Eine Neurotechnologie, die das Rückenmark stimuliert, verbessert sofort die Beweglichkeit von Armen und Händen, sodass Menschen, die von einem mittelschweren bis schweren Schlaganfall betroffen sind, ihren normalen täglichen Aktivitäten leichter nachgehen können, berichten Forscher der University of Pittsburgh und der Carnegie Mellon University heute in Naturheilkunde.
Ein Paar dünner Metallelektroden, die Spaghetti-Strängen ähneln, die entlang des Halses implantiert werden, greift in intakte neuronale Schaltkreise ein, sodass Schlaganfallpatienten ihre Faust vollständig öffnen und schließen, ihren Arm über den Kopf heben oder mit Gabel und Messer ein Stück Steak für den schneiden können erstmals seit Jahren.
„Wir haben festgestellt, dass die elektrische Stimulation bestimmter Rückenmarksregionen es den Patienten ermöglicht, ihren Arm auf eine Weise zu bewegen, die sie ohne die Stimulation nicht könnten. Vielleicht noch interessanter ist, dass wir festgestellt haben, dass einige dieser Verbesserungen nach einigen Wochen der Anwendung anhalten wenn die Stimulation abgeschaltet wird, was aufregende Wege für die Zukunft der Schlaganfalltherapie aufzeigt“, sagte der korrespondierende und Co-Seniorautor Marco Capogrosso, Ph.D., Assistenzprofessor für neurologische Chirurgie bei Pitt. „Dank jahrelanger präklinischer Forschung bis zu diesem Punkt haben wir ein praktisches, einfach zu handhabendes Stimulationsprotokoll entwickelt, das bestehende, von der FDA zugelassene klinische Technologien anpasst, das leicht auf das Krankenhaus übertragen und schnell vom Labor in die Klinik gebracht werden könnte .“
Dem Schlaganfall prognostizieren Mediziner eine düstere Zukunft: Weltweit erleidet jeder vierte Erwachsene über 25 im Laufe seines Lebens einen Schlaganfall, und 75 % dieser Menschen werden dauerhafte, schwere motorische Defizite in Arm und Hand haben Einschränkung ihrer körperlichen Autonomie.
Gegenwärtig sind keine Behandlungen wirksam zur Behandlung von Lähmungen im sogenannten chronischen Schlaganfallstadium, das etwa sechs Monate nach dem Schlaganfallereignis beginnt. Laut Forschern hat die neue Technologie das Potenzial, Menschen mit Beeinträchtigungen, die andernfalls als dauerhaft gelten würden, Hoffnung zu geben.
„Die Entwicklung wirksamer Neurorehabilitationslösungen für Menschen, die nach einem Schlaganfall von Bewegungseinschränkungen betroffen sind, wird immer dringender“, sagte die leitende Co-Autorin Elvira Pirondini, Ph.D., Assistenzprofessorin für physikalische Medizin und Rehabilitation bei Pitt. „Selbst leichte Defizite infolge eines Schlaganfalls können Menschen vom sozialen und beruflichen Leben isolieren und sehr schwächend werden, wobei motorische Beeinträchtigungen in Arm und Hand besonders belastend sind und einfache tägliche Aktivitäten wie Schreiben, Essen und Anziehen behindern.“
Die Technologie der Rückenmarkstimulation verwendet eine Reihe von Elektroden, die auf der Oberfläche des Rückenmarks platziert werden, um elektrische Impulse abzugeben, die Nervenzellen im Rückenmark aktivieren. Diese Technologie wird bereits zur Behandlung hochgradiger, anhaltender Schmerzen eingesetzt. Darüber hinaus haben mehrere Forschungsgruppen auf der ganzen Welt gezeigt, dass die Rückenmarkstimulation verwendet werden kann, um die Bewegung der Beine nach einer Rückenmarksverletzung wiederherzustellen.
Aber die einzigartige Geschicklichkeit der menschlichen Hand, kombiniert mit dem großen Bewegungsbereich des Arms an der Schulter und der Komplexität der neuronalen Signale, die den Arm und die Hand steuern, fügen eine deutlich höhere Reihe von Herausforderungen hinzu.
Nach Jahren umfangreicher präklinischer Studien mit Computermodellierung und Tierversuchen an Makaken mit partieller Armlähmung erhielten die Forscher die Genehmigung, diese optimierte Therapie am Menschen zu testen.
„Die sensorischen Nerven von Arm und Hand senden Signale an Motoneuronen im Rückenmark, die die Muskeln der Gliedmaßen steuern“, sagte Co-Senior-Autor Douglas Weber, Ph.D., Professor für Maschinenbau am Neuroscience Institute in Carnegie Mellon-Universität. „Durch die Stimulation dieser sensorischen Nerven können wir die Aktivität der durch Schlaganfall geschwächten Muskeln verstärken. Wichtig ist, dass der Patient die volle Kontrolle über seine Bewegungen behält: Die Stimulation ist unterstützend und stärkt die Muskelaktivierung nur dann, wenn der Patient versucht, sich zu bewegen.“
In einer Reihe von Tests, die an einzelne Patienten angepasst wurden, ermöglichte die Stimulation den Teilnehmern, Aufgaben unterschiedlicher Komplexität auszuführen, von der Bewegung eines hohlen Metallzylinders über das Greifen gewöhnlicher Haushaltsgegenstände wie einer Suppendose bis hin zum Öffnen eines Schlosses. Klinische Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Stimulation, die auf zervikale Nervenwurzeln abzielt, die Kraft, den Bewegungsumfang und die Funktion von Arm und Hand sofort verbessert.
Unerwarteterweise scheinen die Wirkungen der Stimulation länger anzuhalten, als die Wissenschaftler ursprünglich angenommen hatten, und hielten sogar an, nachdem das Gerät entfernt wurde, was darauf hindeutet, dass es sowohl als unterstützende als auch als restaurative Methode zur Erholung der oberen Extremitäten verwendet werden könnte. Tatsächlich ermöglichen die unmittelbaren Wirkungen der Stimulation die Verabreichung eines intensiven körperlichen Trainings, das wiederum ohne die Stimulation zu noch stärkeren langfristigen Verbesserungen führen könnte.
In der Zukunft rekrutieren die Forscher weitere Studienteilnehmer, um zu verstehen, welche Schlaganfallpatienten am meisten von dieser Therapie profitieren und wie Stimulationsprotokolle für verschiedene Schweregrade optimiert werden können.
Darüber hinaus arbeitet das von Pitt und der CMU gegründete Startup Reach Neuro daran, die Therapie in die klinische Anwendung zu überführen.
Marc Powell, Ph.D., von Reach Neuro Inc.; Nikhil Verma, BS, von der Carnegie Mellon University; und Erynn Sorensen, BS, von Pitt sind Co-Erstautoren. Weitere Autoren der Studie sind Erick Carranza, BS, Amy Boos, MS, Daryl Fields, MD, Ph.D., Souvik Roy, BS, Scott Ensel, BS, Jeffrey Balzer, Ph.D., Robert Friedlander, MD, George Wittenberg, MD, Ph.D., Lee Fisher, Ph.D., und Peter Gerszten, MD, alle Pitt; Beatrice Barra, Ph.D., von der New York University; Jeff Goldsmith, Ph.D., von der Columbia University; und John Krakauer, Ph.D., von der Johns Hopkins University.
Die in dieser Pressemitteilung berichtete Forschung wurde von der NIH BRAIN Initiative unter der Auszeichnungsnummer UG3NS123135 unterstützt. Der Inhalt liegt ausschließlich in der Verantwortung der Autoren und gibt nicht unbedingt die offizielle Meinung der National Institutes of Health wieder. Zusätzliche Forschungsunterstützung wurde von der Abteilung für Neurologische Chirurgie und der Abteilung für Physikalische Medizin und Rehabilitation in Pitt sowie der Abteilung für Maschinenbau und dem Institut für Neurowissenschaften der Carnegie Mellon University bereitgestellt.
Dr. Capogrosso, Gerszten und Pirondini haben finanzielle Beteiligungen an Reach Neuro, Inc., das an der in dieser Studie evaluierten Technologie beteiligt ist. Diese finanziellen Interessenkonflikte wurden von der University of Pittsburgh gemäß ihrer Richtlinie zu Interessenkonflikten für die Forschung überprüft und gehandhabt.