Ein Tief

Eine Rückenmarksverletzung ist ein lebensveränderndes Ereignis und die Auswirkungen wie Muskelschwäche und Lähmungen können das Leben eines Menschen dramatisch beeinträchtigen. Obwohl es keine Heilung für Lähmungen gibt, wurden einige Fortschritte bei der Entwicklung potenzieller Behandlungsmöglichkeiten zur Verbesserung der Symptome erzielt. Dennoch bleibt vieles davon für viele Patienten unerreichbar. Eine Person mit einer vollständigen Rückenmarksverletzung kann von einem Rückenmarksstimulator profitieren, doch Kosten, Sicherheit und die Bereitschaft des Patienten, sich einer Operation zu unterziehen, gehören zu den Hürden für die Behandlung.

Jetzt hat eine Gruppe von Ingenieuren der Washington University St. Louis unter der Leitung von Ismael Seáñez, einem Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der McKelvey School of Engineering und für Neurochirurgie an der School of Medicine, mit der Arbeit an einem kostengünstigen, nichtinvasiven Ansatz begonnen zur Rückenmarkstimulation, die den Patienten erschwingliche Hoffnung bietet. Ihre Arbeit, die am 25. Juli im Journal of Neural Engineering veröffentlicht wurde, nutzt eine Low-Tech-Elektrodenanordnung, die die Muskeln in den Beinen von Menschen mit Rückenmarksverletzungen effektiv stimuliert.

Bei einer Art der Stimulation, der epiduralen Rückenmarksstimulation (eSCS), werden Elektroden unter die Haut in der Nähe der Wirbelsäule implantiert und elektrische Signale gesendet, um bestimmte Muskelgruppen zu stimulieren. Bei einer Rückenmarksverletzung kann die neuronale Kommunikation vom Gehirn zu den Muskeln im Körper unterbrochen sein, die Verbindungen vom Rückenmark zu den Muskeln selbst bleiben jedoch intakt. ESCS kann extrem nahe an die Wirbelsäule vordringen und es im Wesentlichen ermöglichen, dass die geschwächten Signale des Gehirns ihre Ziele im Rückenmark erreichen, um die Muskeln zu reaktivieren.

Da das Implantat so nah an die Wirbelsäule heranreichen kann, „können wir sehr genau festlegen, welche Muskeln wir ansprechen“, sagte Seáñez.

ESCS steht seit den 1960er Jahren zur Schmerzbehandlung zur Verfügung und wurde im letzten Jahrzehnt erfolgreich zur Erzeugung von Muskelbewegungen für so komplexe und geschickte Aktivitäten wie Radfahren, Schwimmen und Kajakfahren eingesetzt. Allerdings können die dafür erforderliche Operation, das große Expertenteam, das für die Implantation erforderlich ist, und die Kosten in Höhe von mehreren Zehntausend Dollar dazu führen, dass es für viele unerreichbar bleibt.

Stattdessen wandten sich Seáñez und sein Labor der transkutanen SCS (tSCS) zu. Anstelle eines chirurgischen Implantats direkt im Körper verwendet tSCS eine Reihe von Elektroden, die auf der Haut platziert werden, um elektrische Impulse mit dem Ziel abzugeben, bestimmte Muskelgruppen zu stimulieren. Forscher haben tSCS für die Muskelstimulation jahrelang in verschiedenen Konfigurationen mit Einzelelektroden- und Mehrfachelektrodenarrays untersucht, aber vor dieser Arbeit gab es keine umfassende Studie, die evaluierte, wie tSCS am besten für die Muskelstimulation eingesetzt werden kann.

Dieser Mangel an detaillierter Analyse hat tSCS zurückgehalten. Beispielsweise gibt eine einzelne Elektrodenkonfiguration einem Patienten eine sehr allgemeine Stimulation, die im Wesentlichen alle Motoneuronen unterhalb der stimulierten Stelle im Rückenmark aktiviert. Anstatt beispielsweise gezielt die Hüfte zu beugen, könnte ein Patient also einfach das ganze Bein rucken. Mit einer gezielten Studie stellte Seáñez die Hypothese auf, dass sie eine Reihe von Leitlinien erstellen könnten, die von medizinischen Fachkräften verwendet werden können.

Das Team von Seáñez rekrutierte 16 Teilnehmer ohne Rückenmarksverletzung, um ihr tSCS-Setup zu testen. Sie fanden heraus, dass die effektivste Konfiguration die Verwendung mehrerer Elektroden, drei auf jeder Seite der Wirbelsäule und zwei auf jeder Seite des Bauches, war, anstatt nur eine Elektrode auf der Haut in der Nähe der Wirbelsäule zu positionieren, um den Stromkreis zu schließen. Dadurch konnten sie die Muskeln in ausgewählten Regionen, etwa der Hüfte oder dem Knöchel, gezielter steuern. Die Gruppe testete verschiedene Elektrodenkonfigurationen und berechnete durch wiederholte Tests ein Wahrscheinlichkeitsdiagramm, das die besten Stellen entlang der Wirbelsäule für die Platzierung von Elektroden und die Chancen auf die Aktivierung bestimmter Muskeln durch Elektroden ermittelt. Mithilfe dieses Experiments erstellte Seáñez eine Karte des Rückenmarks, die zeigt, wo entlang des Körpers in einem hypothetischen Rehabilitationsszenario medizinische Fachkräfte gezielt bestimmte Muskelgruppen stimulieren sollten.

Diese Arbeit macht tSCS zu einer echten Alternative zu teureren Therapien. Laut Seáñez kann ein chirurgisch implantierter Wirbelsäulenstimulator mehr als 18.000 US-Dollar kosten. Ein tSCS-Gerät ist in Kosten und Umfang mit einem Gerät zur transkutanen elektrischen Nervenstimulation (TENS) vergleichbar, einem Schmerzlinderungsgerät, das kleine elektrische Ladungen abgibt und für etwa 40 US-Dollar in jeder Apotheke erhältlich ist.

Obwohl er sich vorstellt, dass tSCS Teil des Standard-Rehabilitationsprozesses wird, warnte Seáñez davor, ihre Arbeit als etwas anderes als einen Machbarkeitsnachweis zu betrachten.

„Es ist ein aufregender erster Schritt, aber es ist nur eine neurophysiologische Bestätigung der neuronalen Schaltkreise, auf die wir abzielen können“, sagte er. „Der nächste Schritt besteht darin, zu untersuchen, ob wir die Bewegungsfähigkeit der Menschen tatsächlich verbessern können.“

Bryson N, Lombardi L, Hawthorn R, Fei J, Keesey R, Peiffer JD, Seáñez I. Verbesserte Selektivität der transkutanen Rückenmarkstimulation durch Multielektrodenkonfiguration. Journal of Neural Engineering, 25. Juli 2023. DOI: https://doi.org/10.1088/1741-2552/ace552

Diese Forschung wurde teilweise vom Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & Human Development der National Institutes of Health (K12HD073945) unterstützt; das National Institute of Neurological Disorders and Stroke der National Institutes of Health (K01NS127936); und das Small Grants Program des McDonnell Center for Systems Neuroscience der Washington University.

Ursprünglich veröffentlicht von der McKelvey School of Engineering.

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