Prothese lernt die Sprache der Neuronen

Bionische Prothesen lassen sich durch Gedanken steuern - doch wie können künstliche Arme die Signale der Nerven „verstehen“? Die Lösung von Wiener Forschern: Man nehme einen Muskel als Übersetzer.

„Wenn man einen Arm verliert, dann ist zwar sozusagen die Hardware verloren, aber die Steuerungssoftware und die Kabel sind noch vorhanden“, sagt Oskar Aszmann. Die „Steuerungssoftware“, von der der Prothesenforscher der MedUni Wien spricht, ist das Gehirn. Und die „Kabel“, das sind die Nerven, die das Gehirn mit Armen und Beinen verbinden. Aszmann und seinem Team ist es gelungen, Prothesen so an den Körper von sechs Patienten anzuschließen, dass sie sich durch Gedanken bewegen ließen.

Gedankensteuerung 2.0

Die Probanden mussten sich vorstellen, wie es wäre, ihre (nicht mehr vorhandenen) Hände und Finger zu bewegen. Resultat: Nach entsprechendem Training konnten sie mit ihren künstlichen Fingern tatsächlich greifen - und zwar deutlich besser als mit bisher üblichen Methoden. „Ich bin überzeugt davon, dass Patienten mit Hilfe dieser Technik einmal eine Orange schälen können“, sagt Aszmann gegenüber science.ORF.at.

Oskar Aszmann mit legt einem Patienten die Armprothese an
MedUni Wien/Houdek
Oskar Aszmann mit einem seiner Probanden

Die neue Methode löst gewissermaßen ein Übersetzungsproblem. Die Nervenimpulse sind bis heute nämlich nicht vollständig verstanden, praktischerwesie haben Muskeln die Fähigkeit, diese Signale in Bewegung zu übersetzen. Allerdings gibt es, wie Aszmann betont, „intelligente“ und „dumme“ Muskeln. Zur ersten Kategorie gehören all jene, die direkt für die Steuerung der Hände und Finger verantwortlich sind. Nur sind die eben nach einer Amputation, wenn überhaupt, nur noch in Rudimenten vorhanden. Prothesen, die bei diesen Überbleibseln ansetzen, waren daher limitiert - soll heißen: Die Patienten konnten ihre Finger nicht sonderlich präzise bewegen.

„Mit dem Brustmuskel Klavierspielen“

Sendungshinweis

Diesem Thema widemt sich auch ein Beitrag im Ö1-Mittagsjournal, 7.2.2017, 12 Uhr.

Aszmann hat daher mit Kollegen vom University College London einen Umweg gewählt. Er schloss Nerven wie den Nervus ulnaris („Das ist der Nerv, der für das Klavierspielen verantwortlich ist“) an den Brustmuskel an. Dieser kann zwar im Originalzustand nur anspannen und entspannen, durch die Signale des Nervus ulnaris wurde aus dem „dummen“ Brustmuskel indes ein feinfühliges Organ mit der Fähigkeit, subtile Bewegungen auszuführen. „Man könnte sagen, dass unsere Patienten gelernt haben, mit dem Brustmuskel Klavier zu spielen“, sagt Aszmann.

Wie der Wiener Mediziner im Fachblatt „Nature Biomedical Engineering“ schreibt, lassen sich diese Bewegungen wiederum in Steuersignale für Prothesen übersetzen. Die Methode, die das leistet, ist die sogenannte Elektromyografie. Sie kommt normalweise in der neurologischen Diagnostik zum Einsatz, leistet aber offenbar auch bei Prothesen wertvolle Dienste. Trotz dieses Fortschritts ist die Prothesenforschung noch weit davon entfernt, eine gesunde Hand vollständig ersetzen zu können, betont Aszmann. Der Hauptgrund dafür sei, dass wir mit den Händen quasi „sehen“ können: „Wenn Sie die Hand in die Hosentasche stecken, wissen Sie sofort, was sich darin befindet, da müssen Sie nicht extra in die Tasche schauen.“

Was Prothesen noch nicht können

Was auf diesem Weg bis jetzt möglich ist, hat der Österreicher Hubert Egger vorletztes Jahr gezeigt: Seine fühlenden Fußprothesen sind imstande, das Gehirn mit einfachen Druckempfindungen zu versorgen.

Das war ein wissenschaftlicher Durchbruch, so Aszmann, würde aber den sensiblen Fingern noch nicht viel bringen. „Wir können mit den Fingern Braille-Schrift lesen. Und wir spüren, wenn sich eine 0,1 Gramm schwere Fliege auf unsere Hand setzt. Das können wir mechatronisch nicht nachbauen - zumindest wird das in meiner Lebenszeit nicht möglich sein.“

Robert Czepel, science.ORF.at

Mehr zu diesem Thema: