Revolutionäre Neurotechnologie zur Behandlung von Lähmungen

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Drei Patienten mit chronischer Paraplegie konnten dank genauer elektrischer Stimulierung ihres Rückenmarks über ein drahtloses Implantat wieder gehen. Im Rahmen einer in den Fachzeitschriften Nature und Nature Neuroscience veröffentlichten Doppelstudie zeigten die Wissenschaftler Grégoire Courtine (EPFL und CHUV/UNIL) und Jocelyne Bloch (CHUV/UNIL), dass die Patienten nach einigen Monaten Training die Muskeln ihrer bisher gelähmten Beine sogar ohne elektrische Stimulierung kontrollieren konnten.

Drei Paraplegiker, die vor zahlreichen Jahren Verletzungen am Rückenmark erlitten, können jetzt mit Krücken oder einem Rollator wieder gehen. Ermöglicht hat dies ein neues Rehabilitationsprotokoll, das eine gezielte elektrische Stimulierung des lumbalen Rückenmarks mit einer Therapie zur Unterstützung des Körpergewichts kombiniert.

Die neue, STIMO (Stimulation Movement Overground) genannte Studie steckt einen neuen therapeutischen Rahmen zur Verbesserung der Rehabilitation nach einer Rückenmarksverletzung ab. Alle an der Studie beteiligten Patienten erlangten die willentliche Kontrolle über ihre seit vielen Jahren gelähmten Beinmuskeln wieder. Im Unterschied zu den Entdeckungen zweier unabhängiger, in jüngster Zeit in den USA zu einem ähnlichen Konzept veröffentlichten Studien zeigt diese Arbeit, dass die neurologische Funktion auch über die Trainingssitzungen hinaus bestehen bleibt, selbst wenn die Elektrostimulation abgeschaltet wird. Die von der EPFL und dem Waadtländer Universitätsspital (CHUV) geleitete STIMO-Studie wurde in der Ausgabe vom 1. November 2018 der Fachzeitschrift Nature und Nature Neuroscience vorgestellt.

Richtig verstehen, dann handeln

«Unsere Entdeckungen basieren auf einem vertieften Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen, das wir über zahlreiche Jahre der Forschung am Tiermodell erworben haben. Auf dieser Grundlage ist es uns gelungen, in Echtzeit zu reproduzieren, wie das Gehirn auf natürliche Weise das Rückenmark aktiviert», erklärt Neurowissenschaftler Grégoire Courtine, dessen Labor (UPCOURTINE) sich an der EPFL befindet.

«Alle Patienten konnten innerhalb einer Woche mit Unterstützung ihres Körpergewichts gehen. Ich habe sofort begriffen, dass wir auf dem richtigen Weg waren», sagt die Neurochirurgin Jocelyne Bloch, die den Patienten die Implantate durch einen chirurgischen Eingriff eingesetzt hat.

«Zeitpunkt und Ort der Elektrostimulation sind entscheidend, damit der Patient willentliche Bewegungen durchführen kann. Das räumliche und zeitliche Zusammentreffen löst auch die Entstehung neuer Nervenverbindungen aus», erklärt Grégoire Courtine.

«Mithilfe spezifischer Elektrodenkonfigurationen werden bestimmte Bereiche des Rückenmarks aktiviert und so die Signale reproduziert, die das Gehirn aussenden würde, um das Gehen zu ermöglichen.»

Simulation so genau wie ein Schweizer Uhrwerk

Die Forschung hat ein beispielloses Präzisionsniveau bei der Elektrostimulation des Rückenmarks erreicht. «Die Stimulation muss so genau sein wie ein Schweizer Uhrwerk. Bei unserer Methode wird eine Reihe von Elektroden oberhalb des Rückenmarks implantiert, wodurch wir einzelne Gruppen von Beinmuskeln ansteuern können», erklärt Jocelyne Bloch. «Mithilfe spezifischer Elektrodenkonfigurationen werden bestimmte Bereiche des Rückenmarks aktiviert und so die Signale reproduziert, die das Gehirn aussenden würde, um das Gehen zu ermöglichen».

Für die Patienten bestand die Herausforderung darin, zu lernen, wie sie die Absichten ihres Gehirns für das Gehen mit der zielgerichteten Elektrostimulation koordinieren mussten. Lange dauerte dies allerdings nicht. «Alle drei Studienteilnehmer konnten nach nur einer Woche Kalibrierung gehen. Unterstützt wurden sie dabei durch ein Gurtzeug, das ihr Körpergewicht trug. Und die willentliche Kontrolle über die Muskeln hat sich in fünf Monaten Training enorm verbessert», sagt Courtine. «Das Nervensystem des Menschen hat noch stärker auf die Behandlung reagiert als wir erwartet hatten.»

Hilfe zur Selbsthilfe für das Gehirn

Die neuen, auf dieser Technologie basierenden Rehabilitationsprotokolle haben zu einer verbesserten neurologischen Funktion geführt. Im Gegensatz zum passiven Training mit einem Exoskelett können die Teilnehmer ihre natürliche Gehfähigkeit über lange Zeiträume hinweg im Labor aktiv trainieren.

Bei den Rehasitzungen konnten die drei Teilnehmer ohne Zuhilfenahme ihrer Hände mehr als einen Kilometer zurücklegen. Unterstützt wurden sie dabei durch die zielgerichtete Elektrostimulation und ein intelligentes System zur Stützung des Körpergewichts. Ausserdem spürten sie keine Muskelermüdung in den Beinen, sodass sich die Qualität der Gehbewegungen nicht verschlechterte. Die langen und sehr intensiven Trainings erwiesen sich als entscheidend, um eine Plastizität in Verbindung mit der körperlichen Betätigung auszulösen. Dabei handelt es sich um die Fähigkeit des Nervensystems, die Nervenfasern neu zu organisieren und so die Bewegungsfunktion zu verbessern, selbst wenn die Elektrostimulation unterbrochen wird.

Frühere Untersuchungen mit empirischeren Ansätzen wie der kontinuierlichen Elektrostimulation zeigten, dass eine begrenzte Anzahl Paraplegiker tatsächlich mit Gehilfen und Elektrostimulation einige Schritte machen konnten, aber nur über kurze Strecken und solange die Stimulierung aktiv war. Sobald diese unterbrochen wird, sind die Patienten sofort wieder gelähmt und können keine Beinbewegungen mehr ausführen.

Sebastian Tobler, Gert-Jan Oskam, Grégoire Courtine und David Mzee.

Nächste Schritte

Das von Courtine und Bloch gegründete Start-up GTXmedical wird diese Entdeckungen für die Entwicklung einer massgeschneiderten Neurotechnologie nutzen, die dieses Rehabilitationsparadigma in eine Behandlung für Spitäler und Kliniken auf der ganzen Welt verwandeln wird. «Wir arbeiten an der nächsten Generation der Neurotechnologie, die sehr bald nach der Verletzung getestet wird, wenn das Wiederherstellungspotenzial hoch ist und das neuromuskuläre System noch keine Atrophie aufgrund der chronischen Lähmung aufweist. Wir wollen eine für viele erschwingliche Behandlung entwickeln», sagt Courtine.

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