Fortschritte in der Medizin senden Signale der Hoffnung

Neue Technologien in der Medizin machen zuversichtlich, dass Menschen nach Unfällen oder Krankheit wieder ihre Bewegungsfähigkeit zurückgewinnen können.

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“Gehirn an Muskeln: Bewegung bitte!” 

So ungefähr stelle ich mir sehr vereinfacht vor, was passiert, wenn ich beim Klettern bin, beim Yoga in den herabschauenden Hund wechsle, einfach in die Tasten tippe oder einen Fuß vor den anderen setze.

Was aber, wenn dieses Signal vom Gehirn zu unserem Bewegungsapparat nicht mehr “durchkommt” oder falsch ankommt? Für Menschen mit Paralysis oder Krankheiten wie Parkinson oder ALS (amyotrophe Lateralsklerose) ist das Realität. Nun jedoch machen neue, KI-gestützte Technologien in der Medizin Hoffnung, dass das nicht so bleiben muss und Menschen durch neue operative Behandlungsmethoden wieder mehr Mobilität zurückgewinnen – und dadurch: Freiheit.

Wieder Laufen lernen

Es klingt zu gut, um wahr zu sein, oder auch wie das dubiose Versprechen einer Wunderheilung: Nach einer Querschnittslähmung wieder gehen können. 

Genau das aber durfte Gert-Jan Oskam erleben. 2011 erlitt der damals 28-Jährige einen Motorradunfall, bei dem sein Rückenmark verletzt wurde. Über zehn Jahre konnte Oskam seine Beine und zum Teil auch seine Arme nicht bewegen. Doch nun kann er wieder laufen. Eingeschränkt zwar, aber selbstständig – und sogar Treppensteigen.

Oskam war Proband einer klinischen Studie am Universitätsklinikum Lausanne unter der Leitung von Jocelyne Bloch und Grégoire Courtine. Die Ärzt:innen forschen schon seit Jahren an Wegen, Menschen mit Rückenmarksverletzungen ihre Mobilität zurückzugeben. Der Erfolg ihrer neuen Technologie bei Gert-Jan Oskam, zeuge von einem “Paradigmenwechsel” der medizinischen Möglichkeiten, erklärt Courtine begeistert.

“Ich kann mindestens 100, 200 Meter gehen, je nach Tagesform. Und ohne mich festzuhalten kann ich zwei, drei Minuten stehen. Letzte Woche gab es Malerarbeiten zu tun und niemand konnte mir helfen, also habe ich meinen Rollator genommen und habe selbst gemalt – im Stehen.”

Gert-Jan Oskam

Wie genau also funktioniert diese wundervolle Technologie? 

Die Ärzt:innen setzten Oskam zwei Implantate ein, eines an der Schädeldecke und eines in seinem Rücken. Das erste Implantat misst die Impulse des Gehirns und gibt sie an einen kleinen Computer weiter, den Oskam in einem Rucksack trägt. Der Computer übersetzt die vom Gehirn gesendeten Bewegungsimpulse in Stimulierungsbefehle. Diese werden in Echtzeit an das zweite implantierte System weitergegeben, das nun mit Hilfe von elektrischen Impulsen die Muskeln in den Beinen und der Hüfte aktivieren kann. 

Die sogenannte Gehirn-Rückenmarks-Schnittstelle kann damit das ersetzen, was durch die Verletzung des Rückenmarks nicht mehr möglich war: Dass die Befehle des Gehirns im Rückenmark ankommen und von dort unsere Bewegungen steuern. Die Mediziner:innen sprechen daher auch von einer Kommunikationsbrücke, die durch die Implantate hergestellt wird, einer “digitalen Brücke, die Gedanken in Handlungen übersetzt”.

Die Kraft der Gedanken – und der KI

Komplett neu ist diese Technologie nicht: Erste Experimente mit sogenannten “Brain Computer Interfaces” (deutsch: Gehirn-Computer Schnittstellen), kurz BCIs, die elektrische Signale des Gehirns über Computersysteme in Bewegungen von Körperteilen übersetzen können, wurden bereits in den 1970er Jahren durchgeführt. Seit Beginn der 2000er wurde die Technologie intensiv weiterentwickelt. Ein wichtiger Schritt war der Ansatz, Implantate direkt im Gehirn einzusetzen, wodurch Patient:innen nicht mehr mit äußeren Verkabelungen kämpfen müssen. Seitdem geht die Entwicklung in schnellem Tempo voran.

Die Organisation BrainGate testet seit 2009 in klinischen Studien den Einsatz von BCI-Technologien, um Menschen mit neurologischen Krankheiten, nach Verletzungen oder dem Verlust eines Körperteils wieder Mobilität und Unabhängigkeit zu ermöglichen. Über die Jahre konnten die Forscher:innen mehrere Durchbrüche feiern. Dazu zählt die Geschichte von Cathy Hutchinson. Die US-Amerikanerin war nach einem Schlaganfall vom Hals abwärts gelähmt. Durch ein Implantat in den Motorcortex, den Teil unseres Gehirns, der unsere Bewegungen steuert, war sie nach intensivem Training in der Lage, ihren Arm so gezielt zu bewegen, dass sie ein Glas zum Mund führen und eigenständig trinken konnte – zum ersten Mal nach 15 Jahren.

Das war 2012. Oskams Beispiel von 2023 zeigt, wie weit die Technologie seitdem vorangeschritten ist. In seinem Fall war ausschlaggebend, dass die Schnittstelle Algorithmen verwendet, die auf Methoden der künstlichen Intelligenz beruhen. Während Proband:innen sich zuvor intensiv konzentrieren mussten, um einen Bewegungsimpuls weiterzuleiten, können die Steuerimpulse des Motorkortex so direkt erkannt und in Echtzeit weitergegeben werden. Dabei sind sie so präzise, dass sogar einzelne Gelenke gezielt bewegt werden können. Für Oskam bedeutet das eine Bewegungsfreiheit, die er fast verloren geglaubt hatte:

“Es war ein langer Weg, aber jetzt kann ich aufstehen und ein Bier mit meinem Freund trinken. Viele Leute können nicht wissen, was das für eine Freude ist.”

Gert-Jan Oskam

Ein Beweis des Möglichen

Die neue Technologie baut auf einer anderen Technologie desselben Forscher:innenteams um Grégoire Courtine und Jocelyne Bloch auf. Bei diesem Ansatz wurden Menschen mit Querschnittslähmung am Rückenmark Elektroden implantiert, die durch kleine Impulse die Nerven stimulieren und Bewegungen der Beine bis hin zur Fortbewegung über kurze Strecken ermöglichen. Die Weiterentwicklung hin zur Vernetzung mit dem Gehirn, um die Kommunikation zwischen dem Neurocortex und den Muskeln wieder zu ermöglichen, ist für die Forscher:innen ein Durchbruch und der Beweis dafür, was durch neue Technologien alles möglich ist.

Allerdings ist Oskam auch ein besonderer Patient: Er hatte bereits drei Jahre vor dem Eingriff ein Implantat der Forscher:innengruppe zur Gangverbesserung genutzt, zudem verfügte er noch über einige motorische Funktionen, was die Erfolgschancen des neuen Implantats erhöhte. Seine Erfolgsgeschichte bedeutet darum nicht, dass derselbe Eingriff grundsätzlich oder im selben Ausmaß für Menschen mit Querschnittslähmungen funktioniert. Doch insbesondere wenn der Eingriff binnen kurzer Zeit nach einem Unfall erfolgt, sehen die Forscher:innen die neue Technik als potenziell vielversprechend.

Gleichzeitig ist der Ansatz, Elektroden zur Stimulierung der Nerven des Rückenmarks einzusetzen, weiterhin relevant – allerdings zukünftig wohl umso mehr für eine Gruppe, für die er nicht ursprünglich gedacht war. Denn kürzlich zeigte die Anwendung der Elektrodenimplantate bei einem Parkinsonpatienten große Erfolge.

Elektrisches Gefühl

Marc Gauthier wurde im Alter von 36 Jahren mit Parkinson diagnostiziert. Im Laufe der Jahre nahm seine Mobilität immer weiter ab. Er konnte nicht mehr laufen, kaum aufstehen oder gar allein das Haus verlassen. Das änderte sich, als er 2021 in Lausanne eine neue Neuroprothese eingesetzt bekam. Inzwischen kann Gauthier sich wieder eigenständig fortbewegen und seinem Alltag nachgehen. 

“Ich führe wieder ein normales Leben. Ich bin nach Brasilien gereist. Ich kann sogar spazieren gehen.”

Marc Gauthier

Seine “Wiedergeburt” verdankt Gauthier einer dünnen Folie mit insgesamt sechzehn Elektroden, die ihm die Ärzt:innen in dem Bereich an das Rückenmark einsetzten, der die Bewegung der Beine steuert. “Dafür mussten wir sie sehr genau positionieren, um jeden der Beinmuskeln symmetrisch zu aktivieren”, erklärt Jocelyne Bloch, die Leiterin des Eingriffs. “Dann haben wir diese Elektroden mit einem Stimulator oder einer Art Schrittmacher verbunden, der von außen programmiert werden kann. Es liegt also alles unter der Haut”.

Gauthier schaltet die Prothese morgens ein, ab dann senden die Elektroden den Tag über kontinuierlich Signale. Dabei ist die Prothese perfekt auf Gauthiers Bedürfnisse und Defizite eingestimmt: Da er am Anfang beim Gehen ein Bein nachzog, werden die Muskeln in diesem Bein nun stärker stimuliert als im anderen. Auch werden verschiedene Nervenstränge unterschiedlich stark angefunkt, um ein natürliches Gehen zu ermöglichen. Zum Treppensteigen klebt er sich spezielle Sensoren auf die Oberschenkel, die den Bewegungszustand der Beine an die Elektroden im Rückenmark schicken und so die Aktivierung der nötigen Muskeln ermöglichen.

Ein Stück Unabhängigkeit

Gauthier ist der erste Parkinsonpatient weltweit, bei dem diese Technologie eingesetzt wurde. Seitdem wird das Implantat im kleinen Rahmen auch an weiteren Parkinsonpatient:innen getestet.

Bei einer Parkinsonerkrankung ist im Unterschied zu einer Lähmung die Weiterleitung der Reize im Rückenmark nicht unterbrochen. Die Krankheit bedingt das Absterben von Zellen in speziellen Hirnregionen, wodurch die Nervenimpulse zunehmend abnehmen. Die Nerven im Rückenmark sind bei Parkinsonpatient:innen also vollkommen funktionsfähig, allerdings kommen aus dem Gehirn zu wenige oder falsche Signale an. Damit müssen die Signale, die von den Elektroden gesendet werden, nicht alle natürlichen Nervenimpulse ersetzen. Das macht die Technologie bei Parkinsonpatient:innen noch deutlich erfolgversprechender.

Für Gauthier war der Eingriff lebensverändernd: “Ich bin jetzt wieder unabhängig”, erklärt er. Eine Erfahrung, die in Zukunft hoffentlich viele weitere Patient:innen teilen können, wie Jocelyne Bloch betont:  

“Durch diese Therapie, wenn die Menschen wieder mehr Selbstvertrauen gewinnen können, wenn sie rausgehen können, bessere soziale Interakionen haben und mehr tun und erledigen können, erfahren sie eine enorme Verbesserung in ihrem Alltag und ihrer Lebensqualität.”

Jocelyne Bloch

Eine andere Brücke der Kommunikation

Menschen nach einer neuronalen Erkrankung wieder diese Teilhabe am Alltagsleben und der Gesellschaft zu ermöglichen, ist auch das Ziel einer weiteren Technologie, die BCIs anwendet. Hier steht jedoch nicht die Kommunikation zwischen dem Gehirn und den Gliedmaßen im Vordergrund, sondern die Kommunikation über Sprache. Sie richtet sich an Menschen, die nach Unfällen, Schlaganfällen oder durch Krankheiten wie ALS in ihrer Fähigkeit, sich über Sprache zu äußern, eingeschränkt sind.

Zwar gibt es bereits Technologien, die Hirnaktivität in Sprache übersetzen. Bislang jedoch waren solche Systeme meist sehr langsam und vergleichsweise fehleranfällig. Vergangenes Jahr konnten dann zwei Forscher:innengruppen unabhängig voneinander signifikante Fortschritte vermelden.

Ein Team an der University of California in San Francisco implantierte einer 47-jährigen Frau eine Art künstliches neuronales Netz aus 253 Elektroden über dem Hirnareal, das die Mundbewegungen steuert. Es übersetzt die elektrischen Signale beim Versuch zu sprechen. 

Die zweite Forscher:innengruppe der Universität Stanford nutzte bei einer Patientin mit ALS einen ähnlichen Ansatz, verwendete jedoch weniger Elektroden, die zudem feiner waren. So konnten sie ins Gehirn eingeführt werden und die Aktivität einzelner Nervenzellen erfassen.

Beide Ansätze wiesen eine Fehlerquote von unter 30 Prozent auf, was die Schwelle ist, ab der die Technologie als alltagstauglich gilt. Je nach Vokabular sank die Fehlerquote sogar unter 10 Prozent. Beim Ansatz der University of California “übersetzte” das System Sätze mit einer Geschwindigkeit von 78 Wörtern pro Minute in synthetische Sprache, bei der Patientin in Stanford mit einer Geschwindigkeit von 62 Wörtern pro Minute. Damit liegt die Geschwindigkeit zwar unter dem durchschnittlichen Tempo englischsprachiger Personen in den USA (150 Wörter pro Minute), aber deutlich über der Geschwindigkeit, mit der vorige BCIs Hirnaktivitäten in synthetische Sprache umwandeln konnten. Diese lag nämlich bei rund 18 Wörtern pro Minute. Die Geschwindigkeit hat sich damit mehr als verdreifacht.

Die Ergebnisse der beiden Studien sind darum ein “Meilenstein” für das gesamte Forschungsgebiet, wie Professor Chang von der University of San Francisco erklärt: “wir sind wirklich begeistert, weil [die Ergebnisse] von zwei verschiedenen Patienten, zwei verschiedenen Zentren und zwei verschiedenen Ansätzen stammen.”

“Für diejenigen, die nicht sprechen können, bedeutet dies, dass sie mit der Außenwelt in Verbindung bleiben können, vielleicht weiter arbeiten, Freunde und Familienbeziehungen pflegen können.”

Pat Bennett

Auch wenn die neuen Technologien jetzt sehr stark auf einzelne Individuen angepasst sind, senden die Resultate der Studien ein wichtiges Signal der Hoffnung, so Frank Willet, ein Autor der Stanforder Studie: “Mit diesen neuen Studien ist es möglich, sich eine Zukunft vorzustellen, in der wir Menschen mit Paralysis die Fähigkeit zurückgeben können, fließend zu kommunizieren und es ihnen ermöglichen, frei zu sagen, was auch immer sie sagen wollen, mit einer Genauigkeit, die hoch genug ist, um verlässlich verstanden zu werden.”

Noch einen Schritt weiter 

Dass sich die Methoden bereits jetzt immer weiter verbessern, bewies vor kurzem ein Forscher:innenteam an den Northwell Health’s Feinstein Institutes for Medical Research in New York. Sie kombinierten erstmals zwei “digitale Brücken”, um einem vom Hals abwärts gelähmten Mann das Gefühl in seinen Gliedmaßen zurückzugeben. 

Bereits 2021 begann das Team die Arbeit mit Keith Thomas, im März 2023 wurden ihm fünf Mikrochips mit insgesamt 224 Elektroden in die Gehirnregionen eingesetzt, die Bewegung und Gefühl in seiner rechten Hand und Fingern steuern. Die Elektrodenfelder schicken die elektrischen Signale seines Gehirns an einen Computer, der mittels KI die Muster der Gehirnaktivität in Absichten und die Absichten in Handlungen übersetzt: die entschlüsselten Signale werden an Elektroden auf Thomas’ Haut weitergeleitet, die die Muskeln stimulieren, die er für die beabsichtigte Bewegung braucht. Zusätzlich dazu platzierten die Ärzt:innen kleine Sensoren auf Thomas’ Fingerspitzen und Handfläche, die Informationen über Berührung oder Druck zurück ans Gehirn senden. So kann Thomas drei Jahre nach seiner Verletzung wieder etwas in seinen Fingern fühlen. 

Die wirkliche Innovation jedoch liegt im zweiten Schritt des Eingriffs, oder der zweiten “Brücke”. Diese sorgt dafür, dass Informationen über jede Bewegung, die Thomas macht, über den Computer an sein Rückenmark weitergeleitet werden. Dadurch wird der Kontakt zwischen seinem Gehirn und seinem Rückenmark wiederhergestellt – und sein Körper wird darin trainiert, wieder eigenständig zu fühlen und Bewegungen auszuführen. “Wir glauben, dass die elektrische Stimulation Nervenbahnen aktiviert, die seit drei Jahren beschädigt und untätig sind”, meint Chad Bouton, der Leiter des klinischen Trials. 

Bereits wenige Monate nach der Operation war Thomas in der Lage, seine Arme zu bewegen, ohne an den Computer angeschlossen zu sein und Berührungen an seinen Armen lokalisieren, außerdem beobachten die Ärzt:innen kleine natürliche Bewegungen in seinen Fingern.

Der Effekt ist ähnlich dem, was die Forscher:innen in Lausanne bei Gert-Jan Oskam wahrnehmen: Das Nervensystem kann sich durch die digitalen Brücken und die Stimulation zunehmend selbst regenerieren und langsam wieder eigene Impulse senden. Dass dies auch bei Thomas möglich ist, der im Unterschied zu Oskam vom Hals abwärts komplett paralysiert war, ist eine Bestätigung für die Forscher:innen, die an innovativen BCI-Systemen arbeiten. Ihre Hoffnung ist es nun, dass diese Ansätze vielen weiteren Patient:innen mit Paralysis, aber auch mit Einschränkungen durch Krankheiten wie Parkinson, Multiple Sklerose oder den Effekten von Schädel-Hirn Traumata helfen können, sich wieder eigenständig zu bewegen – und am Alltag und der Gesellschaft teilzuhaben.

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Beitragsbild: Tara Winstead via Pexels