bedenken, wie schwierig es ist, die Neuronen der Wirbelsäule so zu stimulieren, dass der richtige Bewegungsablauf entsteht. Wenn wir uns vorstellen, wie sich unser Bein bewegt, erkennen wir schnell, dass die Aktivität von Neuronen (und Gruppen von Neuronen), die die Bewegung steuern, recht komplex sein wird: Sie schalten sich nacheinander ein und „lauschen“ ständig darauf, was mit dem Bein während der Bewegung passiert . mit ihren Muskeln. Das Rückenmark wird durch ein spezielles Implantat stimuliert, das eine Rückmeldung erhalten muss: Seine Elektroden müssen sich entsprechend der Beinbewegung ein- und ausschalten. Dabei ist es notwendig, nicht nur die Bewegung des Beins selbst, sondern auch die Position des Körpers im Raum zu berücksichtigen. Man kann sich vorstellen, wie komplex die Algorithmen sein müssen, die die Impulse berechnen, die das Implantat an das Rückenmark liefert.

Nach erfolgreichen Experimenten an Ratten mit Rückenmarksstimulation wurde diese Methode bei drei Freiwilligen angewendet, die einmal Wirbelsäulenverletzungen erlitten hatten und die letzten Jahre im Rollstuhl verbracht hatten. Nach fünf Monaten Training mit Rückenmarksstimulatoren konnten alle drei auf eigenen Füßen laufen. Um jedoch mit dem Gehen beginnen zu können, muss, wie leicht zu verstehen ist, zunächst der Stimulator gestartet werden. Es muss nicht unbedingt eine Taste auf einer Fernbedienung sein. Beispielsweise konnte einer der Freiwilligen trotz Verletzung und Lähmung seine Knie auf eine bestimmte Weise bewegen – diese Bewegung löste den Stimulator aus und sendete ihm Impulse von den entsprechenden Muskeln. Darüber hinaus erwiesen sich die Schritte mit der Wirbelsäulenstimulation als mechanisch, roboterhaft, was verständlich ist – die Muskeln wurden nicht durch einen bewussten Willen, sondern durch autonome neuronale Netze des Rückenmarks mit Hilfe eines Stimulators gesteuert; Zum Teil war es so, als würde ein Puppenspieler eine Marionette bedienen. Schließlich war es nur auf einer ebenen Fläche möglich, so zu gehen; Es war nicht mehr möglich, Hindernisse zu überwinden oder Treppen zu steigen.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in NaturDie Forscher schreiben, dass es ihnen gelungen sei, die „stimulierenden“ Bewegungen natürlicher und willkürlicher zu gestalten, so dass eine Person nun beispielsweise Treppen steigen könne. Das Gehen wurde natürlicher, indem die Kontrolle über das Stimulationsimplantat dem Gehirn übertragen wurde. Allerdings musste auch ein Implantat ins Gehirn implantiert werden, genauer gesagt zwei Implantate mit 64 Elektroden, die Impulse aus den motorischen Bereichen der Großhirnrinde lesen. Die Signale wurden drahtlos an ein am Kopf befestigtes Headset und von diesem an einen Laptop in einem Rucksack dahinter übertragen. Der Laptop entschlüsselte das Signal des Gehirns, sodass klar wurde, an welche Bewegung er dachte. Darüber hinaus wurden Informationen an das Wirbelsäulenimplantat gesendet, auf welche Muskeln eingewirkt werden musste, um die geplante Bewegung auszuführen. Gehirn-Computer-Schnittstellen sind damit beschäftigt, Signale aus dem Gehirn zu lesen und sie in verständliche algorithmische Befehle zu übersetzen. Hier wurde eine Gehirn-Computer-Schnittstelle mit einem Wirbelsäulenimplantat verbunden, und zusammen duplizierten sie die ursprüngliche, durch ein Trauma beschädigte Wirbelsäulenverbindung.

Es dauerte vierzig Trainingseinheiten, bis er sich mit dem neuen System vertraut gemacht hatte. Danach begann der Freiwillige mit zwei Implantaten, sich natürlicher und in einem willkürlichen Rhythmus zu bewegen. Jetzt konnte er beispielsweise in das Auto ein- und aussteigen und, wie gesagt, sogar die Treppe hoch und runter gehen. Aufgrund der Tatsache, dass die elektrische Stimulation des Rückenmarks nun unter der Kontrolle (wenn auch indirekt) des Gehirns stand, wurden Bewegungen in den Knöcheln, Knien und Hüftgelenken präziser (obwohl man nicht sagen kann, dass eine Person begann, sich absolut frei zu bewegen – Bewegungen werden ihm noch mit einer gewissen Anstrengung gegeben). Durch die Verletzung wurden die Verbindungen im Rückenmark nicht vollständig zerstört, einige davon blieben bestehen, und offenbar wurden diese verbleibenden Verbindungen dank des Systems mit zwei Implantaten gestärkt – das Gehirn begann, den gelähmten Körperteil besser zu spüren.

Natürlich muss man bedenken, dass das System mit zwei Implantaten bisher nur an einer einzigen Person getestet wurde und dass ein Satz von mehreren Dutzend Elektroden chirurgisch in das Gehirn implantiert wurde – und solche Operationen nicht immer vollständig erfolgreich sind. Dennoch ist selbst in einer solchen Einzelversion klar, dass der Ansatz mit der neuronalen Schnittstelle und der Wirbelsäulenstimulation als solche funktioniert. Vielleicht wird die „Zwei-Implantat-Methode“ in Zukunft in verschiedenen medizinischen Zentren sicherer und einfacher anzuwenden sein – es sei denn, sie wird durch eine andere biomedizinische Technologie grundlegend verdrängt.