Brain-Spine-Interface ermöglicht Gehen nach Rückenmarksverletzung

In einem kürzlich in Nature veröffentlichten Artikel validerten Forscher an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und des Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) in der Schweiz ein bahnbrechendes digitales Interface, mit dem ein Patient mit chronischer Tetraplegie wieder in der Lage war, zu gehen. Darüber hinaus hielten die neurologischen Effekte auch nach dem Ausschalten des Interfaces an.

Bei Rückenmarksverletzungen, bei denen die Neuronen im Rückenmark unterbrochen werden, kommt es zu schweren und dauerhaften Lähmungen. Die digitale Überbrückung der Läsion im Rückenmark zwischen Gehirn und Effektor markiert den Beginn eines neuen Kapitels in der Behandlung motorischer Defizite.

In der vorliegenden Studie führten die Forscher alle Experimente im Rahmen der „Stimulation Movement Overground (STIMO)-BSI“ Studie durch. Das Team testete und validierte die digitale Überbrückung der Rückenmarksläsion bei einem 38-jährigen Mann, der zehn Jahre zuvor eine inkomplette Halswirbelsäulenverletzung erlitten hatte. Das Studienteam begleitete den Teilnehmer drei Jahre lang.

Nachdem es innerhalb von nur wenigen Minuten kalibriert wurde, arbeitete das eingesetzte Hirn-Wirbelsäulen-Interface (Brain-Spine-Interface, BSI) zuverlässig über ein Jahr lang stabil. Zusätzlich zur Implantation des Interfaces durchlief der Patient ein fünfmonatiges Neurorehabilitationsprogramm.

Robotergestützte motorische Rehabilitation (Bildguelle: © AMELIE-BENOIST / IMAGE POINT FR / BSIP)

Das BSI bestand aus vollständig implantierten WIMAGINE Recording- und Stimulationssystemen, die drahtlosdie Unterbrechung der Verbindung zwischen der kortikalen Aktivität und der Muskulatur mittels analoger Modulation und epiduralen elektrischen Stimulationsprogrammen überbrückten. So konnte die Muskelaktivierung der unteren Gliedmaßen wieder hergestellt werden.

Außerdem entwickelten die Forscher präoperative Verfahren zur optimalen Positionierung der BSI-Implantate zu Rückenmark und Gehirn. Hierzu nutzten die sie zunächst die Computertomografie (CT) und die Magnetoenzephalografie (MEG), um funktionelle und anatomische Bildgebungsdaten zu gewinnen, mit deren Hilfe sie die Regionen der Großhirnrinde identifizieren konnten, die auf die Absicht, die unteren Gliedmaßen zu bewegen, besonders stark reagierten.

BIldgebende Verfahren zur Planung der Implantation (Bildquelle: © Tixel)

Anschließend luden sie die Position beider Implantate auf ein Neuronavigationssystem. Sie entließen den Teilnehmer 24 Stunden nach dem neurochirurgischen Eingriff. Ein gewichteter multilinearer Aksenova/Markov-Switching-Algorithmus kalibrierte das BSI in der ersten Sitzung nach dem Eingriff. Ein Reizverarbeitungs-Modell berechnete die Wahrscheinlichkeit der Absicht, ein Gelenk zu bewegen, und ein weiteres multilineares Modell sagte das Ausmaß und die Richtung der beabsichtigten Bewegung voraus. 

Dies ermöglichte dem Patienten, innerhalb von fünf Minuten nach der Kalibrierung die Aktivität der Hüftbeugermuskeln zu verfünffachen und ein Drehmoment mit einer Genauigkeit von 97 % im Vergleich zu Versuchen ohne BSI zu erzeugen. Mit der Zeit war der Patient in der Lage, bilateral die Bewegung jedes Gelenks mit einer Genauigkeit von 74±7 % zu kontrollieren. Die Decoderlatenz lag bei nur 1,1 Sekunden für die sieben Zustände.

Das Gehen in komplexem Gelände erfordert eine ausgewogene, sequenzielle Muskelaktivierung, um das Körpergewicht zu tragen, vorwärtszugehen und die Beine zu setzen. In der Neurorehabilitation entwickelte der Patient innerhalb von 40 Behandlungseinheiten die Fähigkeit, die Bewegungen der Gliedmaßen entsprechend zu steuern, Hindernisse zu überwinden und Rampen und Treppen zu erklimmen. Mit aktiviertem BSI kletterte er schließlich eine steile Rampe fast zweimal schneller hinauf und hinunter als ohne.


Gehtraining mit zweirädrigem Rollator als Hilfsmittel (Bildquelle: © GioRez)

Objektiv zeigte er eine verbesserte Steh- und Gehfähigkeit, was sich in einer Veränderung seines WISCI-II-Scores von 6 auf 16 niederschlug. Der Patient zeigte auch bei anderen Assessments, wie dem 10-Meter-Gehtest oder dem Sechs-Minuten-Gehtest, signifikante Verbesserungen.

Obwohl die Forscher die digitale Überbrückung der Rückenmarksläsion nur an einer einzelnen Person validierten, führen sie drei Gründe an, warum das Verfahren wahrscheinlich für eine Vielzahl von Patienten mit schweren Lähmungen aufgrund von Rückenmarksverletzungen von Nutzen sein kann:

  • Die physiologischen Prinzipien der epiduralen elektrischen Stimulation des Rückenmarks bei allen Personen mit vollständigen (oder unvollständigen) Verletzungen validiert.
  • Sie haben erfolgreich Methoden zur schnellen und stabilen Kalibrierung der Verbindung entwickelt, die es dem Patienten ermöglichen, das BSI zu Hause selbst zu bedienen.
  • Das Framework für die Hirndekodierung hat eine ähnliche Robustheit und Stabilität bereits bei zwei anderen Tetraplegikern gezeigt.

Originalpublikationen

Lorach, H. et al. (2023) "Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface", Nature. doi: 10.1038/s41586-023-06094-5. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06094-5

Mestais CS. et al. (2014) "WIMAGINE: Wireless 64-Channel ECoG Recording Implant for Long Term Clinical Applications", IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 23. 10.1109/TNSRE.2014.2333541. 
ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp

Bildquelle Header: © sofiko14

Der Autor

  • Jan Althoff

    Jan Althoff ist Physiotherapeut, hat einen M.Sc. in Neurorehabilitationsforschung und ist Auditor für Qualitätsmanagement im Gesundheitswesen. Er sammelte Erfahrung in internationalen Projekten im Bereich Rehabilitation, Entwicklung und Aufbau von Rehaeinrichtungen, Aus- und Weiterbildung von Therapeuten. Im April 2023 übernahm er die Redaktion des Magazins BODYMEDIA Physio.