Patient mit Querschnittlähmung fühlt und bewegt Hand mit Brain-Computer-Interface

„Bei einer Querschnittlähmung können Rehabilitation, funktionelle Elektrostimulation oder Rückenmarkstimulation vorhandene Restfunktionen verstärken, aber vollständig unterbrochene sensomotorische Funktionen (Zusammenspiel sensorischer Wahrnehmung und motorischer Bewegung; Anm. d. Red.) nicht wiederherstellen. Gehirn-Computer-Schnittstellen setzen hier an, indem sie die Bewegungsabsicht direkt aus der Hirnaktivität auslesen und damit Muskeln und Bewegungen über Elektrostimulation oder robotische Hilfsmittel wie Prothesen steuern. Closed-Loop-Systeme sind besonders vielversprechend, weil sie nicht nur Befehle aus dem Gehirn ableiten, sondern Informationen über Berührung und Greifkraft an das Nervensystem zurückgeben. Diese Rückkopplung kann Bewegungen sicherer und präziser machen und möglicherweise auch plastische Veränderungen (Ausbildung und Verknüpfung neuer Verbindungen; Anm. d. Red.) im verbliebenen Nervensystem fördern. Solche Systeme sind deshalb eine intensiv erforschte Ergänzung bestehender Therapien, derzeit aber noch kein breit einsetzbarer Ersatz für Rehabilitation oder andere etablierte Hilfsmittel.“

„Die einzelnen Komponenten – intrakortikale neuronale Ableitungen (implantierte Mikroelektroden am Gehirn erfassen elektrische Signale von Neuronen; Anm. d. Red.), elektrische Muskel- und Rückenmarkstimulation, sensorische elektrische Hirnstimulation und eine motorisierte Orthese – sind für sich genommen nicht grundsätzlich neu. Besonders ist ihre Integration zu einem bidirektionalen Gesamtsystem, das sowohl unmittelbar Funktionen ersetzt als auch länger anhaltende Verbesserungen fördern soll. Bemerkenswert ist zudem, dass der Patient den eigenen Arm und die eigene Hand einsetzen konnte und nicht nur einen Roboterarm oder einen Cursor steuerte. Technisch interessant sind der über Monate stabile Decoder (Übersetzer neurologischer Signale in Steuerbefehle; Anm. d. Red.) und die automatische Regelung der Greifkraft, durch die selbst ein zerbrechlicher Gegenstand gehalten werden konnte. Das sogenannte ‚cortical mirroring‘ (Aktivierung von Spiegelneuronen, die bei tatsächlicher und beobachteter Handlung feuern; Anm. d. Red.) zur Förderung einer anhaltenden sensorischen Plastizität ist besonders innovativ, bislang aber auch der experimentellste und am wenigsten abgesicherte Teil des Ansatzes.“

„Für diesen einzelnen Patienten sind die erzielten Alltagsfunktionen, etwa selbstständiges Trinken und Essen, eindrucksvoll und persönlich wahrscheinlich sehr bedeutsam. Wichtig ist jedoch die Unterscheidung: Die länger anhaltende motorische Verbesserung betraf die bereits teilweise erhaltene Ellenbogenbeugung und trat während Rückenmarkstimulation und Training auf. Eine eigenständige willkürliche Handbewegung wurde nicht wiederhergestellt; für das Greifen waren weiterhin die implantierte Schnittstelle, elektrische Stimulation beziehungsweise eine motorisierte Orthese erforderlich. Auch die anhaltende sensorische Verbesserung beschränkte sich auf einen Bereich am Handgelenk, während an Daumen und Fingern keine wiederhergestellte natürliche Sensibilität nachweisbar war.“

„Der personelle, apparative und finanzielle Aufwand für diese Studie ist enorm. Hier mussten mehrere Hirnimplantate, individuell angepasste Stimulationsmuster, externe Geräte, eine Spezialorthese und ein hochqualifiziertes Team zusammenwirken. Das kann man nicht auf große Patientengruppen skalieren. Der Wert dieser und vergleichbarer Studien liegt für mich darin, die erfolgversprechendsten Wege zu identifizieren, auf denen spürbare Verbesserungen für Menschen mit Querschnittlähmung und anderen Erkrankungen des Nervensystems zu erzielen sind. In einem nächsten Schritt sind dann eine Nutzung zu Hause mit weitgehend automatischer Kalibrierung, robuste drahtlose und tragbare Komponenten, einfache Bedienung sowie eine langfristig gesicherte technische und medizinische Betreuung sicherzustellen. Wenn das gelingt – ich bin da optimistisch – erscheint eine Nutzung dieser neuen Technologien auch für größere Patientengruppen möglich.“

„In den vergangenen zwei Jahren sind einige Medikamentenstudien, eine davon auch in Europa, mit vielversprechenden Ergebnissen abgeschlossen worden [1]. Diese Studien zeigen, dass bei Menschen mit einer inkompletten Rückenmarkverletzung und noch erhaltenen Willkürbewegungen unterhalb der Verletzungsstelle von einer frühen Gabe von neuroregenerationsfördernden Medikamenten in geringem Ausmaß profitieren. Allerdings zeigen die Studien auch, dass bei schwerer betroffenen Menschen, wie bei dem in die Studie eingeschlossenen Patienten, mit medikamentösen Methoden keine Verbesserungen zu erreichen sind. Hier sind neurotechnische Assistenzsysteme wie die closed-loop-Neuroprothese für eine Funktionsverbesserung alternativlos. Besonders wichtig ist diese Funktionsverbesserung bei Menschen mit einer Verletzung im Halsmarkbereich und ausgefallener Greiffunktion, weil diese in erheblichem Maße von Hilfspersonen abhängig sind und jede Form der Verbesserung der Handfunktion einen Schritt in Richtung Selbständigkeit darstellt.“

„Bei dem vorgestellten System handelt es sich um eine komplexe Kombination aus einer Reihe von Teilsystemen. Die in der Studie nachgewiesen erfolgreichen Hardwarekomponenten sind folgende: Erstens, in den primären Motorcortex des Gehirns eingebrachte Elektrodenarrays (Trägerstruktur mit vielen kleinen nah beieinander liegenden Elektroden; Anm. d. Red.), die die Nervenzellaktivitäten aufzeichnet und erkennt, ob die Person seine Hand öffnen oder schließen möchte. Zweitens, eine Kombination aus einer Orthese und Elektroden auf dem Unterarm zur Erzeugung der Handöffnung und -schließung. Und drittens, weitere drei Elektrodenarrays im sensorischen Cortex, mit denen Nervenzellen stimuliert und damit Empfindungen generiert werden, die dem Nutzer eine Berührung an Zeigefinger oder und Daumen suggerieren. Eine wirklich neue Komponente ist ein auf künstlicher Intelligenz basierender Algorithmus, der aus den detektierten Gehirnsignalen ein Steuersignal für die Handorthese erzeugt, so dass der Nutzer ein leeres Ei mit konstanter Kraft greifen konnte, ohne es zu zerquetschen oder zu verlieren. Durch die konsequente Nutzung des Systems hat sich das willkürliche Berührungsempfinden am Handgelenk des Studienteilnehmers etwas verbessert.“

„Ich sehe das Hauptziel der Studie im Nachweis der grundsätzlichen Machbarkeit des Ansatzes einer Brain-Computer Interface (BCI) kontrollierten Orthese mit biomimetischer (biologische Prozesse, Strukturen oder Baupläne nachahmen; Anm. d. Red.) sensibler Rückmeldung. Es geht aus meiner Sicht weniger darum zu zeigen, dass ein Nutzer mehr Unabhängigkeit bei Alltagsaufgaben gewinnt. Wenn das das Ziel gewesen wäre, dann hätte man den Nutzer nicht nur leere Eier greifen, sondern eine Reihe von Alltagsaufgaben ausführen lassen. Vor allem hätte man ihn im Sinne einer nutzerzentrierten Entwicklung nach der Einschätzung der Nutzbarkeit im Alltag gefragt.“

„Ich halte generell solche Studien für wichtig, zeigen sie doch, dass für eine erfolgreiche Wiederherstellung von feinmotorischen Bewegungen auch immer eine Wiederherstellung des Berührungsempfindens dazugehört. Aus dem Bereich der Prothetik weiß man, dass Nutzer eine (Neuro-)Prothese viel mehr als Teil ihres Körpers akzeptieren, wenn diese auch Berührungsempfinden vermittelt. Ob im vorliegenden Fall allerdings unbedingt die Implantation von hochinvasiven Gehirnelektroden nötig gewesen wäre, bezweifle ich stark. Zumal mit zwei der drei Stimulationselektroden keine sinnvollen Berührungsempfindungen ausgelöst werden konnten. Aus eigenen Forschungsarbeiten mit nicht-invasiven BCI-kontrollierten Greifneuroprothesen weiß ich, dass die Kontrolle einer Handöffnung und -schließung zum Beispiel über kontralaterale Schulterbewegungen und eine sensible Rückmeldung über Vibrationen im nichtgelähmten Bereich am Nacken erfolgen kann.“

„Prinzipiell bestätigt die Studie weiterhin Ergebnisse aus einer Vielzahl von Vorgängerstudien, dass für eine verbesserte Erholung von sensorischen oder motorischen Funktionen noch genügend Nervenfasern im und aus dem Rückenmark erhalten sein müssen. Da es hier große individuelle Unterschiede bei Patienten mit hoher Querschnittlähmung gibt, sind die bei diesem einzelnen Studienteilnehmer erzielten Ergebnisse in keiner Weise auf andere Betroffene übertragbar.“

„Ein großer Kritikpunkt an den verwendeten Gehirnelektroden ist deren zeitlich begrenzte Funktionsfähigkeit, weil sich die Elektrodenspitzen mit der Zeit auflösen. Neuste Ergebnisse zeigen aber [2], dass in Einzelfällen 60 Prozent der Elektroden auch noch nach zehn Jahren funktionsfähig sein können und damit Empfindungen stimuliert werden können. Ob allerdings eine anatomisch korrekte Rückmeldung mit 40 Prozent ausgefallenen Elektroden möglich sein wird, ist unklar.“

„Die vorliegende Arbeit zeigt aber, dass aufwendige Algorithmen der künstlichen Intelligenz eine zwar nicht perfekte, aber zumindest stabile Funktion über Wochen ohne den Bedarf einer Rekalibration ermöglichen. Das ist eine wichtige Voraussetzung für die Langzeitanwendung. Allerdings muss das System jeden Tag neu verkabelt und die nichtinvasive Handorthese zur Grifferzeugung vor der Nutzung angezogen und justiert werden. Das macht die Handhabung sehr aufwändig und fehleranfällig. Aus meiner eigenen Erfahrung mit der Heimanwendung von Greifneuroprothesen werden solche Systeme von Betroffenen nur akzeptiert, wenn sie außer dem Ein- und Ausschalten keinen spezifischen technischen Sachverstand erfordern. Beim aktuellen Stand der Forschung ist es bis dahin aber noch ein weiter Weg.“

„Bei einer kompletten Querschnittlähmung können wir heute zwar Komplikationen behandeln und durch intensive Rehabilitation Funktionen verbessern, eine gezielte Wiederherstellung komplexer Handbewegungen ist jedoch bislang kaum möglich. Genau hier setzen neurotechnologische Closed-Loop-Systeme an. Sie lesen die Bewegungsabsicht direkt aus dem Gehirn aus und geben gleichzeitig sensorische Informationen zurück. Das ist entscheidend, denn Greifen ist keine Einbahnstraße: Jede Bewegung erzeugt unter normalen Umständen kontinuierliche sensorische Rückmeldung. Erst wenn Motorik und Sensorik in einem geschlossenen Regelkreis zusammenwirken, entsteht eine natürliche und präzise Kontrolle. Dieses Zusammenwirken ist nach einer Rückenmarksverletzung oder einem Schlaganfall gestört. Langfristig könnten Closed-Loop-Systeme nicht nur Funktionen ersetzen, sondern auch die Erholung neuronaler Netzwerke fördern – ein Ansatz, den wir auch seit vielen Jahren an der Charité verfolgen.“

„Das Besondere an dieser Arbeit ist nicht eine einzelne technische Innovation, sondern die intelligente Kombination mehrerer Ansätze zu einem therapeutischen Gesamtsystem. Erstmals werden ein invasives Brain-Computer-Interface, Rückenmarksstimulation, sensorisches Feedback und lernende Algorithmen so miteinander verknüpft, dass sie sich gegenseitig ergänzen. Damit verschiebt sich der Fokus von der reinen Assistenz hin zur Rehabilitation. Das System soll nicht nur gelähmte Funktionen überbrücken, sondern die Voraussetzungen schaffen, dass sich das Nervensystem selbst wieder reorganisieren kann und letztlich erholt.“

„Die erzielten Verbesserungen sind für einen Patienten mit chronischer kompletter Tetraplegie (schwere Form der Querschnittlähmung, bei der beide Arme und Beine sowie der Rumpf motorisch und sensorisch betroffen sind; Anm. d. Red.) außergewöhnlich. Besonders beeindruckt mich, dass der Teilnehmer nicht nur seine eigene Hand wieder für alltagsrelevante Tätigkeiten wie Trinken oder Essen einsetzen konnte, sondern dass sich auch Funktionen verbesserten, die über die eigentliche Nutzung des Systems hinaus anhielten. Gleichzeitig muss man aber bedenken: Es handelt sich um eine erste Machbarkeitsstudie an einem einzelnen Patienten. Solche Studien zeigen, was prinzipiell möglich ist, aber ersetzen keine klinischen Wirksamkeitsnachweise in größeren Patientengruppen.“

„Die größte Herausforderung ist heute nicht mehr die grundsätzliche Machbarkeit, sondern die Übersetzung in die klinische Routine. Das vorgestellte System ist technologisch hochkomplex und derzeit nur in spezialisierten Zentren einsetzbar. Gleichzeitig gibt es berechtigten Optimismus: Eine parallel veröffentlichte Langzeitstudie zeigt erstmals, dass die stimulierenden kortikalen Elektroden über einen Zeitraum von bis zu zehn Jahren funktionell bleiben können, ohne schwerwiegende sicherheitsrelevante Probleme zu verursachen [2]. Das ist ein wichtiger Meilenstein für die klinische Translation. Bis zu einer sicheren Heimanwendung sind aber noch einige Entwicklungsschritte erforderlich, unter anderem vollständig implantierbare Systeme, eine weitgehend automatische Kalibrierung und eine deutlich einfachere Handhabung. Bemerkenswert ist, dass in der Studie nicht möglichst viele Elektroden entscheidend waren, sondern die richtigen. Das stimmt mich optimistisch, dass sich die zugrunde liegenden therapeutischen Prinzipien künftig auch mit nicht-invasiven Neurotechnologien nutzen lassen. Wir entwickeln in unserer Forschung nicht-invasive Closed-Loop-Systeme, die auf denselben neurobiologischen Prinzipien beruhen, jedoch ohne operative Implantation auskommen. Das könnte den Zugang für Patientinnen und Patienten deutlich erleichtern und die Überführung solcher Verfahren in die klinische Regelversorgung beschleunigen.“

„Der Artikel ist spannend und das Ergebnis von komplexer langjähriger Forschung.“

„Im Moment spielen die technischen Ansätze in der Klinik noch kaum eine Rolle – sie sind extrem aufwändig und damit auch teuer, rein experimentell und sie wurden nur an maximal einer Handvoll Menschen erprobt. Das bedeutet, dass für die Masse unserer Patienten und auch für die Spezialkliniken diese Methodik schlicht nicht zur Verfügung steht. Bis es soweit ist, müssen wir die Patienten wie bisher behandeln. Dieser Punkt ist wichtig, da sich bei entsprechenden Medienberichten die Patienten oft an uns wenden, um zu erfragen, ob – und warum nicht – dieser Ansatz für sie in Frage kommt.“

„Unzweifelhaft ist die Arm- und Handfunktion für ein selbstbestimmtes Leben unersetzlich. Nicht nur die der Hand, man muss die Hand auch im Raum platzieren können und dafür ist der ganze Arm relevant.“

„Es gibt schon seit Jahren Technologien – auch unter Einsatz eines Brain Computer Interfaces –, mit der zum Beispiel über die Stimulation einzelner Nerven im Arm funktionelle Bewegungen der oberen Extremität erzeugt wurden. Allerdings nach meiner Kenntnis noch nie mit einem ‚Feedback‘ der ausgeübten Kraft. Das ist aus meiner Sicht hier ein ganz wesentlicher neuer Baustein.“

„Der rasante Fortschritt im Verständnis Hirnstimulation und bei der Implantationstechnik ist mehr als erfreulich, aber sicher noch einige Zeit von der klinischen Praxis entfernt.“

„Die Studienergebnisse sind sehr spannend und wohl auch ziemlich stabil. Besonders interessant ist, dass die verfügbare Funktion offenbar als Folge der Technik auch messbare Vorteile hat, wenn das System gar nicht genutzt wird. Dies bedeutet, dass es nicht nur ein technisches Hilfsmittel zum Behinderungsausgleich ist, sondern auf eine neuartige Behandlungsmethode, die hilft, den Schaden unmittelbar positiv zu beeinflussen.“

„Klinisch einsetzbar wird das System, wenn es auch außerhalb einer derart aufwendigen Betreuungssituation benutzt werden kann. Davon ist es noch ein Stückweit entfernt. Aber Hirnstimulation – das heißt das Platzieren von Elektroden im Hirn – ist ja in anderen Bereichen bereits klinischer Alltag, zum Beispiel zur Parkinsonbehandlung. Dieser Ansatz ist viel komplexer, aber die Arbeit zeigt: machbar.“

„Dass die Elektroden halten können, ist wichtig und nicht selbstverständlich. Die Narbenbildung, sukzessives Versagen der implantierten Elektrode und Infektionsprobleme an der Kabeleintrittstelle in den Körper sind bekannte Probleme und gerade im Hirn nicht so einfach zu reparieren. Die publizierten Elektrodenergebnisse sind sehr gut [2].“