„Habe nun ach! Philosophie, Juristerei und Medizin, und leider auch Theologie! durchaus studiert mit heißem Bemühn. Da steh ich nun, ich armer Tor! und bin so klug als wie zuvor; heiße Magister, heiße Doktor gar, und ziehe schon an die zehen Jahr herauf, herab und quer und krumm meine Schüler an der Nase herum – und sehe, dass wir nichts wissen können!

Das will mir schier das Herz verbrennen!“ 

- Faust I, S. 354–365

Prothesen mit Gefühl

Nach einer Amputation ringen viele Patienten nicht nur mit eingeschränkter Mobilität, sondern auch mit Phantomschmerzen. Künstliche Gliedmaßen, die sensorische Informationen an das Gehirn weitergeben, könnten Abhilfe schaffen.

Grafikerin: Meike Ufer
Grafikerin: Meike Ufer

Es war ein Tag im April 2006, der das Leben von Amanda Kitts aus Knoxville im US-amerikanischen Bundesstaat Tennessee grundlegend veränderte. Die junge Mutter war in ihrem Auto unterwegs, als sie von einem Monster-Truck angefahren wurde. Sie hatte Glück im Unglück – und überlebte den Crash. Doch als Kitts im Krankenhaus wieder erwachte, fehlte ihr der linke Arm ab dem Ellenbogen. Die Ärzte hatten ihn nicht retten können. Für die dynamische Frau brach eine Welt zusammen. Sie fürchtete, ihre Arbeit als Betreiberin dreier Kindertagesstätten aufgeben zu müssen, wurde traurig und depressiv. “Es brachte mich um, daran zu denken, dass ich niemals mehr meinen Sohn Casey und die Kinder umarmen können würde”, erinnert sie sich.

 

Die Sorgen waren keineswegs unbegründet. Zwar gibt es moderne Prothesen, die mit Hilfe der verbliebenen Muskeln grob gesteuert werden können. Dabei messen so genannte Myoelektroden die An- und Entspannung von Muskelgruppen, etwa des Oberarms, und setzen sie in einfache Bewegungen der Prothese um. Doch die Regulation der Kraft in den künstlichen Gliedmaßen ist schwierig. “Wenn Patienten etwa eine Mandarine fassen wollen, um sie mit der gesunden Hand zu schälen, kommt es nicht selten vor, dass sie die Frucht zerquetschen”, sagt Thomas Weiß, Psychologe und Prothetik-Forscher an der Universität Jena.

DAS WICHTIGSTE IN KÜRZE

 

·       Eine neue Generation künstlicher Gliedmaßen soll einerseits maximale Beweglichkeit ermöglichen, andererseits Phantomschmerzen lindern.

·       Entscheidender Punkt dabei ist, dass die Prothesen nicht gefühllos sind, sondern sensorische Informationen an Muskeln und Gehirn liefern.

·       US-Forscher haben einen künstlichen Arm entwickelt und auch schon an Amputations-Patienten erprobt, der allein durch Gedanken bewegt werden kann.

·       Künftige Modelle setzen auf eine direkte Verbindung zwischen Nervenbahnen und Technik.

Unterbeschäftigung im somatosensorischen Cortex

“Was den Patienten fehlt, ist ein sensorisches Feedback”, sagt Weiß. Denn erst die sensorischen Informationen von den Sinneszellen in unserer Haut ermöglichen es, den Druck der Hand und der Finger so zu regulieren, dass wir zum Beispiel ein rohes Ei fassen können, ohne selbiges zu zerbrechen, oder mit einem Stift auf einem Blatt Papier zu schreiben, ohne es einzureißen.

 

Hinzu kommt: Viele Menschen, denen eine Gliedmaße amputiert wurde, klagen später über Phantomschmerzen im fehlenden Arm oder Bein. Diese Schmerzen sind schwierig zu behandeln, ein ursächliches Heilmittel gibt es bis heute nicht. Lange Zeit hatten die Patienten zudem das Problem, von anderen mit ihren oft heftigen Schmerzempfindungen nicht ernst genommen zu werden: Denn wie kann denn ein Arm weh tun, der gar nicht mehr da ist?  Wenn die fehlende Hand schmerzt

 

Seit einigen Jahren jedoch mehren sich die Indizien, dass Phantomschmerzen für die Betroffenen sehr real sind – und auch neurobiologisch begründbar. Sie entstehen, weil die Hirnareale, die für den sensorischen Input aus der fehlenden Gliedmaße zuständig waren, keine Sinnesinformationen mehr erhalten. Auf eine Weise, die noch nicht genau erforscht ist, scheinen diese unterbeschäftigten Bereiche des somatosensorischen Cortex für Reize aus den Nachbarregionen des Gehirns empfindlicher zu werden. “Neuronen, die für Schmerz, etwa in der fehlenden Hand, zuständig waren, könnten solche Erregungen fehlinterpretieren und selbst feuern. Deren Signale aber werden vom Netzwerk wie gewohnt interpretiert und sorgen so für den Phantomschmerz”, sagt Weiß. Langfristig scheinen sich einzelne Hirnareale aufgrund der fehlenden Reize umzuorganisieren. “Da fragt man sich natürlich, ob man nicht die Umorganisation im primären somatosensorischen Cortex zurückdrängen könnte”, sagt Weiß. Und damit auch den Phantomschmerz.

Druckkontrolle mit Morsecode

Die naheliegende Idee: Die Prothesen selbst sollen den sensorischen Input liefern. Zahlreiche Forschergruppen rund um die Welt arbeiten auf dieses Ziel hin – und verfolgen dabei verschiedene Wege. Auch Thomas Weiß hat zusammen mit seinem Kollegen Gunther Hofmann von der Uniklinik Jena und mit Hilfe der Finanzierung durch die “Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung” eine solche “fühlende” Prothese entwickelt. Sie ist besonders für Unterarm-Amputationen geeignet. Zwischen Daumen und Zeigefinger sowie am Daumen der Prothese befinden sich Drucksensoren, die messen, wie stark die Kraft ist, die bei einem Griff ausgeübt wird.

 

Diese Informationen gelangen über Funk an eine Manschette, die am Oberarm befestigt ist. Dort werden die sensorischen Informationen in elektrische Signale umgewandelt, welche die Haut auf dem Oberarm stimulieren. “Das funktioniert wie eine Art Morsecode, über den der Patient lernt, wie hoch der Druck an den Fingern der Prothese ist, und dort gegebenenfalls nachjustieren kann”, erklärt Weiß.

 

Gleichzeitig erhält das Gehirn auch noch sensorischen Input von der Haut des Armstumpfs. “Diese Information gelangt zum primär-somatosensorischen Cortex und schränkt dort zumindest in Teilen die funktionelle Umorganisation ein.” Mit Erfolg: In ersten Testläufen mit 35 Probanden berichteten die Patienten von einer Verbesserung ihrer Phantomschmerzen um durchschnittlich 25 Prozent. “Vor allem Menschen mit starkem Phantomschmerz scheinen von der Methode sehr zu profitieren”, sagt Weiß.

Moderne Prothese mit Feedbackschleife. Copyright: Photo courtesy: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (JHU/APL)
Moderne Prothese mit Feedbackschleife. Copyright: Photo courtesy: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (JHU/APL)

Steuern nur kraft der Gedanken

Für Patienten wie Amanda Kitts jedoch käme seine Methode nicht in Frage. Ihre Amputation ist zu weit am Oberarm gelegen. Doch auch ihr wurde geholfen – und zwar von einem der führenden Neuroprothesen-Forscher der USA. Wenige Monate nach ihrer Amputation stießen Kitts und ihr Mann im Internet auf die Forschungsarbeiten des Neurologen Todd Kuiken aus Chicago. Kuiken ist Leiter des Neural Engineering Center for Bionic Medicine im Rehabilitation Institute of Chicago und fertigt Arm-Prothesen an, die allein mit Gedankenkraft gesteuert werden können.

 

Möglich macht dies eine ganz besondere Technik, die so genannte gezielte Reinnervation von Muskeln, die durch den Verlust des Arms nutzlos geworden sind: Der Arzt verlegt in einer aufwendigen Operation die Nerven aus dem Oberarm in die Brustwand, wo sie sich mit den Brustmuskeln verknüpfen. Über den Brustmuskeln wiederum sitzen Klebeelektroden, die Signale an eine spezielle Armprothese senden, welche auch die Schulter und die Hand rotieren kann. Denkt der Patient nun daran, seinen amputierten Arm zu bewegen, werden die Befehle hierzu über die umgeleiteten Nerven an die Brustmuskeln gesendet, die sich infolgedessen zusammen ziehen und dabei elektrische Signale abgeben. Das wiederum messen die Elektroden – und leiten den Befehl an die Prothese weiter.

 

Finanziert wird Kuikens Arbeit übrigens zu großen Teilen durch die DARPA, eine Behörde des US-amerikanischen Verteidigungsministeriums, die sich unter anderem mit militärischer Forschung beschäftigt. Viele von Kuikens Patienten sind Soldaten, die in Kampfeinsätzen ihren Arm verloren haben. Doch auch Amanda Kitts erhielt eine solche Prothese. Im Oktober 2006 unterzog sie sich der Operation, ein halbes Jahr später erprobte sie zum ersten Mal den künstlichen Arm, der bislang nur für Testzwecke eingesetzt werden darf, weil die klinischen Studien noch fehlen.

 

“Es war wunderbar”, sagt sie. “Ich musste nur an die Bewegung denken, und schon führte die Prothese sie auch aus.” In einem Video, das die Forscher von ihr machten, hebt sie zum Beweis ihren linken Arm, dreht die Prothesenhand und lässt den Greifer auf und zu klappen. Sogar Windeln wechseln und basteln könne sie inzwischen damit, erklärt die Kindergärtnerin Kitts. Anfangs habe sie Angst gehabt, wie die Kleinen auf ihren neuen Arm reagierten. Denn mit seinen Kabeln, dem großen Motor und dem Surren ist er nicht gerade unauffällig. Doch die Kinder seien fasziniert von ihrem Roboterarm, so Kitts.

Die Hand auf der Brust

“Das Geniale an der Methode von Kuiken ist, dass er die verschiedenen Anteile der Arm-Nerven so geschickt auf verschiedene Anteile des Brustmuskels vernäht, dass er die Nerven der einzelnen Finger auf dem Brustmuskel regelrecht kartieren kann”, erklärt Thomas Weiß. Bei einigen Patienten verpflanzt Kuiken zusätzlich sensorische Nerven der Hand in die Haut des oberen Dekolletés oder des Armstumpfes. “Wenn man dann die Haut dort berührt, fühlt es sich für die Patienten so an, als würde man die Hand und sogar einzelne Finger berühren”, sagt Todd Kuiken in einem Video der Pentagon-Nachrichten. “Das ist für uns schwierig zu begreifen. Aber es ist für uns ein Portal in das sensorische System.”

 

In einer weiteren Studie, die Anfang 2011 in der Zeitschrift Brain erschien, erweiterte Kuiken bei zwei Patienten die Prothese mit einem Druckfühler an der Kunsthand, der mit einem elektrischen Druckgeber für die reinnervierte Haut verbunden war. Sobald die Hand der Prothese berührt wurde, drückte dieser Stimulator leicht auf die Hautareale, die mit den Nerven für die verlorene Hand verbunden waren. Dann setzten die Forscher ihre Probanden an einen Tisch und berührten die Hand der Prothese, die auf dem Tisch in einer natürlichen Position ruhte. Konnten die Amputierten die Berührung sehen und spürten sie gleichzeitig den Druck des Stimulators, fühlte es sich an, als sei die Prothese Teil ihres Körpers. Auf solche Weise, so glauben die Forscher, könnten auch Prothesen eines Tages ein sensorisches Feedback an die Träger zurückgeben – und ihnen dadurch das Gefühl vermitteln, nicht nur ein mechanisches Werkzeug, sondern wirklich einen neuen Arm zu tragen.

 

Thomas Weiß ist sicher, dass die aktuellen Forschungserfolge nur Schritte auf dem Weg zu wesentlich ausgefeilteren künstlichen Gliedmaßen sind. “Derzeit arbeiten viele Gruppen daran, die verschiedenen Fasern der peripheren Nerven direkt mit künstlicher Technik zu verbinden”, sagt er. Bislang jedoch gibt es dabei Probleme mit Fremdkörperreaktionen und Vernarbung. Bis die gelöst sind, werden die Prothesen von Forschern wie Thomas Weiß und Todd Kuiken wohl noch eine Weile benötigt.

zum Weiterlesen:

·       Youtube-Video von Amanda Kitts und ihrem bionischen Arm; URL: http://www.youtube.com/watch?v=kDx64dyjSaI&feature=youtu.be [Stand: 11.07.2008]; zur Webseite.

·       Youtube-Video von Amanda Kitts und ihrem bionischen Arm; URL: http://www.youtube.com/watch?v=qyCLuVOmZxo&feature=youtu.be [Stand: 10.02.2009]; zur Webseite.

Gastbeitrag aus: Tanja Krämer

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