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Neuroprothetik: Wiederherstellung von Verletzungen mit der Kraft Ihres Geistes

Neuroprothesen, auch Gehirn-Computer-Schnittstellen genannt, sind Geräte, die Menschen mit motorischen oder sensorischen Behinderungen helfen, die Kontrolle über ihre Sinne und Bewegungen wiederzuerlangen, indem sie eine Verbindung zwischen dem Gehirn und einem Computer herstellen. Mit anderen Worten, diese Technologie ermöglicht Menschen, sich zu bewegen, zu hören, zu sehen und zu berühren, indem sie die Kraft des Denkens allein nutzen. Wie funktioniert Neuroprothetik? Wir werfen einen Blick auf fünf große Durchbrüche auf diesem Gebiet, um zu sehen, wie weit wir gekommen sind – und wie weit wir noch gehen können – indem wir nur die Kraft unseres Geistes nutzen.

Frau mit Elektroden am Schädel befestigt]

Jedes Jahr verlieren Hunderttausende von Menschen weltweit die Kontrolle über ihre Gliedmaßen infolge einer Verletzung ihres Rückenmarks. In den Vereinigten Staaten leben bis zu 347.000 Menschen mit Rückenmarksverletzungen (SCI), und fast die Hälfte dieser Menschen kann sich nicht vom Hals abwärts bewegen.

Für diese Menschen können neuroprothetische Geräte einige dringend benötigte Hoffnung bieten.

Brain-Computer-Interfaces (BCI) umfassen normalerweise Elektroden – platziert auf dem menschlichen Schädel, auf der Gehirnoberfläche oder im Gehirngewebe – die die Gehirnaktivität überwachen und messen, die auftritt, wenn das Gehirn einen Gedanken "denkt". Das Muster dieser Gehirnaktivität wird dann in einen Code oder Algorithmus "übersetzt", der in einen Computer "eingespeist" wird. Der Computer wandelt den Code wiederum in Befehle um, die Bewegung erzeugen.

Neuroprothetik ist nicht nur nützlich für Menschen, die ihre Arme und Beine nicht bewegen können; Sie helfen auch Menschen mit sensorischen Behinderungen. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) schätzt, dass weltweit rund 360 Millionen Menschen eine behindernde Form von Hörverlust haben, während weitere 39 Millionen Menschen blind sind.

Für einige dieser Menschen haben Neuroprothetik wie Cochlea-Implantate und bionische Augen ihnen ihre Sinne zurückgegeben und in einigen Fällen haben sie es ihnen ermöglicht, zum ersten Mal zu hören oder zu sehen.

Hier werden fünf der wichtigsten Entwicklungen in der neuroprothetischen Technologie vorgestellt, und es wird untersucht, wie sie funktionieren, warum sie hilfreich sind und wie sich einige in Zukunft entwickeln werden.

Ohr Implantat

Wahrscheinlich die "älteste" Neuroprothetik da draußen, Cochlea-Implantate (oder Ohrimplantate) gibt es seit ein paar Jahrzehnten und sind der Inbegriff erfolgreicher Neuroprothetik.

Die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) bewilligte Cochlea-Implantate bereits 1980, und bis 2012 hatten fast 60.000 US-Personen das Implantat erhalten. Weltweit haben mehr als 320.000 Menschen das Gerät implantiert.

Ein Cochlea-Implantat funktioniert, indem es die beschädigten Teile des Ohrs umgeht und den Hörnerv mit Signalen stimuliert, die mit Elektroden erhalten werden. Die Signale, die durch den Hörnerv zum Gehirn weitergeleitet werden, werden als Geräusche wahrgenommen, obwohl das Hören durch ein Ohrimplantat sich ziemlich vom normalen Hören unterscheidet.

Obwohl Cochlea-Implantate unvollkommen sind, erlauben sie den Benutzern, Sprache persönlich oder über das Telefon zu unterscheiden, wobei die Medien mit emotionalen Berichten von Menschen überhäuft sind, die sich zum ersten Mal selbst mit dieser sensorischen neuroprothetischen Vorrichtung hören konnten.

Hier können Sie sich ein Video einer 29-jährigen Frau ansehen, die sich zum ersten Mal mit einem Cochlea-Implantat hört:

Augenimplantat

Die erste künstliche Netzhaut – Argus II genannt – besteht ausschließlich aus implantierten Elektroden und wurde im Februar 2013 von der FDA zugelassen. Ähnlich wie das Cochlea-Implantat umgeht diese Neuroprothese den beschädigten Teil der Netzhaut und überträgt sie Signale, die von einer angeschlossenen Kamera aufgenommen wurden, an das Gehirn.

Dazu werden die Bilder in helle und dunkle Pixel umgewandelt, die in elektrische Signale umgewandelt werden. Die elektrischen Signale werden dann an die Elektroden gesendet, die wiederum das Signal an den Sehnerv des Gehirns senden.

Während Argus II das Sehvermögen nicht vollständig wiederherstellt, ermöglicht es Patienten mit Retinitis pigmentosa – ein Zustand, der die Photorezeptoren des Auges schädigt -, Konturen und Formen zu unterscheiden, die, wie viele Patienten berichten, einen signifikanten Unterschied in ihrem Leben ausmachen.

Retinitis pigmentosa ist eine neurodegenerative Erkrankung, an der rund 100.000 Menschen in den USA leiden. Seit seiner Zulassung haben mehr als 200 Patienten mit Retinitis pigmentosa das Argus II-Implantat und das Unternehmen, das es entwickelt, arbeitet derzeit daran, die Farberkennung zu ermöglichen und zu verbessern die Auflösung des Geräts.

Neuroprothetik für Menschen mit QSL

Fast 350.000 Menschen in den USA leben schätzungsweise mit SCI, und 45 Prozent derjenigen, die seit 2010 an einer QSL litten, gelten als Tetraplegiker – das heißt, vom Hals abwärts gelähmt.

Wir haben kürzlich über ein bahnbrechendes Ein-Patienten-Experiment berichtet, das es einem Mann mit Tetraplegie ermöglichte, seine Arme mit der Kraft seiner Gedanken zu bewegen.

Bill Kochevar hatte Elektroden chirurgisch in sein Gehirn eingepasst. Nach dem Training des BCI, um die Gehirnaktivität zu "lernen", die zu den Bewegungen passte, über die er nachdachte, wurde diese Aktivität in elektrische Impulse umgewandelt, die dann zurück zu den Elektroden in seinem Gehirn übertragen wurden.

Ähnlich wie die Cochlea-Implantate und die visuellen Implantate den beschädigten Bereich umgehen, vermeiden auch diese BCI-Bereiche den "Kurzschluss" zwischen dem Gehirn und den Muskeln des Patienten, die durch SCI verursacht werden.

Mit Hilfe dieser Neuroprothese konnte der Patient erfolgreich trinken und sich selbst ernähren. "Es war erstaunlich", sagt Kochevar, "weil ich darüber nachdachte, meinen Arm zu bewegen, und das tat es." Kochevar war der erste Patient auf der Welt, der das neuroprothetische Gerät, das derzeit nur für Forschungszwecke zur Verfügung steht, testet.

Sie können mehr über diese Neuroprothese aus dem folgenden Video erfahren:

Dies ist jedoch nicht der Punkt, an dem die SCI-Neuroprothetik aufhört.Das vom Neurowissenschaftler Gregoire Courtine in Lausanne geleitete Courtine Lab arbeitet unermüdlich daran, verletzten Menschen zu helfen, die Kontrolle über ihre Beine wiederzuerlangen. Ihre Forschungsbemühungen mit Ratten haben gelähmten Nagetieren das Laufen ermöglicht, indem sie elektrische Signale verwendet haben und sie dazu gebracht haben, Nerven im abgetrennten Rückenmark zu stimulieren.

"Wir glauben, dass diese Technologie eines Tages die Lebensqualität von Menschen mit neurologischen Störungen signifikant verbessern könnte", sagt Silvestro Micera, Co-Autor des Experiments und Neuroengineer bei den Courtine Labs.

Kürzlich leitete Prof. Courtine auch ein internationales Forscherteam, um erfolgreich freiwillige Beinbewegungen bei Rhesusaffen zu schaffen. Dies war das erste Mal, dass eine Neuroprothetik verwendet wurde, um das Laufen in nicht-menschlichen Primaten zu ermöglichen.

"Es kann jedoch mehrere Jahre dauern, bis alle Komponenten dieser Intervention in Menschen getestet werden können", sagt Prof. Courtine.

Ein Arm, der sich anfühlt

Silvestro Micera hat auch andere Projekte in der Neuroprothetik geleitet, unter anderem den Arm, der "fühlt". Im Jahr 2014 berichtete über die erste künstliche Hand, die mit Sensoren verbessert wurde.

Forscher haben die Spannung in den Sehnen der künstlichen Hand gemessen, die Greifbewegungen kontrollieren und in elektrischen Strom umwandeln. Dieser wiederum wurde mit einem Algorithmus in Impulse übersetzt, die dann an die Nerven im Arm gesendet wurden und einen Tastsinn erzeugten.

Seitdem hat sich der "fühlende" Arm der Prothese noch mehr verbessert. Forscher der Universität von Pittsburgh und der Universität von Pittsburgh Medical Center, beide in Pennsylvania, testeten die BCI an einem einzigen Patienten mit Tetraplegie: Nathan Copeland.

Die Wissenschaftler implantierten eine Hülle aus Mikroelektroden unter der Oberfläche von Copelands Gehirn – und zwar in seinem primären somatosensorischen Kortex – und verbanden sie mit einer Armprothese, die mit Sensoren ausgestattet war. Dies ermöglichte dem Patienten Berührungen, die für ihn fühlten, als gehörten sie zu seiner eigenen gelähmten Hand.

Mit verbundenen Augen konnte Copeland erkennen, welcher Finger an seinem Arm berührt wurde. Die Empfindungen, die er empfand, variierten in der Intensität und wurden als unterschiedlich druckempfindlich empfunden.

Neuroprothetik für Neuronen?

Wir haben gesehen, dass hirngesteuerte Prothetik den Tastsinn, das Hörvermögen, das Sehvermögen und die Bewegung des Patienten wiederherstellen kann, aber könnten wir Prothetik für das Gehirn selbst bauen?

Forscher der Australian National University (ANU) in Canberra gelang es, Gehirnzellen künstlich zu züchten und funktionelle Schaltkreise zu schaffen, die den Weg für die Neuroprothetik des Gehirns ebnen.

Durch die Anwendung der Nanodrahtgeometrie auf einen Halbleiterwafer entwickelten Dr. Vini Gautam von ANUs Research School of Engineering und Kollegen ein Gerüst, das es Gehirnzellen ermöglicht, zu wachsen und sich synaptisch zu verbinden.

Projektleiter Dr. Vincent Daria von der John Curtin School für medizinische Forschung in Australien erklärt den Erfolg seiner Forschung:

"Wir konnten prädiktive Verbindungen zwischen den Neuronen herstellen und demonstrieren, dass sie funktionell mit Neuronen funktionieren, die synchron zünden. Diese Arbeit könnte ein neues Forschungsmodell eröffnen, das eine stärkere Verbindung zwischen Nanotechnologie und Neurowissenschaften herstellt."

Die Neuroprothetik für das Gehirn könnte Patienten, die einen Schlaganfall erlitten haben oder mit neurodegenerativen Erkrankungen leben, eines Tages helfen, sich neurologisch zu erholen.

In den USA haben jedes Jahr fast 800.000 Menschen einen Schlaganfall erlitten und mehr als 130.000 Menschen sterben daran. Neurodegenerative Erkrankungen sind ebenfalls weit verbreitet, wobei 5 Millionen US-amerikanische Erwachsene mit Alzheimer-Krankheit, 1 Million mit Parkinson und 400.000 mit Multipler Sklerose leben.

Erfahren Sie mehr über Facebooks neueste Aufgabe: die Entwicklung von BCIs.

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