Sense of Touch and Motor Control Recreated in Paralyzed Patient

An einem kühlen Tag im Herbst 2020 ging Scott Imbries fröhliche Stimme vor seinem Eintritt in die Lobby im siebten Stock des Center for Care and Discovery, dem Flaggschiff-Krankenhaus der University of Chicago Medicine im Hyde Park, voraus. Er begrüßte ein Team von Neurowissenschaftlern und Ärzten und passte pflichtbewusst seine Gesichtsmaske an, bevor er mit einer einfachen neurologischen Untersuchung begann.

Als Imbrie ging, deutete ein deutliches Schwanken darauf hin, warum er hier war, aber er widerlegte, was ihm einmal gesagt wurde: dass er nie wieder in der Lage sein würde, zu gehen oder seine Arme zu benutzen.

Nach seiner Prüfung, als er sich auf einem Stuhl niederließ und eine neue Maske aufsetzte – diese mit den Logos seiner Lieblingssportteams aus Chicago – begann Imbrie, seine Geschichte zu erzählen.

„Ich mache viele Dinge im Leben, von denen sie mir gesagt haben, dass ich sie nie tun kann“, sagte er. „Ich habe mir 1985 das Genick gebrochen und mir wurde gesagt, dass ich beim Aufwachen querschnittsgelähmt sein würde. Als sie mir das sagten, wusste ich, dass es nicht so sein würde.“

Imbrie war 19 Jahre alt, als ein Autounfall sein Rückenmark beschädigte und ihn vom Hals abwärts gelähmt zurückließ. Obwohl seine Ärzte dies für unwahrscheinlich hielten, lernte er im Laufe der Monate der Rehabilitation das Gehen wieder. Jetzt, Jahrzehnte später, stößt er erneut an die Grenzen der medizinischen Möglichkeiten – diesmal als Proband in einer einzigartigen Forschungsstudie, in der die Verwendung von Neuroprothesen getestet wird, die es ihm ermöglichen, eine virtuelle Hand und schließlich eine Roboterprothese zu spüren und zu manipulieren.

Im Oktober 2020 war Imbrie der erste Patient in Chicago und erst die vierte Person in einer laufenden Multi-Site-Studie, die sich dem heiklen chirurgischen Eingriff unterzog, bei dem spezielle Elektroden in sein Gehirn implantiert wurden. Diese Elektroden empfangen neuronale Signale von seinem motorischen Kortex, die es ihm ermöglichen, einen Arm in einer Virtual-Reality-Umgebung zu steuern und zu manipulieren. Sie senden auch sensorisches Feedback an sein Gehirn, sodass er Berührungsempfindungen an seiner Hand wahrnehmen kann – damit er Druck und Vibrationen „fühlen“ kann.

Letztendlich plant das Team von UChicago Medicine, das System mit einer Roboterhandprothese zu verbinden, damit Imbrie das Gerät in der realen Welt verwenden kann. Die Verfeinerung dieser Forschung und die Entwicklung neuer fortschrittlicher Neuroprothesen werden Menschen, die gelähmt sind oder denen eine Gliedmaße fehlt, neue Freiheiten verschaffen.

Die Studie ist eine Erweiterung der laufenden Forschung, die an der University of Pittsburgh und UChicago an anderen gelähmten Patienten durchgeführt wurde. Wie aus einem Science-Fiction-Film, ist das Ziel laut den Forschern, Technologien zu entwickeln, die fehlende Gliedmaßen ersetzen oder Berührung und Bewegung für Gelähmte wiederherstellen können. Zu den Vordenkern hinter der Arbeit gehören Sliman Bensmaia, PhD, ein internationaler Experte für die Codierung und Nutzung sensorischer Informationen durch das Gehirn, und Nicholas Hatsopoulos, PhD, ein führendes Unternehmen auf dem Gebiet der motorischen Steuerung und des Lernens im Gehirn.

„Das Gehirn von Menschen, die gelähmt sind, kann immer noch die Signale erzeugen, die normalerweise die Bewegung steuern würden, aber das Signal kann die Verletzung nicht überwinden“, sagte Projektleiter John Downey, PhD, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter an der University of Chicago. „Wir versuchen herauszufinden, wie wir dieses Signal des Gehirns nutzen können, um es ihnen zu ermöglichen, einen prothetischen Roboterarm und eine Hand zu steuern. Neben der Kontrolle von Arm und Hand möchten wir ihnen das Gefühl geben, dass ihre eigene Hand einen Gegenstand berührt, wenn diese Prothese einen Gegenstand berührt.“

Lokalgeschichte schreiben

Die Operation von Imbrie, die am 27. Oktober 2020 durchgeführt wurde, war das erste Mal, dass der Eingriff in Chicago durchgeführt wurde. Bevor die Operation beginnen konnte, musste das Team jedoch festlegen, wo die Elektroden angebracht werden sollten. Dazu ließen sie Imbrie sich einer funktionellen MRT-Untersuchung unterziehen, bei der seine Gehirnaktivität aufgezeichnet wurde, während er sich vorstellte, seine Hand zu bewegen.

„Die Operation ist sehr komplex und beinhaltet ein sehr präzises chirurgisches Zielen“, sagte Peter Warnke, MD, ein international renommierter Neurochirurg an der UChicago Medicine. „Wir haben funktionelle MRT verwendet, um herauszufinden, wo diese Bewegungen im Gehirn gesteuert werden, und nutzten diese Informationen, um die Operation zu planen, um Hunderte von Elektroden an der richtigen Stelle zu platzieren. Diese sorgfältige Ausrichtung ist äußerst wichtig, da diese Elektroden für jeden Finger an den richtigen Stellen platziert werden mussten, damit Scott nicht nur Druck ausüben, sondern auch dieses Gefühl spüren kann, als wäre es seine eigene Hand.“

Tatsächlich ermöglichte die funktionelle MRT eine so präzise Zielerfassung, dass die Forscher die Elektroden platzieren konnten, die Empfindungen an kleinen Hautflecken in Imbries Fingern hervorrufen, was es viel einfacher macht, den sensorischen Input der Roboterhand an die menschliche Hand anzupassen fühlen könnte. Dies ist wichtig, da das Gehirn, wie frühere Forschungen gezeigt haben, nicht in der Lage zu sein scheint, den wahrgenommenen Ort einer Berührung selbst bei längerer Exposition anzupassen.

Nachdem sich Imbrie von dem Eingriff vollständig erholt hat, macht er sich dreimal pro Woche von seinem Zuhause in Worth, Illinois, auf den Weg zum UChicago Medicine Campus im Süden der Stadt, wo er sich in einem bequemen Sessel ausstreckt und als Absolvent geduldig wartet Studenten aus den Labors Bensmaia und Hatsopoulos reinigen mit langen Tupfern sorgfältig seine Anschlüsse und die Kopfhaut, bevor sie das Gerät anschließen. Die beiden schwarzen, rechteckigen Kästchen sehen aus wie aus „The Matrix“ und machen es den Forschern leicht, Imbrie mit dem Virtual-Reality-System (VR) zu verbinden, das er mit seinem Verstand zu steuern gelernt hat.

Virtuelle Realität nutzen

„Die Manipulation des VR-Arms ist sehr aufregend, denn als ich anfing, versuchte ich, meinen eigenen Arm zu bewegen“, sagte Imbrie. „Jetzt habe ich gelernt, dass es viel besser funktioniert, wenn man nur daran denkt, es zu bewegen. Manchmal, wenn ich lerne, eine neue Aufgabe mit dem virtuellen Arm und der Hand zu erledigen, muss ich mir überlegen, wie ich meine echte Hand und meinen echten Arm bewegen würde, nur um es mir vorzustellen, damit ich mir vorstellen kann, es mit der virtuellen zu tun Arm. Manchmal verliere ich die Kontrolle über den virtuellen Arm, also summe ich vor mich hin oder schließe meine Augen und überlege, wie ich es machen soll. Es ist aufregend. Es gibt viele verschiedene Methoden, mit denen ich versuche, Dinge zum Laufen zu bringen, wenn sie nicht so gut funktionieren.“

Während seiner vierstündigen Testsitzungen führt Imbrie Aktivitäten aus, die sich zu wiederholen scheinen – mit einem VR-Headset über den Augen bewegt er seine Gedanken, um eine schwebende Hand in einer Virtual-Reality-Umgebung zu bewegen. Für diese Aktivität greift er nach einer Tasse von einem Tisch, bewegt sie, um sie mit einem vom System angezeigten Ziel auszurichten, und stellt sie wieder ab. Später wird sich Imbrie konzentrieren, während die Forscher seinem Gehirn sensorische Informationen zuführen, während er darüber berichtet, wo er die Empfindung fühlt und wie sie sich anfühlt.

„Es gibt 62 verschiedene Kanäle, die alle meinen Tastsinn an einem anderen Ort beeinflussen“, erklärt Imbrie. „Ich spüre etwas davon an manchen Stellen an der Oberfläche oder vielleicht auch tief, wie unter dem Fingernagel. Und es gibt auch deutliche Unterschiede bei den Gefühlen – bei denen, die ganz oben auf meinem Finger sind, fühlt es sich an der Oberfläche an wie eine Büroklammer oder eine Nadel, die darauf drückt. Aber bei diesem anderen am Rand meines Daumens fühlt es sich an, als würde ich in die Evergreens greifen, um die Nadeln zu reinigen, und sie stochern in mir.“

Bereits wenige Monate nach seiner Operation hat Imbrie in der Studie rasch Fortschritte gemacht.

„Scott kann im Moment eine Vielzahl verschiedener Aufgaben erledigen“, sagte Downey. „Er kann die Hand erreichen und im Raum positionieren, Gegenstände greifen und bewegen und sogar Gegenstände mit unterschiedlicher Kraft greifen. Er macht auch sensorische Aufgaben, bei denen wir sein Gehirn stimulieren und er berichtet, wie sich die Empfindungen anfühlen, wie stark sie sind, ob sie kribbeln oder sich wie Druck anfühlen. Wir verwenden dies, um genau herauszufinden, wie wir die Art und Weise, wie wir das Gehirn stimulieren, ändern können, um das Gefühl zu ändern, das Scott empfindet, und versuchen, die Dinge so zu gestalten, als würde seine Hand ein natürliches Objekt berühren.“

Alle Daten aus diesen wiederholten Versuchen werden dann in Modellierungssysteme eingespeist, mit denen das Forschungsteam die Computerprogramme verfeinert, die Imbries Gedanken in Bewegung umwandeln und ihm einen Tastsinn vermitteln. Die Hoffnung besteht darin, diese Informationen nicht nur für die zukünftige Arbeit mit Imbrie, sondern auch für zukünftige Studien zu nutzen und – schließlich – Technologien zu entwickeln, die von Menschen mit Gelähmung oder fehlenden Gliedmaßen weit verbreitet und regelmäßig verwendet werden können.

„Alle sensorischen Signale, die von der Hand kommen, geben Ihnen Informationen über die Objekte, mit denen Sie interagieren, und Ihre Interaktionen mit ihnen“, sagte Bensmaia. „Unser Ziel ist es, den Benutzern dieser Roboter die Fingerfertigkeit zu vermitteln, mit der wir mit unseren eigenen einheimischen Händen ausgestattet sind. Auf der motorischen Seite wollen wir verstehen, wie das Gehirn auf natürliche Weise die Hand steuert. Wie können wir die Sprache des Gehirns sprechen und diese Sprache erkennen, wenn wir diese Roboterhand bewegen? Auf der sensorischen Seite, wenn wir etwas berühren, wie reagiert das Nervensystem darauf? Und wie führt diese neuronale Reaktion zu einer Wahrnehmungserfahrung?“

Obwohl die Forscher hoffen, weitere querschnittsgelähmte Probanden zu finden, die an einer Teilnahme an dieser Studie interessiert sein könnten, erkennen sie an, dass nicht alle Kandidaten das gleiche Funktionsniveau wie Imbrie aufweisen. Imbrie war ein idealer Kandidat für diese Studie aufgrund seiner bereits bestehenden Rückenmarksverletzung, der eingeschränkten Nutzung und Empfindung seiner Hände und seiner Bereitschaft, der Studie Zeit zu widmen – er ist 15 Stunden pro Woche im Labor und führt Experimente durch.

Außerdem liebt er die Arbeit.

„Scott ist ein Geschenk“, sagte Bensmaia. „Er ist jemand mit unbändigem Enthusiasmus, und er ist so großzügig und so positiv und so motiviert. Er kam, ihm wurden diese Implantate ins Gehirn gesetzt und am nächsten Tag fragte er sich: ‘Wann können wir anfangen?’ Er hat gerade erst richtig angefangen und ist schon in allem großartig.“

Die richtigen Patienten für die Zukunft finden

Später in diesem Jahr plant das Forschungsteam, Imbrie mit mehr als nur einem VR-Set einzurichten – sie arbeiten daran, eine hochmoderne Roboterhand in einen Roboterarm zu integrieren, den Scott mit den gleichen Elektroden manipulieren kann, die er verwendet für das VR-System. Obwohl die Technologie noch lange nicht marktreif ist, sind die Forscher von der bisherigen Arbeit mit Imbrie begeistert.

„Obwohl die Arbeit mit Scott noch sehr am Anfang steht, gibt es für die Zukunft so viele potenzielle Anwendungen für diese Forschung“, sagte Hatsopoulos. „Dies könnte uns helfen, eine Technologie zu entwickeln, die es Menschen, die gelähmt sind oder eine Gliedmaße verloren haben, ermöglicht, grundlegende tägliche Aktivitäten durchzuführen, wie sich anzuziehen oder zu ernähren, am Computer zu arbeiten und sogar in Form eines Exoskelett-Roboters aufzustehen und zu gehen. ”

Imbrie ist bestrebt, an dem Projekt teilzunehmen, solange die Elektroden funktionsfähig sind und er dazu beitragen kann, mehr Daten für die Forschung bereitzustellen, auch wenn er nicht direkt von den Ergebnissen der Studie profitiert. Für ihn sei es wichtiger, dass die Forschung letztendlich anderen helfen kann.

“Als ich zum ersten Mal verletzt wurde, war ich querschnittsgelähmt”, sagte Imbrie. „Im Laufe der Zeit kamen die Dinge zurück. Ich habe noch einige eingeschränkte Fähigkeiten und alles. Aber ich denke an die Leute, die sich nicht bewegen können oder so. Und ich weiß eines Tages, dass diese Studie es jemandem ermöglichen wird, ein Glied in irgendeiner Form oder Weise zu benutzen, sei es sein eigenes oder ein Roboterglied. Und das wird richtig cool.”

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