Wie Schwerstkranke mithilfe von Elektroden wichtige Körperfunktionen wiedererlangen
Die spannende Welt der Neuroimplantate
Der Drang zur stetigen Verbesserung des Menschen ist Jahrtausende alt. Die Digitalisierung unseres Alltags und die Ergebnisse der medizinischen Forschung – insbesondere auf dem Gebiet der Neurowissenschaften – haben die Möglichkeiten und Potentiale dafür dramatisch erweitert. Der folgende Beitrag dieses Titelthemas beschreibt die Chancen und Risiken einer Entwicklung, die das Mensch-Sein für immer verändern kann.
Es ist ein letztes Mittel, zu dem Ärzte greifen, wenn sich Parkinson-Patienten kaum noch bewegen können: In einer aufwändigen Operation setzen die Spezialisten ein Neuroimplantat ein. Dabei schieben sie zwei Elektroden durchs Gehirn, um ein paar Zentimeter unter der Kopfhaut ein bestimmtes Hirnareal zu treffen, so groß wie eine Erbse. Die Verlängerungen der Elektroden, zwei feine Drähte, werden am Inneren des Hinterkopfs bis in die Brust oder den Bauch hinabgeleitet. Dort implantieren die Ärzte einen Impulsgeber, der Stromschläge in den Kopf schickt. Hirnblutungen sind mögliche Komplikationen. Gelingt der Eingriff aber, verschwindet die Muskelsteifheit im besten Fall ganz.
„Durch ein Neuroimplantat ist weltweit schon 120.000 Parkinson- und Tremorpatienten geholfen worden”, sagt Veerle Visser-Vandewalle, Direktorin der Klinik für Stereotaxie und Funktionelle Neurochirurgie an der Uniklinik Köln. Wie ist das möglich? Selbst Experten haben noch keine genaue Erklärung dafür. Doch man weiß, dass unser Gehirn aus verschiedenen Arealen besteht, die bestimmte Funktionen erfüllen und sich aus Milliarden von Nervenzellen zusammensetzen. Zwischen den Neuronen jagen permanent elektrische Signale hin und her. „Kommt es an einem Areal zu einer elektrischen Störung”, sagt Visser-Vanderwalle, „kann der Mensch erkranken.” Im Fall von Parkinson ist der Nucleus subthalamicus, der die Funktion hat, unsere Bewegungen zu bremsen, zu aktiv. Er bremst zu stark. Die Folge sind starre Mimik, Verlangsamung der Bewegung und Tremor. Dieses leichte Zittern kann auch isoliert auftreten oder als Symptom anderer Krankheiten.
Hilfe für Schwerstkranke
Weder Parkinson noch Tremor sind heilbar. Es ist auch nicht möglich, den Beschwerden mit Medikamenten dauerhaft beizukommen. Doch „mit einer hochfrequenten Schwingung“, erklärt die Gehirnchirurgin, „können wir die Aktivität des Areals hemmen“, und die Bremse somit lösen. Tiefenhirnstimulation nennt man dieses Verfahren, das auch bei anderen Krankheiten anschlägt. Im Prinzip können Neuroimplantate überall im Gehirn andocken und die Aktivität von Arealen hemmen oder stimulieren, auch an den Stellen, an denen unsere Emotionen entstehen oder unser Gedächtnis und unsere Persönlichkeit sitzen. Für Visser-Vanderwalle kommen jedoch Experimente mit den Gehirnen gesunder Menschen, etwa um die Stimmung zu heben oder die Merkfähigkeit zu verbessern, nicht in Frage.
So wird die Technologie auch bei Zwangspatienten, die zum Beispiel dem Drang folgen müssen, sich mehrmals pro Stunde die Hände zu waschen, angewendet: Hier ist die tiefe Gehirnstimulation bereits so etabliert, dass sie wie bei Parkinson über die Krankenkassen abgerechnet werden kann. Bei Zwangspatienten stimuliert das Neuroimplantat den Nucleus accumbens. „Wir stellten zufällig fest”, sagt Visser-Vandewalle, „dass durch die Stimulierung dieses Areals auch Suchtprobleme gelindert werden.”
Weltweit erforschen Wissenschaftler, ob die Symptome weiterer Krankheiten durch die Tiefenhirnstimulation behoben oder zumindest abgeschwächt werden können, wie zum Beispiel die Ticks bei der Tourette-Erkrankung oder der Gedächtnisschwund bei Alzheimer. Es wird auch erforscht, ob schwere Depressionen eine Indikation für eine Behandlung mit Neuroimplantaten darstellen: Hirnscans zeigen, dass das sogenannte Areal 25 bei den Patienten zu aktiv ist. Im Rahmen von Studien ist es bereits geglückt, über Elektroden-Implantate die Aktivität zu hemmen und die Symptome der Krankheit zu lindern.
Doch Neuroimplantate können nicht nur bestimmte Prozesse im Gehirn kurieren. Sie können im menschlichen Organismus an allen Stellen sinnvoll sein, an denen die Informationsverarbeitung über elektrische Impulse gestört ist. Dabei leiten die Elektroden nicht nur die Kommandos des Gehirns weiter, sondern führen dem Gehirn auch Daten zu. Neuroprothesen am Ohr und im Auge sind Beispiele dafür.
Cochlea-Implantate – benannt nach ihrem Sitz in der Cochlea, der Hörschnecke im Innenohr – haben weltweit schon mehreren hunderttausend Menschen mit hochgradigem Hörverlust oder Gehörlosigkeit geholfen. Ein winziges Mikrofon, das außen am Ohr sitzt, wandelt Schall in elektrische Impulse um, durch die der Hörnerv im Innenohr stimuliert wird. Die Signale, die der Nerv weiterleitet, erkennt das Gehirn als Sprache, Geräusch oder Klang.
Hör- und Sehimplantate sowie künstliche Glieder
„Beim Cochlea-Implantat ist zwar das Frequenzspektrum durch die Anzahl der Elektroden, die auf ein Bauelement passen, begrenzt“, sagt Dirk Mayer vom Institut für Bioelektronik am Forschungszentrum Jülich, „doch wenn man die Frequenzen breit streut, können die Patienten nicht nur Sprache wieder gut verstehen, sondern sogar Musik hören und genießen.” Sogar ins Auge wurden bereits Neuroimplantate eingepflanzt, um Menschen, die in Folge einer degenerierten Netzhaut erblindet sind, das Sehen wieder zu ermöglichen. Photodioden, die auf der Netzhaut sitzen, nehmen wie eine Kamera ein Bild von der Umgebung auf und geben Lichtstimuli an den intakten Sehnerv ab. Diese Implantate befinden sich noch in der Zulassungsphase, doch fest steht: Erblindete können dank einem „Seh-Chip“ wieder Farben und Formen erkennen und sogar große Buchstaben lesen.
Im Jahre 2012 berichtete ein Forscherteam aus Deutschland und den USA von einer bahnbrechenden Errungenschaft: Es war geglückt, der Querschnittsgelähmten Cathy Hutchinson eine Elektrode ins Gehirn zu implantieren, über die sie Kraft ihrer Gedanken einen Roboterarm bewegte. Auf diese Weise gelang es der Patientin wieder, nach Gegenständen zu greifen oder ihren Kaffee selbstständig aus einem Becher zu trinken. Das Neuroimplantat und der Roboter waren über ein Kabel verbunden, das aus dem Kopf der Gelähmten bis in die Maschine führte. Allerdings musste ein Techniker vor jedem Gebrauch den Roboterarm neu justieren, was zeigt, dass die Erfindung von einer alltäglichen Anwendung für Gelähmte oder Menschen mit Amputationen bis heute weit entfernt ist. „Wünschenswert wäre eine schnurlose Kommunikation zwischen dem Gehirn und der künstlichen Gliedmaßen”, sagt Dirk Mayer. Bei Prothesen, wie beispielsweise motorisierten künstlichen Händen, gelingt es bereits, die Informationen ohne Kabel zu übertragen: über elektrische Impulse aus den Muskeln des Armstumpfs. Doch um künstliche Gliedmaßen mit größerer Flexibilität bewegen zu können, müsste es gelingen, die Befehle nicht erst dann abzugreifen, wenn sie sich bereits im Körper verlaufen haben, sondern direkt im Gehirn.
Neuroimplantate versprechen noch mehr: Theoretisch könnten Patienten mit künstlichen Gliedmaßen sogar Gegenstände ertasten. Ein Forscherteam um Jaemin Kim von der Seoul National University entwickelt eine künstliche, mit Sensoren ausgestattete Haut, die über eine Prothese gezogen werden kann. Die Sensoren der Kunsthaut leiten je nach der Beschaffenheit des Gegenstandes, den sie erfühlen, spezifische Signale ins Körpergewebe weiter, so dass die Nervenzellen dort stimuliert werden. Doch der Anschluss an das Nervensystem und der entsprechende chirurgische Eingriff wurden beim Menschen bisher noch nicht erprobt.
