Exoskelett und BCI: Neue Technik hilft Menschen mit Behinderung

von Franziska Wischmann

Exoskelette und BCI sind die große Zukunft in der Medizin. Denn damit kann vielen Menschen geholfen werden, die infolge von Unfällen oder Erkrankungen ihre motorischen und sensorischen Fähigkeiten verloren haben.

Nach einer schweren Rückenmarksverletzung wieder laufen zu können, war für viele Rollstuhlfahrer bis vor Kurzem Utopie. Inzwischen ist Hoffnung berechtigt: Neue Therapiemöglichkeiten mit computergestützten Roboteranzügen, so genannten Exoskeletten, sind vielversprechend.

Nirgendwo ist technischer Fortschritt so sinnvoll wie in der Medizin. Die Vorstellung, dass Menschen mit erheblichen motorischen oder sensorischen Einschränkungen zum Beispiel infolge eines Schlaganfalls, einer Wirbelsäulenverletzung oder eines Unfalls kaum noch vorhandene Körperfunktionen reaktivieren können, ist dank neuer Technik keine Zukunftsmusik mehr.

Exoskelett: Motoren steuern die Bewegung

Dabei kommen Systeme zum Einsatz, die Cyberfans vielleicht an den Marvel-Superhelden Iron-Man erinnern. Das Exoskelett etwa ist eine Art motorisierter Anzug, dessen Motoren und Gelenke die gelähmten Gliedmaßen bewegen. Entlang der Beine liegen Schienen, welche die Bewegung übertragen. Es sind quasi robotergestützte Gangorthesen, die konventionelle mit Roboter-gestützter Rehabilitation kombinieren. Durch repetitive Wiederholungen können Patienten wieder Gangmuster erlernen und Sicherheit bei der Bewegung bekommen. Elektromotoren an Knien und Hüften sorgen für eine exakte Dosierung der nötigen Unterstützung und sie können durch ein sensorisches Feedback zusätzlich Therapieerfolge berücksichtigen. Je größer der Fortschritt, desto geringer dosiert wird die Unterstützung.

Das HAL-Exoskelett arbeitet mit Neuro-Feedback

Noch einen Schritt weiter geht das HAL-Exoskelett des japanischen Herstellers Cyberdyne. Denn HAL arbeitet mit Neuro-Feedback. Über Elektromyografie (EMG), also durch die Messung und Stimulation mit Nadelelektroden, die an den Muskelfasern ansetzen, zeichnet der Computer die nervliche Muskelaktivität auf, die entsteht, wenn der Patient seine Beine bewegen will. Das Gehirn sendet Impulse an die Beinmuskulatur, sich zu bewegen. Aufgrund der Rückenmarksverletzung sind die Signale, die vom Gehirn aus beim Muskel ankommen, allerdings zu schwach, um eine Bewegung auszulösen. Die empfindlichen Elektroden erkennen die Signale jedoch und aktivieren den Bewegungsablauf. Denn die Elektroden übersetzen sie für die Motoren, welche die Muskeln in ihrer Aktivität unterstützen. Die Muskeln senden wiederum ein Signal an das Gehirn, dass eine Bewegung ausgeführt wurde. Das HAL-Exoskelett setzt also auf Neuroplastizität, auf die Fähigkeit von Nervenzellen und Gehirn, die Funktion zu verändern, wenn die für die Motorik wichtigen Areale ausgefallen sind.

Dafür braucht der Patient allerdings eine Menge Geduld und Training – vergleichbar mit einem Kleinkind, das Laufen lernt. Monatlich müssen schon bis zu 200 000 Schritte zusammenkommen, damit die Neuroplastizität im Gehirn aktiviert und Muskulatur wieder aufgebaut werden kann.

Inzwischen gibt es erste Ansätze, dass Krankenkassen die Kosten für die Behandlung übernehmen. Allerdings muss vorher individuell geprüft werden, ob die Therapie Aussicht auf Erfolg hat. Das hat mit Körpergewicht, Alter und Konstitution zu tun. Nicht jeder Querschnitt lässt sich Jahrzehnte später noch therapieren.

BCI setzt direkt bei den Nerven im Gehirn an

Nach dem gleichen Prinzip funktionieren Exoskelette, die über ein Brain-Computer-Interface (BCI) gesteuert werden. Die Computer-Hirn-Schnittstellen zeichnen die Hirnaktivität auf und geben sie an einen Computer weiter. In den meisten Fällen läuft das über eine Elektroencephalografie (EEG) ab. Dabei trägt der Patient eine mit Elektroden versehene „Badekappe“, die die Gehirnaktivität messen kann. Im Gegensatz zu dieser nicht invasiven Methode ist die Operation, bei der dem Patienten Elektroden direkt ins Gehirn gelegt werden, unvergleichlich risikobelasteter. Also nur eine Ultima Ratio bei besonders schweren Fällen. In jedem Fall dauert es auch hier Wochen, bis sich Gehirn und Computer aufeinander eingestellt haben und der Patient gelernt hat, Muskelimpulse per Hirnaktivität zu steuern. Das Exoskelett ist wohl die umfassendste Form einer motorischen Neuroprothese, die mit Hilfe von Brain-Computer-Interface gesteuert werden kann.

Große Zukunftserwartungen liegen auch auf sensorischen Prothesen, die Sinnesorgane unterstützen sollen. Im Gegensatz zu den motorischen Prothesen interagieren diese sensorischen Prothesen allerdings nicht mit dem Gehirn, sondern sind mit dem Sinnesorgan direkt verbunden. Ein gutes Beispiel dafür ist das schon erfolgreich verwendete Cochlea-Implantat, das die Hörfunktion unterstützt, indem es über Elektroden den Hörnerv stimuliert. Bei starker Sehbehinderung hat sich das Retina-Implantat bewährt, das auf oder unter der Netzhaut platziert werden kann. Das Implantat leitet Lichtmuster in Form von elektrischen Signalen an die Netzhaut weiter und stimuliert sie damit.

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von Franziska Wischmann

Franziska Wischmann, Redakteurin mit den Schwerpunkten Wissenschaft und Forschung,
hat mit dem Heranwachsen ihrer Kinder für sich ein spannendes neues Feld entdeckt:
Technik, Gadgets, Apps für jede Lebenslage.

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