Lähmung heilen: Laufen mit Gedankenkraft

Gehirn-Computer-Schnittstellen helfen Querschnittsgelähmten und Locked-in-Patienten, sich wieder zu bewegen. Schon heute zahlen erste Krankenkassen dafür

von Michael Aust, aktualisiert am 16.12.2015

Gelenkt von Hirnströmen: Im „Roboteranzug“ lernt ein Gelähmter wieder zu laufen

Pressebild/BergmannsheilUniklinik/Jan Pauls

Es ist ein Unfall, der Christoph Boos dazu gebracht hat, sich mehrmals in der Woche in einen Robotermenschen zu verwandeln. Der Dachdecker aus Geldern am Niederrhein prallt im September 2014 mit seinem Motorrad auf ein Auto. Ein Hubschrauber fliegt ihn schwer verletzt in die Bochumer Klinik Bergmannsheil, er wird notoperiert. Als der damals 27-Jährige aufwacht, kann er nur noch seinen Kopf bewegen. Die erschütternde Diagnose: Querschnittslähmung.

Erst nach vier Wochen kehrt Gefühl in seine Arme und Hände zurück. Die Beine kann Christoph Boos immer noch nicht bewegen. Er leidet, wie etwa ein Drittel aller Querschnittsgelähmten, an einer inkompletten Lähmung: Reste von Impulsen, die das Gehirn sendet, kommen noch bei den Beinmuskeln an. Diese sogenannten myoelektrischen Signale allein wären jedoch zu schwach, um die Muskulatur zu bewegen. Hier setzt HAL ein (das Kürzel steht für "Hybrid Assistive Limb", zu deutsch: hybrides unterstützendes Körperglied): Der Roboteranzug ist der erweiterte Körper des Patienten, er liest das Signal ab und unterstützt das Laufen. Das Einzige, was Christoph Boos noch tun muss, ist die Bewegung zu denken. "Das erfordert einige Konzentration", sagt er. Eine halbe Stunde Training sei geistig etwa so anstrengend wie eine Stunde intensiver Lektüre.


90 Jahre alte Technologie

Das Auslesen von myoelektrischen Signalen ist derzeit eine der großen Hoffnungen der Medizin. Das Bochumer Zentrum für Neurorobotales Bewegungstraining, in dessen Backsteinbau unweit des Klinikums Bergmannsheil Christoph Boos trainiert, war 2012 eines der ersten Institute in Deutschland, das Exoskelette wie HAL einsetzte. Kurios, dass die Technik auf einer Methode fußt, die in der Medizin seit über 90 Jahren bekannt ist: der Elektroenzephalographie (EEG). 1924 setzte der Jenaer Neurologe Hans Berger erstmals einem Patienten Elektroden an den Schädel und verband diese mit einem hochempfindlichen Messgerät. Als Ergebnis erhielt er eine regelmäßige Kurve: ein Abbild der Hirnströme, jener Spannungsschwankungen, die durch die elektrische Aktivität des Gehirns an der Kopfoberfläche entstehen.

Auch der Roboteranzug HAL, produziert und vermarktet von der japanischen Firma Cyberdyne, misst elektrische Signale, allerdings nicht auf der Kopfhaut, sondern an Hüfte und Knie. Mehr als 20 Jahre brauchte Cyberdyne-Gründer Yoshiyuki Sankai für die Entwicklung des ersten marktfähigen Exoskeletts. Weil sich das gelähmte Bein wieder bewegt, senden die Muskeln auch wieder Impulse zurück ans Gehirn. Durch regelmäßiges Training erinnert sich dieses so immer besser daran, wie das Laufen funktioniert. Diese Rückkopplung ist es, die es Menschen wie Christoph Boos ermöglicht, zeitweise wieder mit einem Rollator – oder sogar ganz frei – zu gehen. Eine Querschnittslähmung könne man mit HAL zwar nicht heilen, sagt Dennis Grasmücke, Chirurg für Rückenmarkverletzungen am Bergmannsheil: "Aber wir können die Restfunktion soweit trainieren, dass der Patient im Alltag besser zurechtkommt."


Der Chip fürs Rückenmark

Cyberdyne ist nicht das einzige Unternehmen, das daran forscht, Querschnittsgelähmte mit Roboterhilfe wieder auf die Beine zu stellen. Der IT-Konzern IBM bezeichnete die Entwicklung von Maschinen, die mit Gedanken gesteuert werden können, kürzlich als einen der größten Techniktrends der nächsten Jahre. Die US-Firma "They shall walk" ("Sie sollen laufen") etwa will 2017 einen eigenen Stützroboter für den Alltag in Serie produzieren. Und auch anderen Menschen mit Behinderungen oder Krankheiten könnten Roboteranzüge bald helfen, etwa Menschen mit einer Muskeldystrophie oder Wachkoma-Patienten.

Exoskelette sind dabei nur die erste Stufe. An vielen Orten der Welt arbeiten Forscher daran, das nächste Level zu erreichen: den Mikrochip für das Rückenmark. Dieser könnte neuronale Impulse bereits an der Wirbelsäule abfangen und an ein Exoskelett weiterleiten. Erste US-Studien seien vielversprechend gewesen, sagt Theodor Bülhoff, Geschäftsführer von Cyberdyne Care Robotics in Bochum. Es sei nur eine Frage von Jahren, bis ein Rückenmark-Chip auf den Markt komme, der Gelähmten tatsächlich das Laufenlernen ermöglicht. "Daran wird mit Hochdruck geforscht. Das ist nicht mehr so weit weg, wie wir früher gedacht haben", sagt Bülhoff. Es wäre eine medizinische Sensation.

Brain Computer Interfaces mit viel Potenzial

Tatsächlich verzeichnet die Forschung bereits Erfolge. "Vom Rückenmark gibt es erste experimentelle Ableitungen an Affen und Menschen. Die führende Arbeitsgruppe sitzt in Japan um Professor Yukio Nishimura. Das funktioniert erstaunlich gut", sagt der Tübinger Neurobiologe Niels Birbaumer, einer der Pioniere auf dem Gebiet in Deutschland. Nishimura legte einem Patienten eine Art Neuro-Bypass direkt ins Rückenmark. Der Proband konnte seine Beine mit seinen Gedanken steuern, wie Nishimura in seiner Studie im "Journal of Neuroscience" 2014 berichtet hat.

Die nächste Stufe wäre das direkte Ablesen der Gedanken-Impulse im Gehirn. Dabei werden, zum Beispiel mit Hilfe einer Mütze mit EEG-Elektroden, Bewegungsimpulse direkt an der Kopfoberfläche abgelesen. "Sie denken die Bewegung, und mit dem Denken werden die Hirnzellen, die auch normalerweise die Bewegung steuern, aktiviert", erklärt Birbaumer. Diese Daten werden anschließend an eine Prothese oder einen Computer geleitet, der es in eine Bewegung oder eine Antwort übersetzt. "Sie umgehen also das motorische System", sagt Birbaumer.

Von Neuem Laufen lernen

Neuroingenieure der Universität von Kalifornien in Irvine verhalfen auf diese Weise kürzlich einem 26-Jährigen, der keine Muskeln unterhalb des sechsten Brustwirbels mehr beeinflussen kann, dazu, mehr als drei Meter weit selbstständig zu gehen. Zwar gestützt auf einen Rollator, aber ohne die Hilfe von Exoskeletten oder künstliche Gliedmaßen. Hoffnung bieten Brain Computer Interfaces (BCI), also Schnittstellen zwischen Gehirn und Computer, auch für Locked-in-Patienten und Menschen mit einer fortgeschrittenen Amyotrophen Lateralsklerose (ALS), die ganz oder teilweise in ihren Körper eingeschlossen sind. Birbaumer und sein Team konnten 2014 in einer eigenen Studie mit Patienten mit vollständiger Locked-in-Lähmung zeigen, dass diese "Ja/Nein"-Antworten mittels BCI allein durch Denken vermitteln konnten. "Das Sozialgericht Hamburg hat vor wenigen Wochen entschieden, dass die Gehirn-Computer-Schnittstelle aus unserem Institut für eine Komplett-Locked-in-Patientin von der Techniker Krankenkasse bezahlt werden muss", sagt Niels Birbaumer. "Die Barmer GEK hat eine andere unserer Patientinnen bereits mit dem Gerät versorgt und bei der AOK läuft zurzeit das Verfahren." Kostenpunkt pro Gerät: 50.000 Euro.

Diktat per Gedanken

Noch mehr ist möglich, wenn man die Signale nicht auf dem Kopf, sondern direkt im Gehirn abliest. 2015 gelang es Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie nach eigenen Angaben, in einem Experiment direkt aus den Gehirnströmen von Teilnehmern Laute, Wörter und Sätze zu rekonstruieren. Bei dem Versuch lag das Hirn der Probanden offen, weil diese sich einer Operation unterzogen, die sie von der schwersten Form der Epilepsie heilen sollte. Währenddessen legten die Forscher den Patienten ein Elektrodennetz direkt auf die Großhirnrinde. "Die dort empfangenen Schwingungen sind im Wesentlichen die gleichen, die ein EEG an der Kopfoberhaut misst", sagt der Informatiker Christian Herff, der an der Studie beteiligt war. "Nur eben viel genauer."

Die Forscher nahmen die gesprochene Sprache der Probanden auf und verglichen die Audiodaten mit den gemessenen Hirnströmen. So konnten sie einzelne Laute bestimmten Wellenmustern zuordnen. Zwar stehe die Forschung noch am Anfang, aber "der nächste Schritt wäre, das System auf vorgestellte Sprache zu erweitern", sagt Herff. Die Aktivitätsmuster bei gedachter und ausgesprochener Sprache seien sehr ähnlich. Sollte es irgendwann möglich sein, könnte das für vollständig gelähmte, sogenannte Locked-in-Patienten eine Befreiung sein, hofft Herff: "Sie könnten dann etwa ein Buch nur durch Vorstellungskraft diktieren."



Bildnachweis: Pressebild/BergmannsheilUniklinik/Jan Pauls

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