Besseres Verständnis der Hirngesundheit zum (bionischen) Greifen nahe

Eine der zentralen Herausforderungen für Entwickler künstlicher Prothesen besteht darin, Nutzern wie Amputierten ein intuitives Erlebnis der Prothesenfunktion zu ermöglichen. Diese Suche nach der Entwicklung einer Prothetik, die eine nahezu natürliche Bewegung und Sinneserfahrung bietet, hat zu neuen Fortschritten bei der Entwicklung neurologischer Schnittstellen geführt, die ein Feedback zwischen Gehirn und Sensoren ermöglichen. Die Forschungsarbeit beinhaltet Fachwissen aus verschiedenen Bereichen: so unter anderem aus den Bereichen Kognitionswissenschaft, Hirn-Bildgebung, Zellbiologie und -mechanik, Informationsverarbeitung, Robotik und medizinische Rehabilitation.

Zwei EU-finanzierte Projekte haben direkt zur Bewältigung dieser Herausforderung beigetragen und die Arbeit der Projekte führt in diesem Bestreben weiterhin zu Forschungserkenntnissen und Technologien. Im Rahmen des Projekts NANOBIOTOUCH, das im Jahr 2013 abgeschlossen worden ist, wurde eine menschliche Fingerplattform entwickelt, mit der es möglich war, die Richtungskräfte und Temperatur zu erkennen, die für eine realistische Taktilität von entscheidender Bedeutung sind.

Darauf aufbauend haben Forscher seitdem nanoelektromechanische (NEMS) Anordnungen in Kombination mit der Informationsverarbeitung eines neuronalen Netzwerks genutzt, um eine Erforschung künstlicher Oberflächen zu ermöglichen, die noch näher an das haptische Verhalten und die affektive Reaktion heranreichen.

Im Rahmen von NEBIAS, einem andauernden Projekt, wird an der Schaffung einer Prothese für die oberen Extremitäten gearbeitet, die über eine neurale Schnittstelle gesteuert wird und die eine stabile und sehr selektive Verbindung mit dem Nervensystem ermöglicht. Das Projekt zielt außerdem darauf ab, ein besseres Verständnis der „Sprache“ zu erlangen, welche die Kommunikation des Zentralnervensystems mit peripheren Nervensignalen gestattet. Dies wird über die Untersuchung von elektromagnetischen Hirn- und Nervensignalen sowie von Veränderungen der Hirndurchblutung/des Metabolismus erreicht, die mit Bewegungen verbunden sind.

Die neurophysiologische Reaktion verstehen

Diese reichhaltige Forschung hat zu neuen und etwas überraschenden Erkenntnissen in Bezug auf die tatsächliche Funktionsweise des Gehirns geführt. Anfang diesen Monats wurde in der Fachzeitschrift „Drug Target Review“ berichtet, dass Erkenntnisse, die auf der Forschung von den eingangs erwähnten Projekten basieren, neue Wege zur „Messung der Hirngesundheit“ eröffnet haben. In der Fachzeitschrift ist ein Zitat des Forschers Henrik Jörntell von der Universität Lund in Schweden aufgeführt, in dem es heißt: „Wir konnten die Zusammenarbeit zwischen neuronalen Netzwerken auf sehr präzise und detaillierte Weise messen. Wir können ebenfalls sehen, wie sich das gesamte Netzwerk ändert, wenn neue Informationen eintreffen.“

Im Zuge dieser neueren Studie war es unter Verwendung einer bionischen Fingerkuppe, die für Roboter-Neuroprothesen der oberen Extremitäten entworfen worden ist, möglich, durch Sensornerven, die in die Haut einer Rat eingebettet waren, diese künstlichen Berührungserlebnisse zu emulieren. Das Team konnte mithilfe eines Instruments, das eine hochauflösende Analyse über die Verarbeitung eingehender Informationen durch individuelle Nervenzellen und der damit verbundenen Hirnnetzwerke ermöglicht, einen besseren Eindruck davon gewinnen, wie das Gehirn über Berührung die externe Welt wahrnimmt. Zu den Entdeckungen zählte die die Tatsache, dass individuelle Neuronen weitaus mehr Informationen als bislang angenommen übertragen können und dass diese tatsächlich in Wechselwirkung treten und so reichhaltige Repräsentationen sensorischer Reize erzeugen.

Über die Biorobotik hinaus

In dem „Drug Target Review“-Bericht wird Bezug auf ein Zitat des führenden Biorobotikers Calogero Oddo – der an dem NANOBIOTOUCH-Projekt beteiligt ist – genommen, in dem es heißt: „Dieses Wissen wird in eine neue Generation sensitiver Roboterhände integriert, die feine taktile Informationen an Amputierte weiterleiten können.“ Desungeachtet könnten sensitive künstliche Prothesen abgesehen von der Verbesserung der medizinischen Rehabilitation von Amputierten ebenfalls zur Steigerung der robotischen Fähigkeiten für komplexe Aufgaben genutzt werden. Dies schließt beispielsweise die Chirurgie oder bestimmte Rettungseinsätze ein.

Die Studienergebnisse nahmen außerdem Bezug darauf, inwiefern die Funktionsweise gesunder neurologischer Netzwerke im Gehirn wichtige Implikationen hat, die über Anwendungen im Biorobotik-Bereich hinausgehen. Durch fortschreitende neurologische Erkrankungen wie Parkinson und Alzheimer sind diese neurologischen Netzwerke Veränderungen unterworfen, deren effektive Nachverfolgung sich bislang als schwere Aufgabe erwiesen hat. Ein Schlaganfall beispielsweise kann selbst bei der Lokalisierung von Hirnschäden dazu führen, dass das gesamte neuronale Netzwerk beeinträchtigt wird. Diese Studie hat einen Beitrag für das neurologische Wissen geleistet, indem verdeutlicht wurde, dass die Art und Weise, wie das Gehirn sensorische Eindrücke verarbeitet, tatsächlich ein Indikator für die insgesamte Hirngesundheit sein kann.

Weitere Informationen:
NEBIAS-Projektwebseite
NANOBIOTOUCH CORDIS-Webseite