Bionik Ein künstlicher Tastsinn für Querschnittsgelähmte

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Forscher der Technischen Hochschule Chalmers haben eine Methodik entwickelt, die Querschnittsgelähmten komplexe Tastempfindungen in ihren Gliedmaßen zurückgeben soll. Ein externes am Rollstuhl befestigtes Körperteil führt Bewegungen durch, deren Berührungen per Hirnstimulation an den Patienten weitergegeben werden.

Der Tastsinn ist von grundlegender Bedeutung für die selbständige Erledigung alltäglicher Aufgaben. Bei Menschen, die mit Rückenmarksverletzungen leben, sind die Signale von der Hand zum Gehirn gestört. Das führt häufig zu einer Querschnittslähmung und einem damit verbundenen Verlust der taktilen Empfindungen in den betroffenen Körperteilen.

Die Medizinforschung hat in den Jahren verschiedene Ansätze verfolgt, um betroffenen Patienten wieder ein gewisses Maß an Selbstständigkeit zurückzugeben. Einer der vielversprechendsten Bereichen ist die Bionik, die Erweiterung der biologischen Funktionen durch robotische Hilfsmittel. In den letzten Jahren wurden diverse Konzepte von bionischen Gliedmaßen erarbeitet, die von Gehirnsignalen gesteuert werden. Diese sind in der Regel funktionsfähig, doch das Fehlen sensorischer Rückmeldungen macht Aufgaben wie das Heben und Manipulieren von Gegenständen schwierig. Denn ohne Tastsinn fühlt sich eine bionische Hand oft eher wie ein Werkzeug an, als eine Verlängerung des Körpers. Das erschwert den direkten Umgang mit den zu manipulierenden Objekten.

Ein Forschungsteam an der Chalmers tekniska högskola (Technische Hochschule Chalmers) im schwedischen Göteborg hat sich darauf konzentriert, wie dieser fehlende Tastsinn in sogenannten extrakorporalen bionischen Gliedmaßen simuliert werden kann - Roboterarme, die in der Nähe des Benutzers an einem Rollstuhl oder einem ähnlichen Gerät angebracht werden. Ziel ist es, eine nahtlose Verbindung zwischen dem Gehirn und der bionischen Gliedmaße herzustellen, die sowohl die Steuerung als auch sensorisches Feedback ermöglicht. In einer in der aktuellen Ausgabe des Fachblatts Science veröffentlichen Studie beschreiben die Forscher, dass es ihnen nun gelungen ist, mit einer hirngesteuerten bionischen Gliedmaße einer gelähmten Person taktile Empfindungen in Bezug auf Orientierung, Krümmung, Bewegung und 3D-Formen zu vermitteln.

Über Elektroden im Gehirn steuern und empfinden

In der Studie, die von der US-amerikanischen Cortical Bionics Research Group betrieben wurde, wurden zwei Teilnehmer mit Gehirnimplantaten ausgestattet, die auf die sensorischen und motorischen Regionen von Arm und Hand abzielen. Über mehrere Jahre hinweg zeichneten die Forscher die Muster der elektrischen Aktivität im Gehirn auf. Auf diese Weise erarbeiteten Sie, welche Regionen hinsichtlich Bewegung und dem Tastsinn aktiv sind. Obwohl die Lähmung diese Signale daran hinderte, die Gliedmaßen zu erreichen, blieb die elektrische Aktivität des Gehirns intakt.

Die Nutzung von Gehirnimpulsen zur Steuerung robotischer bzw. bionischer Gliedmaßen wurde in anderen existierenden Fallstudien bereits erfolgreich erprobt. Neu ist das haptische Feedback, dass durch die Stimulierung der entsprechenden Gehirnregionen erzeugt wird. Die Teilnehmer absolvierten erfolgreich eine Reihe komplizierter Experimente, bei denen reichhaltige taktile Empfindungen erforderlich waren. Um dies zu erreichen, leiteten die Forscher über die Implantate spezifische Reize direkt an das Gehirn weiter. „Wir haben einen Weg gefunden, diese ‚taktilen Botschaften‘ über Mikrostimulation mit Hilfe winziger Elektroden im Gehirn zu schreiben, und wir haben eine einzigartige Möglichkeit gefunden, komplexe Empfindungen zu kodieren,“ sagt Giacomo Valle, Hauptautor der Studie und Assistenzprofessor an der Chalmers University of Technology. „Dies ermöglichte eine lebendigere sensorische Rückmeldung und Erfahrung bei der Verwendung einer bionischen Hand.“ Wie die Studie ausführt, konnten die Teilnehmer beispielsweise die Kante eines Objekts ertasten und sogar die Richtung der Bewegung entlang ihrer Fingerspitzen erkennen.

Mithilfe des Brain-Computer Interface (BCI) entschlüsselten die Forscher die Gehirnaktivität der Teilnehmer, um einen bionischen Arm zu steuern. Wenn die Sensoren des Arms einen Kontakt mit einem Objekt feststellten, wurden Signale an das Gehirn zurückgesendet, die das Gefühl der Berührung erzeugten, als ob das Objekt in einer biologischen Hand gehalten würde. Diese bidirektionale Kommunikation ermöglichte es den Teilnehmern, komplexe Aufgaben mit höherer Genauigkeit auszuführen, z. B. einen Gegenstand aufzuheben und ihn an einen anderen Ort zu bringen.

Die Studie sei ein entscheidender erster Schritt auf dem Weg, Patienten mit Rückenmarksverletzungen wieder komplexe Berührungsempfindungen zu ermöglichen. Wie die Forscher allerdings einräumen, liegt der Ansatz noch in den Grundzügen. Sowohl bei der Sensor- als auch bei der Robotertechnologie, z. B. die Entwicklung von Hautprothesen, die ein breiteres Spektrum an taktilen Eindrücken erfassen können, seien weitere Fortschritte und Verbesserungen nötig. Auch die für die Hirnstimulation eingesetzte implantierbare Technologie müsse noch weiterentwickelt werden, um die Vielfalt und Nuancierung der Empfindungen, die sie vermitteln kann, zu erweitern. (sg)

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