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Bionik – wie Muskeln durch Nerventransfers umfunktioniert werden

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Moderne Prothesen ermöglichen PatientInnen nach Hand-Amputationen große Fortschritte im Alltagsleben im Vergleich zu früheren prothetischen Rekonstruktionsverfahren. Der Körper kann durch einen chirurgischen Nerventransfer mit heutigen Prothesen viel besser verbunden werden als noch vor einigen Jahren. Nun konnten Forscher nachweisen, was die Ursache für den Erfolg dieser Methode ist.

Wenn der Muskel seine ‚Identität‘ wechselt

Die Methode hat sich bewährt: durch einen chirurgischen Nerventransfer werden funktionslos gewordene Nerven der amputierten Extremität verlegt. Allerdings war bisher nicht geklärt, in welchen Details der Erfolg liegt. Ein Forschungsteam um Konstantin Bergmeister und Oskar Aszmann – beide von der Abteilung für plastische und rekonstruktive Chirurgie sowie vom Christian Doppler Labor für Wiederherstellung der Extremitätenfunktionen der MedUni Wien – konnte im Tiermodell nun nachweisen, dass die Ursache für den Erfolg in einem „Identitätswechsel“ des Muskels durch den Spendernerv liegt.

Bionische Prothesen werden gedanklich gesteuert, indem sie die Aktivierung verbliebener Muskeln im Extremitätenstumpf registrieren. Theoretisch wäre es möglich, mit den Prothesen der allerneuesten Generation annähernd so viele Bewegungen zu machen wie mit der gesunden menschlichen Hand. Allerdings ist die Anbindung zwischen Mensch und Prothese bisher noch nicht in der Lage, alle mechanisch möglichen Funktionen zu steuern, weil die Schnittstelle zwischen Mensch und Prothese in ihrer Übertragung limitiert ist.

Damit eine Bewegung der Prothesen überhaupt möglich ist, werden während der Amputation chirurgische Nerventransfers eingesetzt, um die Gesamtanzahl der Muskel-Steuersignale zu erhöhen. Amputierte periphere Nerven werden dabei mit verbliebenen Muskeln im Amputationsstumpf neu verbunden. Diese Methode gilt als sehr erfolgreich, weil die betroffenen Muskeln nach einigen Monaten regenerieren und zur besseren Steuerung der Prothese dienen. Ungeklärt war bisher allerdings, welche Veränderungen diese Nerventransfers im Detail auf Muskeln und Nerven haben.  

Ein Arm amputierter Tischtennisspieler mit einer Prothese, die den Tischtennisschläger hält. (c) Pixabay.com
Aktuell ist es – noch – ein wenig Zukunftsmusik. Aber in absehbarer Zeit werden Handprothesen, die alle Funktionen einer Hand ersetzen, intuitiv gesteuert werden können.

Bisher unbekannte, neurophysiologische Effekte

Das Forschungsteam konnte in einer mehrjährigen experimentellen Studie nun zeigen, dass es durch die Anwendung dieser Nerventransfers zu bisher unbekannten neurophysiologischen Effekten kommt. Diese ermöglichen eine präzisere Muskelkontraktilität und führen zu Muskelsignalen, die viel feiner steuerbar sind, als bisher vermutet. 

Außerdem zeigte sich, dass die Muskeln die Identität der Spendernerven annehmen, also die Funktion jenes Muskels übernehmen, wo der Nerv ursprünglich her stammt. Das bedeutet, dass die Muskeln in genau der Weise änderbar sind, um die erwünschte Steuerleistung der verlorenen Extremität zu erzielen. Um die chirurgische Technik der Nerventransfers weiter zu verbessern und Steuersysteme präziser auf die feinen Signale abzustimmen, sollen diese Informationen in Folgestudien genützt werden. Die Vision einer intuitiv gesteuerten Prothese, die alle Funktionen der Hand ersetzen kann, könnte in den nächsten Jahren Realität werden.  

Service

“Peripheral nerve transfers change target muscle structure and function.” K. D. Bergmeister, M. Aman, S. Muceli, I. Vujaklija, K. Manzano-Szalai, E. Unger, R. A. Byrne, C. Scheinecker, O. Riedl, S. Salminger, F. Frommlet, G. H. Borschel, D. Farina, O. C. Aszmann, Sci. Adv. 5, eaau2956 (2019).  http://advances.sciencemag.org/content/5/1/eaau2956

Die Studie, die nun im Top-Journal Science Advances publiziert wurde, wurde als internationales Kooperationsprojekt mit dem Imperial College of London sowie Kooperationspartnern an der MedUni Wien durchgeführt. Eine Förderung erfolgte durch den ERC Advanced Grant DEMOVE (D.F. contract #: 267888) und von der Christian Doppler Forschungsgesellschaft des österreichischen Bundesministeriums für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft.

(Bilder: Pixabay.com)

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