Liebe in der Prothetik

Eidechsen können sich regenerieren, nachdem sie ihre Schwänze verloren haben, und Krabben können sich regenerieren, nachdem sie ihre Füße verloren haben, aber verglichen mit diesen scheinbar "primitiven" Tieren hat der Mensch im Laufe der Evolution viel von seiner Fähigkeit zur Regeneration verloren. Die Fähigkeit, Gliedmaßen bei Erwachsenen zu regenerieren, ist fast gleich Null, mit Ausnahme von Babys, die sich regenerieren können, wenn sie ihre Fingerspitzen verlieren. Infolgedessen kann die Lebensqualität von Menschen, die aufgrund eines Unfalls oder einer Krankheit Gliedmaßen verlieren, stark beeinträchtigt werden, und die Suche nach biologischem Ersatz war für Ärzte eine wichtige Option, um das Leben von Amputierten zu verbessern.

Bereits im alten Ägypten gibt es Aufzeichnungen über künstliche Gliedmaßen. In Conan Doyles "The Sign of the Four" wird auch ein Mörder beschrieben, der mit Gliedmaßen Menschen tötet.

Solche Prothesen bieten jedoch eine einfache Unterstützung, aber es ist unwahrscheinlich, dass sie die Lebenserfahrung eines Amputierten signifikant verbessern. Gute Prothetik sollte Signale in beide Richtungen senden können: Einerseits kann der Patient die Prothetik autonom steuern; Andererseits müsste eine Gliedmaßenprothese wie eine natürliche Gliedmaße mit Nerven in der Lage sein, Empfindungen an den sensorischen Kortex des Gehirns des Patienten zu senden und ihnen einen Tastsinn zu geben.

Frühere Studien konzentrierten sich auf die Entschlüsselung von Gehirncodes, um es Probanden (Affen und Menschen) zu ermöglichen, Roboterarme mit ihrem Verstand zu steuern. Aber es ist auch wichtig, der Prothese einen Sinn zu geben. Ein scheinbar einfacher Vorgang wie das Greifen beinhaltet ein komplexes Feedback, da wir die Kraft unserer Finger unbewusst dem Gefühl unserer Hände anpassen, damit wir nicht abrutschen oder sie zu stark einklemmen. Bisher mussten sich Patienten mit Handprothesen auf ihre Augen verlassen, um die Festigkeit von Gegenständen zu bestimmen. Es erfordert viel Aufmerksamkeit und Energie, Dinge zu tun, die wir im Handumdrehen tun können, aber selbst dann machen sie oft Dinge kaputt.

Im Jahr 2011 führte die Duke University eine Reihe von Experimenten an Affen durch. Sie ließen Affen ihren Verstand benutzen, um virtuelle Roboterarme zu manipulieren, um Objekte aus verschiedenen Materialien zu greifen. Der virtuelle Arm sendete unterschiedliche Signale an das Gehirn des Affen, wenn er auf verschiedene Materialien stieß. Nach dem Training konnten die Affen ein bestimmtes Material richtig auswählen und erhielten eine Futterbelohnung. Dies ist nicht nur eine vorläufige Demonstration der Möglichkeit, Prothesen einen Tastsinn zu geben, sondern legt auch nahe, dass Affen die taktilen Signale des Prothesengehirns mit den motorischen Steuerungssignalen des Gehirns an die Prothese integrieren können, um eine vollständige Feedbackbereich von Berührung bis Empfindung, um die Armauswahl basierend auf der Empfindung zu steuern.

Das Experiment war zwar gut, aber rein neurobiologisch und beinhaltete keine tatsächliche Gliedmaßenprothese. Und dazu muss man Neurobiologie und Elektrotechnik kombinieren. Im Januar und Februar dieses Jahres haben zwei Universitäten in der Schweiz und in den USA unabhängig voneinander Veröffentlichungen veröffentlicht, die dieselbe Methode zur Befestigung von sensorischen Prothesen an experimentellen Patienten verwenden.

Im Februar berichteten Wissenschaftler der Ecole Polytechnique in Lausanne, Schweiz, und anderer Institutionen in einem in Science Translational Medicine veröffentlichten Artikel über ihre Forschung. Sie gaben einem 36-jährigen Probanden, Dennis Aabo S? Rensen, mit 20 sensorischen Stellen in der Roboterhand, die unterschiedliche Empfindungen erzeugen.

Der ganze Prozess ist kompliziert. Zunächst implantierten Ärzte des Gimili-Krankenhauses in Rom Elektroden in Sorensens zwei Armnerven, den Median- und Ulnarnerven. Der N. ulnaris steuert den kleinen Finger, während der N. medianus den Zeigefinger und den Daumen steuert. Nachdem die Elektroden implantiert waren, stimulierten die Ärzte Sorensens Median- und Ulnarnerven künstlich und gaben ihm etwas, das er seit langem nicht mehr gespürt hatte: Er spürte, wie sich seine fehlende Hand bewegte. Was bedeutet, dass mit Sorensens Nervensystem nichts auszusetzen ist.

Wissenschaftler der Ecol Polytechnique in Lausanne befestigten dann Sensoren an der Roboterhand, die abhängig von Bedingungen wie Druck elektrische Signale senden konnten. Schließlich verbanden die Forscher den Roboterarm mit Sorensens abgetrenntem Arm. Sensoren in der Roboterhand ersetzen sensorische Neuronen in der menschlichen Hand, und in die Nerven eingeführte Elektroden ersetzen die Nerven, die elektrische Signale im verlorenen Arm übertragen können.

Nach dem Einrichten und Debuggen der Geräte führten die Forscher eine Reihe von Tests durch. Um andere Ablenkungen zu verhindern, verbanden sie Sorensen die Augen, bedeckten seine Ohren und ließen ihn nur mit der Roboterhand berühren. Sie fanden heraus, dass Sorensen nicht nur die Härte und Form der Gegenstände, die er berührte, beurteilen konnte, sondern auch zwischen verschiedenen Materialien wie Holzgegenständen und Stoff unterscheiden konnte. Darüber hinaus sind der Manipulator und Sorensens Gehirn gut koordiniert und reaktionsschnell. So kann er seine Kraft beim Aufheben schnell anpassen und stabil halten. "Es hat mich überrascht, weil ich PLÖTZLICH etwas spüren konnte, was ich in den letzten neun Jahren nicht mehr gefühlt hatte", sagte Sorensen in einem Video der Ecole Polytechnique in Lausanne. "Wenn ich meinen Arm bewegte, konnte ich fühlen, was ich tat, anstatt zuzusehen, was ich tat."

Eine ähnliche Studie wurde an der Case Western Reserve University in den USA durchgeführt. Ihr Thema war Igor Spetic, 48, aus Madison, Ohio. Bei der Herstellung von Aluminiumteilen für Düsentriebwerke verlor er seine rechte Hand, als ein Hammer auf ihn fiel.

Die von den Forschern der Case Western Reserve University verwendete Technik ist ungefähr die gleiche wie die der ECOLE Polytechnique in Lausanne, mit einem wichtigen Unterschied. Die an der Ecole Polytechnique in Lausanne verwendeten Elektroden durchbohrten die Nervenzellen in Sorensens Arm in das Axon; Die Elektroden der Case Western Reserve University dringen nicht in das Neuron ein, sondern umgeben dessen Oberfläche. Ersteres kann präzisere Signale erzeugen und den Patienten komplexere und nuanciertere Gefühle vermitteln.

Dies birgt jedoch potenzielle Risiken sowohl für die Elektroden als auch für die Neuronen. Einige Wissenschaftler befürchten, dass die invasiven Elektroden chronische Nebenwirkungen auf die Neuronen haben könnten und dass die Elektroden weniger haltbar wären. Die Forscher beider Institutionen sind jedoch zuversichtlich, die Schwächen ihres Ansatzes überwinden zu können. Der Spiderdick erzeugt auch ein ziemlich genaues Gefühl der Trennung von Sandpapier, Wattebällchen und Haaren. Die Forscher der Ecole Polytechnique in Lausanne gaben jedoch an, von der Haltbarkeit und Stabilität ihrer invasiven Elektrode überzeugt zu sein, die bei Ratten zwischen neun und zwölf Monaten hielt.

Dennoch ist es noch zu früh, diese Forschung auf den Markt zu bringen. Neben Haltbarkeit und Sicherheit reicht der Komfort sensorischer Prothetik noch lange nicht aus. Sorenson und Specdick blieben im Labor, während die Prothesen angepasst wurden. Ihre Hände mit vielen Drähten und Geräten sehen nicht aus wie die bionischen Gliedmaßen der Science-Fiction. Silvestro Micera, Professor an der Ecole Polytechnique in Lausanne, der an der Studie mitgearbeitet hat, sagte, es würde noch mehrere Jahre dauern, bis die ersten sensorischen Prothesen, die wie normale aussehen, das Labor verlassen könnten.

„Ich bin gespannt, was sie tun. Ich hoffe, es hilft anderen. Ich weiß, dass Wissenschaft lange dauert. Wenn ich sie jetzt nicht nutzen kann, aber die nächste Person es kann, ist das großartig.“

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Postzeit: 14.08.2021