Neuroprothesen simulieren Nervenaktivität in Fußsohlen

Forschungen an der ETH Zürich haben gezeigt, dass Neuroprothesen, die an das Nervensystem angeschlossen sind, effektiver arbeiten, wenn sie biomimetische Signale verwenden. Dabei handelt es sich um Signale, die der Natur nachempfunden sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Beinprothesen, die lediglich als Stütze dienen, sind die Prothesen des Forschungsteams um Stanisa Raspopovic mit dem Ischiasnerv im Oberschenkelstumpf verbunden.

Das ermöglicht es den Neuroprothesen, dem Gehirn Informationen zu übermitteln, wie zum Beispiel die sich ständig ändernde Druckbelastung an der Fußsohle der Prothese. Dies führt dazu, dass die Probanden dem Ersatzkörperteil mehr Vertrauen schenken und schneller auf schwierigem Untergrund gehen können.

Die aktuell erhältlichen Neuroprothesen sind jedoch noch nicht in der Lage, ein natürliches Gefühl zu erzeugen und führen oft zu unangenehmen Empfindungen wie Kribbeln auf der Haut. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass sie regelmäßig wiederholende elektrische Impulse zur Stimulation des Nervensystems verwenden, was als unnatürlich und ineffizient angesehen wird. Die Forscher der ETH Zürich schlagen daher vor, bei der Entwicklung der nächsten Generation von Neuroprothesen auf biomimetische Stimulation zu setzen.

Um solche biomimetischen Signale erzeugen zu können, hat Natalija Katic, eine Doktorandin aus Raspopovics Forschungsgruppe, ein Computermodell namens FootSim entwickelt. Dieses Modell simuliert das dynamische Verhalten einer Vielzahl von Mechanorezeptoren in der Fußsohle und berechnet die Nervensignale, die sich vom Fuß blitzschnell in Richtung Gehirn fortbewegen. Dieses Modell ermöglicht es den Forschern, das Verhalten der Sinneszellen in den Fußsohlen während des Gehens oder Rennens zu verstehen, was durch herkömmliche Experimente unmöglich zu messen ist.

In einem Experiment mit Katzen, deren Nervensystem Bewegungen ähnlich verarbeitet wie das der Menschen, wurde überprüft, wie gut diese vom Modell errechneten biomimetischen Signale mit echten Nervensignalen übereinstimmen. Die Forscher implantierten Elektroden, einige an den Nerv im Bein und andere an das Rückenmark, um zu sehen, wie die Signale im Nervensystem übertragen werden. Die Ergebnisse zeigten, dass die im Rückenmark aufgezeichneten Aktivitätsmuster tatsächlich den Mustern entsprachen, die sich im Rückenmark zeigten, nachdem die Forscher den Druck auf die Katzenpfote ausgeübt hatten.

“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”, sagt Stanisa Raspopovic.

Quelle: idw-online