Was Science-Fiction war, ist jetzt wissenschaftliche Realität: Mit einer Reihe von gezielten Elektrozaps auf das Rückenmark konnten neun Gelähmte mit Hilfe eines Roboters sofort wieder gehen. Fünf Monate später brauchte die Hälfte der Teilnehmer diese Zaps nicht mehr zum Gehen.
Kommt Ihnen der Satz bekannt vor? Allein die Ergebnisse – obwohl unbestreitbar beeindruckend und absolut lebensverändernd – mögen wie alte Nachrichten erscheinen. Dank verbesserter Konstruktionen von Gehirnimplantaten konnten im letzten Jahrzehnt erstaunliche Fortschritte bei der Wiederherstellung der Mobilität von Menschen mit Lähmungen erzielt werden. 2018 ein 29-jähriger Mann ging die Länge eines ganzen Fußballfeldes dank ein paar Schlägen auf sein Rückenmark, nach Jahren der Lähmung durch einen Schneemobilunfall. Letztes Jahr Rückenmarkstimulation mehreren Menschen geholfen mit vollständiger Lähmung, um mit einem Rollator und einem Kajak in glatten Gewässern durch eine geschäftige Innenstadt zu schlendern.
Es besteht kein Zweifel, dass die Rückenmarkstimulation eine einst irreparable Verletzung in eine verwandelt hat, die jetzt rückgängig gemacht werden kann. Aber eine sich abzeichnende Frage bleibt: Warum funktioniert es?
A neue Studie in Natur hat uns nur ein paar Anhaltspunkte gegeben. Beim Erstellen einer molekularen 3D-Karte des Rückenmarks, während es sich von einer Verletzung erholt, fand das Team eine mysteriöse Gruppe von Neuronen, die sich an seinen Rand schmiegten. Sie sind eigenartig. Normalerweise werden diese Neuronen nicht zum Gehen benötigt. Aber in Fällen von Rückenmarksverletzungen explodieren sie nach ein paar elektrischen Stößen vor Aktivität und reorganisieren sich zu neuen neuronalen Autobahnen, die helfen, Bewegungen wiederherzustellen.
Die Lokalisierung dieser Neuronen ist nicht nur eine wissenschaftliche Kuriosität. Indem wir verstehen, wie sie funktionieren, könnten wir ihre elektrische Kommunikation und ihre inneren molekularen Abläufe nutzen, um noch ausgefeiltere Behandlungen für Lähmungen zu entwickeln.
„Die Menge an Hoffnung, die es Menschen mit Rückenmarksverletzungen gibt, ist unglaublich“, sagte Dr. Marc Ruitenberg von der University of Queensland, der nicht an der Studie beteiligt war.
An Drs. Kee Wui Huang und Eiman Azim vom Salk Institute for Biological Sciences, die nicht an der Studie beteiligt waren, zeigen die Ergebnisse, dass die Behandlung von Rückenmarksverletzungen mehrere Blickwinkel erfordert: Die Verbesserung der Implantattechnologie – das Herzstück früherer Bemühungen – ist nur eine Seite von der Geschichte. Die Analyse der Neurobiologie der Genesung ist die andere kritische Hälfte.
Die neue Studie zeigt, dass „Hochauflösende molekulare Karten des Nervensystems beginnen, Letzteres zu liefern.“
Bridging the Gap
Ich stelle mir das Rückenmark gerne als eine summende Autobahn vor. Jeder Abschnitt hat mehrere kleinere regionale Nervenbahnen, die zu verschiedenen Teilen des Körpers führen. Als Hauptinformationsleitung überträgt das Rückenmark Signale vom Gehirn an den Rest Ihres Körpers. Ein schwerer Sturz, ein Autounfall oder eine Sportverletzung können diese Autobahn beschädigen. Ähnlich wie bei einer Straßensperre kann der elektrische Verkehr, der Befehle an die Muskeln sendet – und sensorisches Feedback erhält – nicht mehr durchfließen.
Aber was wäre, wenn wir diese Straßenstürze mit einem Implantat künstlich überbrücken könnten?
Vor ungefähr einem halben Jahrzehnt begannen Wissenschaftler mit Experimenten mit einer Technik namens epidurale elektrische Stimulation (EES). Das Gerät besteht aus mehreren Elektroden und wird direkt über der äußersten Membran eingesetzt, die das Rückenmark einkapselt und schützt. Es fungiert als künstliche Brücke, die die verletzte Stelle umgeht. Ein paar Stöße können Neuronen in den gesunden Teilen des Rückenmarks aktivieren und Signale an nahe gelegene Nervenbahnen liefern.
Obwohl es eine der wenigen Behandlungen ist, die „bemerkenswerte Leistungsänderungen“ erzielt hat, hat EES mehrere Rückschläge erlitten, sagten Huang und Azim. Einer war das suboptimale Implantatdesign, da sie nicht auf Teile des Rückenmarks abzielen konnten, die für das Gehen wichtig sind. Eine andere war Software, die von Algorithmen angetrieben wurde, die das Rückenmark nicht auf eine Weise stimulierten, die seine natürlichen elektrischen Impulse nachahmte. Ironischerweise könnten diese Designs „unterbrochene sensorische Signale haben, die die Genesung fördern“, sagten Huang und Azim.
Von Menschen zu Mäusen
Um herauszufinden, wie EES Menschen hilft, sich von Lähmungen zu erholen, verfolgte die neue Studie einen unorthodoxen Ansatz: Sie testeten zuerst ein Gerät und ein Stimulationsmuster bei Patienten mit Lähmungen. Nach der Bestätigung ihrer Verbesserung wiederholte das Team die Behandlung bei Mäusen mit ähnlichen Verletzungen, um die für die Genesung verantwortlichen Zellen festzunageln. Das Paradigma ist eine radikale Abkehr von typischen Forschungsverfahren, die mit Mausmodellen beginnen, bevor sie in den Menschen übergehen.
Aber das Team unter der Leitung von Dr. Grégoire Courtine, Professorin für Neurowissenschaften an der EPFL, und Jocelyne Bloch, Neurochirurgin am Universitätsspital Lausanne (CHUV), haben ihre Gründe. Die Bekämpfung von Lähmungen ist beiden Wissenschaftlern nicht fremd. Führen der NeuroRestore Programm waren sie führend in der Entwicklung von Rückenmarksimplantaten, um Patienten dabei zu helfen, ihre Mobilität wiederzuerlangen.
In dieser Studie stimulierten sie zunächst neun Personen mit schwerer oder vollständiger Lähmung mit EES im Rahmen einer klinischen Studie. Sechs hatten ein Gefühl in ihren Beinen; die anderen drei hatten keine. Den beiden Gruppen wurde unterschiedliche Hardware implantiert, wobei die erste eine für die Schmerzbehandlung angepasste und die zweite eine entwickelte erhielt gezielt zum Laufen anregen. Unter Verwendung eines Stimulationsmusters, das den normalen Rückenmarkssignalen ähnelte, verbesserten oder erlangten die Teilnehmer sofort ihre Gehfähigkeit mit Hilfe eines Roboters, der ihr Gewicht unterstützte. Nach fünf weiteren Monaten Training lernten sie allmählich, ihr eigenes Gewicht zu tragen und konnten sogar mit Hilfe im Freien gehen.
Aber wieso? Überraschenderweise stellte das Team fest, dass EES zusammen mit körperlicher Reha den Energiebedarf für Teile des Rückenmarks verringerte, die das Gehen kontrollieren. Anstatt alle Neuronen im Rückenmark einzubeziehen, scheint EES nur auf eine ausgewählte Gruppe von Neuronen zugeschnitten zu sein – diejenigen, die entscheidend dafür sind, dass Patienten wieder gehen können.
Eine molekulare Karte der Genesung
Was sind diese mysteriösen Neuronen?
Das Team vertiefte sich und wiederholte die Behandlung von gelähmten Mäusen (und ja, es beinhaltete einen speziell angefertigten Roboter in Mausgröße, um ihr Körpergewicht zu unterstützen). Ähnlich wie Menschen erlangten die Mäuse sofort ihre Fähigkeit, mit eingeschaltetem EES zu gehen .
Als sie sich erholten, entnahm das Team Proben aus dem Rückenmark und sequenzierte Gene in über 80,000 einzelnen Zellen von 24 Mäusen, um zu sehen, welche Gene aktiviert waren. Der Standort war der Schlüssel: Die Untersuchung kartierte die Gene basierend auf dem Standort jeder Zelle im Rückenmark, die zusammen die erste molekulare Karte der Genesung bildeten.
Sie denken vielleicht, es ist ein Ungetüm von einer Datenbank. Glücklicherweise hatte das Team zuvor einen maschinellen Lernalgorithmus entwickeltm, das hilft, die Daten zu analysieren. Das Kreuz was Abgleich der Genexpressionsprofile mit bestimmten Zellen in unterschiedlichen biologischen Situationen. Eine bestimmte Population von Zellen namens V2a stand aus. Diese Neuronen waren in die Region des Rückenmarks eingebettet, die für das Gehen besonders wichtig ist, und obwohl sie vor der Verletzung nicht zum Gehen benötigt wurden, schienen sie nach EES vor Aktivität zu schießen.
V2a-Zellen sind mächtige Gatekeeper für die Erholung des Rückenmarks. In nachfolgenden Tests dämpfte die Verringerung ihrer Aktivität mithilfe von Optogenetik – einer Methode zur Steuerung von Neuronen mit Licht – auch die Erholung des Rückenmarks.
Es zeigt, dass „bestimmte Arten von Rückenmarksneuronen, die nach einer Verletzung ihren Input vom Gehirn verloren haben, ‚wiedererweckt' oder wiederverwendet werden können, um die Bewegung wiederherzustellen, wenn sie die geeignete Kombination aus Stimulation und Rehabilitation erhalten“, sagten Huang und Azim.
V2a-Zellen sind kaum eine Wunderwaffe zur Behandlung von Rückenmarksverletzungen und Lähmungen. Die Studie fand zahlreiche andere Neuronen – mit unterschiedlichen genetischen Signaturen – die mit EES aktiviert werden. Wie das Gehirn eine Rückenmarksverletzung umgeht, um ihre Verbindung wieder aufzubauen, ist ein noch tieferes Rätsel. Ob dieselben Neuronen bei der Wiederherstellung anderer alltäglicher körperlicher Bedürfnisse helfen – zum Beispiel Blasen- und Darmkontrolle – ist noch unbekannt, steht aber als nächstes auf der Liste des Teams, das untersucht werden soll. Zu diesem Zweck hat der Hauptautor ein Startup namens gestartet WEITER in den nächsten zwei Jahren einen neuen Versuch zu starten.
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