Medizintechnik: Bewegungsreize

Mit einer ganzen Palette technologischer und biochemischer Mittel versuchen Forscher, gelähmten Patienten die Macht über ihren Körper zurückzugeben.

Die Mäuse in dem kleinen Drahtkäfig sind jetzt wieder putzmunter, Bewegung macht ihnen sichtlich Spaß. Kaum etwas erinnert daran, dass Forscher ihnen kürzlich das Rückenmark fast vollständig durchtrennt hatten, sodass sie gelähmt am Käfigboden lagen. Doch jetzt wieseln sie umher und klettern sogar Leitern hinauf und wieder hinunter.

Martin Schwab, Neurobiologe an der Universität Zürich, hat das scheinbar Unmögliche möglich gemacht. Er blockierte die Bildung eines Enzyms, welches das Nervenwachstum behindert. In den kommenden Jahren will er das Gleiche am Menschen versuchen, wo die Mechanismen noch um einiges komplizierter sind. Wenn ihm dabei ähnliche Erfolge gelängen, würde das einen Durchbruch in der Behandlung von Querschnittgelähmten bedeuten. Doch bis dahin ist noch ein weiter Weg.

Schwabs geglücktes Mäuseexperiment ist nur einer aus einer ganzen Reihe von wissenschaftlichen Versuchen, durchtrennte Nerven wieder funktionsfähig zu machen. Während die einen dabei einen biochemischen Weg verfolgen, probieren es die anderen mit Gehirn-Computer-Schnittstellen, welche durchtrennte Nerven mit Technik überbrücken sollen. Erst vorvergangene Woche machte eine Gruppe um den Grazer Medizininformatiker Gert Pfurtscheller Schlagzeilen. Die Forscher hatten für einen vom fünften Halswirbel abwärts gelähmten Patienten einen „bioelektrischen Bypass“ entwickelt, mit dem dieser die Finger seiner gelähmten Hand per Gedankenkraft öffnen und schließen kann.

Noch ist nicht klar, ob und welche der beiden Schienen zu einem auch im Alltag praktikablen Erfolg führen wird, aber die Ansätze sind da wie dort viel versprechend.

Schon Anfang der neunziger Jahre hatte die Gruppe um Schwab entdeckt, dass durchtrenntes Rückenmark ein eigenartiges Enzym produziert, welches das Nervenwachstum behindert. Dieses Körpereiweiß bekam den bezeichnenden Namen „NoGo“. Einige Jahre später hatten Schwab und seine Forscherkollegen die diesbezüglichen biochemischen Vorgänge im Rückenmark so weit entschlüsselt, dass sie auf Basis von so genannten monoklonalen Antikörpern ein Medikament entwickeln konnten, welches die Bildung des NoGo-Proteins verhindert. Ratten und Mäuse, denen das Rückenmark zu 90 Prozent durchtrennt wurde, gewannen durch das neue Mittel bis zu 80 Prozent ihrer Bewegungsfähigkeit wieder zurück.

„Wir erforschen gerade die Toxikologie des Medikaments und werden dann mit den ersten Versuchen am Menschen beginnen“, sagt Schwab. Wann das geschehen wird, will er nicht verraten: „Ich will keine falschen Hoffnungen wecken.“ Pharmaexperten schätzen, dass Schwab, der seit drei Jahren mit dem Pharmakonzern Novartis zusammenarbeitet, innerhalb der nächsten zwei bis fünf Jahre mit ersten Patientenversuchen beginnen wird.

Gehirn im Rückenmark. Eine der wichtigsten Erkenntnisse der bisherigen Forschungsarbeiten lautet: Die Anpassungsfähigkeit des geschädigten Rückenmarks ist wesentlich größer als vermutet. Schon ein kleiner Teil an Restfunktion genügt, um zumindest wieder einfache Bewegungen zuvor gelähmter Gliedmaßen zu ermöglichen.

Studien zeigten etwa, dass das Rückenmark einen so genannten zentralen Rhythmusgenerator (central pattern generator) besitzt, der sich durch Bewegungssignale aus den Gliedmaßen aktivieren lässt. „Ist zumindest ein kleiner Teil der rund zwei Millionen Nervenfasern des Rückenmarkes nicht vollständig durchtrennt, kann dieses Bewegungsprogramm schon heute durch spezielle Bewegungstherapie mobilisiert werden“, sagt Volker Dietz, Professor für Paraplegtikbehandlung an der Züricher Uniklinik Balgrist.
Dabei werden die Beine der Patienten – zunächst unter weit gehender Gewichtsentlastung – manuell auf einem Laufband bewegt. Innerhalb eines mehrwöchigen Trainings lernen auf diese Weise viele Patienten, ihre Beine wieder ohne fremde Hilfe zu bewegen. Ein großer Teil kann danach selbstständig – wenn auch mühsam und nur über kurze Strecken – an Stöcken gehen. „Das erlaubt ihnen, sich zumindest zeitweise, etwa für Verrichtungen in der eigenen Wohnung, vom Rollstuhl zu lösen“, erklärt Dietz. „Sie gewinnen dadurch nicht nur an Lebensqualität, sondern können ihre Beinmuskeln auch regelmäßig trainieren.“

Selbst komplett querschnittgelähmte Patienten „können mittlerweile so weit mobilisiert werden, dass sie zumindest aufstehen oder behelfsmäßig gehen können“, sagt Winfried Mayr, Professor am Institut für Biomedizinische Technik und Physik am Wiener AKH. Mayr koordiniert das EU-Projekt „RISE“ („Stehauf“), an dem sich 18 internationale europäische Partner von Island über England bis Slowenien, Italien, Deutschland und Österreich beteiligen. Einer der ersten Erfolge der Wiener Forschergruppe: Sie konnte weltweit erstmals zeigen, dass Muskelmasse erhalten werden kann, auch wenn die Nervenversorgung des Muskels nicht mehr vorhanden ist. Etwa ein Drittel der Querschnittgelähmten leidet unter derartigen Versorgungsstörungen der Muskeln.

Trainingseffekte. Eduard Auff, Vorstand der Abteilung für Neurologie am Wiener AKH, leitet aus den bisherigen Forschungsergebnissen einen Auftrag an die Betroffenen ab: „Patienten dürfen sich nicht aufgeben, müssen die Zähne zusammenbeißen und üben, üben, üben.“ Die Übungen brächten in jedem Fall „einen sportlichen Trainingseffekt“, sagt Helmut Kern, Primarius an der Abteilung für Physikalische Medizin am Wiener Wilheminenspital.

„Herz-Kreislauf und Muskeln werden trainiert und die latente Gefahr von Druckgeschwüren an der Sitzfläche verringert.“
Neben diesen bewegungstherapeutischen Ansätzen versuchen Mediziner, Physiologen, Medizininformatiker und Neurobiologen mit immer gefinkelteren Methoden, gelähmten Patienten einen Teil ihrer verlorenen Lebensqualität zurückzugeben. Die Gruppe um den Grazer Medizininformatiker Pfurtscheller kombiniert Hirnforschung und Biomedizin auf höchstem Niveau. Das Grundkonzept: Denkt ein Patient an eine Bewegung seiner Hände oder Füße, entstehen im motorischen Zentrum des Gehirns ganz spezielle Gehirnströme. Über Elektroden am Kopf werden diese Wellen an einen Computer weitergeleitet und dort in ein Schaltsignal übersetzt. Der verstärkte Impuls kommt wieder über Elektroden an den nicht mehr über natürliche Nervenbahnen mit dem Gehirn verbundenen und daher gelähmten Muskel und bringt diesen zum Kontrahieren.

Sukzessive soll dieser bioelektrische Bypass nun weiterentwickelt werden. „Fernziel ist, damit auch Patienten zu helfen, die vom Kopf abwärts bewegungsunfähig sind“, sagt Pfurtscheller, der bei seiner Entwicklung eng mit der Universität Heidelberg zusammenarbeitete.

Die Heidelberger, Spezialisten für die so genannte „Funktionelle Elektrische Stimulation“ (FES), konnten bereits vor den Grazer Versuchen einige Erfolge vorweisen. Indem sie Elektroden in den Arm implantierten und das Steuersignal nicht direkt über das Gehirn, sondern von noch funktionsfähigen Muskeln abnahmen, konnten Patienten mit zuvor gelähmten Händen wieder greifen, einen Bleistift halten oder ohne fremde Hilfe essen. „Prinzipiell“, so sagt der Heidelberger FES-Experte Rüdiger Rupp, „könnten wir auch gelähmte Beine wieder reaktivieren.“

Man dürfe sich aber nicht der Illusion hingeben, dass durch Elektrostimulation ein „normaler Gang“ zustande zu bringen wäre. Weil die Muskeln durch die Stromstöße der implantierten Elektroden bloß im Gesamten und nicht nur fasernweise gereizt werden können, ermüden Patienten – anders, als das bei der Stimulation von Handmuskeln der Fall ist – schon durch ihr Eigengewicht äußerst rasch. „Auch wenn Elektroden in den Muskel implantiert werden, können Patienten selbst bei maximalem Muskeltraining gerade einmal 50 Schritte in einem roboterhaften Gang gehen“, erläutert Rupp.

Bei allen Erfolgen sind sich die Forscher einig, noch ziemlich am Anfang der Behandlungsmöglichkeiten zu stehen. Denn bis durch technologische Hilfe das Zusammenspiel zwischen gelähmten Muskeln, Rückenmark und Gehirn ohne Ruckeln und Zuckeln funktionieren können wird, sei noch viel Forschungsarbeit nötig.

Hilfe für Schwerstgelähmte. Doch manchmal sind es die für Gesunde in ihrem Wert schwer nachvollziehbaren kleinen Verbesserungen, die für Patienten große Bedeutung haben. Der Spezialist für „Brain-interfaces“, Niels Bierbaumer von der Universität Tübingen, befasst sich mit „Locked in“-Patienten, die durch Unfall oder Schlaganfall bei wachem Geist in einem völlig bewegungsunfähigen Körper eingesperrt sind. Er entwickelt Systeme, welche die Patienten in die Lage versetzen, dennoch mit der Außenwelt kommunizieren zu können: „Wenn ein Patient, der gerade noch seine Augenbraue bewegen kann, lernt, mit dieser oder mit Gedankenkraft einen Computer zu steuern, dann ist das für ihn ein neues Tor zur Außenwelt“, erläutert Bierbaumer. Dass mit den derzeit verfügbaren Systemen – Gehirnströme lenken auf einem Computerbildschirm einen Positionszeiger (Cursor) über eine Buchstabentafel – gerade einmal ein bis zwei Buchstaben pro Minute zu schaffen sind, ist den Patienten zumeist völlig egal. „Zeit spielt kaum eine Rolle, Hauptsache die Kommunikation funktioniert überhaupt wieder.“ Welch beachtliche Leistungen möglich sind, zeigte der Franzose Jean-Dominique Bauby. Nach einem Schlaganfall unfähig zu sprechen, zu schlucken oder nur einen einzigen Körperteil zu rühren, diktierte der ehemalige Journalist der Verlagslektorin Claude Mendibil nur mit dem Zwinkern seines linken Augenlides ein ganzes Buch. Mendibil hielt eine Tafel mit dem Alphabet, das nach der Häufigkeit des Vorkommens der einzelnen Buchstaben geordnet war, und Bauby blinzelte, wenn die Lektorin bei jenem Buchstaben angelangt war, den er jeweils benutzen wollte. Baubys Buch „Schmetterlinge und Taucherglocke“ wurde in Frankreich mehr als 300.000-mal verkauft und in 23 Sprachen übersetzt. Bauby starb wenige Tage nach Erscheinen seines Buches im März 1997. Doch Beispiele à la Bauby dienen Wissenschaftern wie Niels Bierbaumer als Ansporn dafür, ihre Forschungen weiterzutreiben.

Besonders in den USA wird mit Millionenaufwand an der Verbesserung von Gehirn-Computer-Schnittstellen gearbeitet. Und im Tierversuch haben Forscher bereits gezeigt, in welche Richtung die Entwicklung gehen könnte. Werden Gehirnwellen durch geeignete Elektroden nicht an der Schädeldecke, sondern direkt im Gehirn abgenommen, können Signale viel schneller und mit wesentlich weniger Fehlern von Computern interpretiert werden.

Millionenschwere Forschung. Miguel Nicolelis, Neurobiologe an der Duke University in Durham im US-Bundesstaat North Carolina, gehört dabei zu den Stars der Szene. Er verpflanzte Rhesusaffen hunderte von winzigen Elektroden ins Gehirn und konnte so Gehirnströme direkt aus dem motorischen Zentrum ohne störenden Einfluss von Schädelknochen oder Haaren an einen Computer weiterleiten. Dieser interpretierte die auftretenden „Denkmuster“ der Tiere, während diese sowohl via Bildschirm als auch mittels eines Steuerknüppels einen Roboterarm bedienten. Nach einer längeren Trainingsphase kappten die Forscher die Verbindung des Joysticks zum Computer – die Affen konnten den Roboterarm noch immer bewegen. Die direkt vom Gehirn an den Computer gesendeten Denkmuster hatten bereits die Steuerung des Roboterarmes übernommen.

„Als ein Affenweibchen plötzlich bemerkte, dass es für die Steuerung des Roboterarmes den Joystick eigentlich nicht mehr benötigte, legte es seine Hände in den Schoß und steuerte den Roboterarm nur mehr mit seinen Gedanken“, berichtet Nicolelis.

Mittlerweile interessieren sich für derartige Forschungen nicht nur Leute, die gelähmten Menschen helfen wollen. Die Liste der Sponsoren, die Nicolelis’ Forschungen unterstützen, deutet schon die Richtung der Interessen an: Gerade erst bekam der Wissenschafter Forschungsgelder über 20 Millionen Dollar zugesprochen. Die Hauptgeldgeber: das US-Militär und die Luftfahrtindustrie. Eine ganz spezielle Vision ist es, welche die üppigen Mittel fließen lässt: Gelänge es, mithilfe von Gehirnwellen einen F-15-Kampfjet zu steuern, ließe sich die Reaktionszeit des Piloten beträchtlich verkürzen, sodass raschere Flugmanöver möglich wären.

Der Grund dafür liegt in den rätselhaften Impulsen, die von jener Hirnregion ausgehen, welche die Motorik steuert. Sekundenbruchteile bevor ein Mensch eine Bewegung ausführt, entsteht im Gehirn ein so genanntes Bereitschaftspotenzial; das Gehirn weiß früher, was es tun wird. Experimente zeigten sogar, dass das Gehirn Bewegungen bereits auszuführen beginnt, bevor dem Menschen dazu überhaupt ein bewusster Wille „einfällt“. Gerade diese Gehirnwellen eignen sich besonders gut dazu, dem Computer verarbeitbare Signale zu übermitteln.
Mit Gedankenkraft steuernde Kampfjetpiloten sind aber nur ein Teil der militärischen Vision. Interesse zeigen Militärs auch an der Verknüpfung von Nervenzellen und Computerchips. Denn dies ließe prinzipiell die Möglichkeit zu, Gehirn und Computer zu verschmelzen – was an die Erschaffung von Mensch-Maschinen-Wesen, Cyborgs und Terminatoren denken ließe.

Prinzipiell ist dieses Experiment schon gelungen. 1991 koppelte das Team des Münchener Biotechnikers Peter Fromherz die Gehirnzelle einer Schnecke mit einem Computerchip. Ein paar Jahre später verstanden es die Forscher, die Nervenzelle via Ministrömen aus dem Chip zu reizen.

Doch die Entwicklung eines funktionsfähigen Biocomputers, der eine Verschmelzung von Mensch und Maschine zuließe und solcherart gelähmten Patienten wieder auf die Beine helfen würde oder martialische Cyborgs entstehen lassen könnte, ist noch in weiter Ferne. „Wir sind über die Grundlagenforschung noch nicht hinaus“, berichtet Neurowissenschafter Armin Lambacher, der in der Forschergruppe von Peter Fromherz arbeitet. Derzeit untersuchen die in München-Martinsried beheimateten Wissenschafter, wie sich Signale von Siliziumchips im Gehirn von Ratten ausbreiten. „Da gibt es noch viel zu entdecken, aber dass wir in Richtung Mensch oder gar an Anwendungen denken, das ist wohl noch Zukunftsmusik.“