Biomimetische Signale: Der Weg zu effektiveren Neuroprothesen

Die Forschungsgruppe um Stanisa Raspopovic vom Neuroengineering Lab der ETH Zürich hat bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von Beinprothesen gemacht, die über implantierte Elektroden direkt mit dem Ischiasnerv im Oberschenkelstumpf verbunden sind. Diese Prothesen ermöglichen es Amputierten, Druckbelastungen während des Gehens zu spüren, was das Vertrauen in das Ersatzkörperteil und die Mobilität auf unterschiedlichen Untergründen erhöht.

Raspopovic betont jedoch, dass "Im Unterschied zu unseren experimentellen Beinprothesen aktuelle Neuroprothesen noch nicht in der Lage sind, ein natürliches Gefühl zu erzeugen. Oft führen sie stattdessen zu unangenehmen Empfindungen wie etwa einem Kribbeln auf der Haut."

Die Forschenden der ETH Zürich schlagen vor, dass der Schlüssel zur Überwindung dieser Herausforderungen in der biomimetischen Stimulation liegt – der Nutzung von Signalen, die der natürlichen Nervenaktivität nachempfunden sind.

Um diese zu generieren, entwickelte Natalija Katic ein Computermodell namens FootSim, basierend auf der Aktivität von Mechanorezeptoren in der Fußsohle. Dieses Modell simuliert das Verhalten von Sinneszellen beim Gehen oder Rennen und erzeugt Nervensignale, die das Gehirn natürlich verarbeiten kann.

In Zusammenarbeit mit internationalen Forschungseinrichtungen führte Giacomo Valle, ein Postdoc aus Raspopovics Gruppe, Experimente an Katzen durch, um die Effektivität biomimetischer Signale zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigten, dass diese Signale ein Aktivitätsmuster im Rückenmark erzeugen, das echten Nervensignalen entspricht, im Gegensatz zu den Mustern, die durch herkömmliche Stimulationstechniken hervorgerufen werden.

Die Vorteile der biomimetischen Stimulation wurden auch in klinischen Studien mit Beinamputierten bestätigt. Die Probanden zeigten eine verbesserte Mobilität und konnten kognitive Aufgaben besser bewältigen, während sie sich bewegten. "Dank der biomimetischen Neurostimulation können sich die Probanden beim Gehen auch auf andere Dinge konzentrieren. Das zeigt uns, dass diese Art der Stimulation natürlicher verarbeitet wird und das Gehirn weniger belastet", erklärt Raspopovic.

Die Erkenntnisse aus der Forschung an der ETH Zürich könnten weitreichende Auswirkungen auf die Entwicklung zukünftiger medizinischer Geräte haben, einschließlich Wirbelsäulenimplantaten und Elektroden für die Hirnstimulation.

MEDICA.de; Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)