Die neue Schnittstelle zum Rückenmark stellt die Kontrolle und das Gefühl der Blase wieder her

Ungefähr 308.000 Menschen in den Vereinigten Staaten leben mit einer Rückenmarksverletzung. Fast alle verlieren die Kontrolle über die Blase. Und doch ist der Großteil der Forschungs- und Ingenieursaufmerksamkeit in der Neurotechnologie auf die motorische Wiederherstellung gerichtet, um gelähmte Gliedmaßen wieder bewegungsfähig zu machen.

„Wenn Sie Ihre Blase nicht kontrollieren können, ist das alles, woran Sie denken“, sagt Charles Liu, Dr IEEE-Transaktionen zu neuronalen Systemen und Rehabilitationstechnik zusammen mit Vasileios Christopoulos, einem Assistenzprofessor am Alfred E. Mann Department of Biomedical Engineering an der USC Viterbi School of Engineering. Shan Zhong, Postdoktorand am USC Viterbi, ist Erstautor des Artikels.

Liu erklärt, dass Gerüche für seine Patienten ein Problem darstellen. „Es ist ein gesellschaftliches großes Problem. Und medizinisch gesehen erleiden alle meine Brain-Computer-Interface-Patienten jedes Jahr eine schwere Urosepsis-Episode. Ich habe Patienten gekannt, die daran gestorben sind.“

Eine Schnittstelle zur Rückenmarksmaschine

Gehirn-Computer-Schnittstellen sorgen seit Jahren für Schlagzeilen. Das Team baut eine Schnittstelle zwischen Rückenmark und Maschine – und der Unterschied ist wichtig.

Das Rückenmark ist ein überraschend elegantes technisches Ziel: Bestimmte Faserbündel übertragen bestimmte Signaltypen an konsistenten anatomischen Orten bei allen Individuen. Und doch, so Christopoulos, wurde es von der neurowissenschaftlichen Gemeinschaft weitgehend abgelehnt. „Als ich mit Leuten aus der Neurowissenschaft sprach, war die meiste Antwort, dass es sich um ein Kabel handelt.“ Es gibt fast keine funktionelle Neuroimaging-Forschung zum Rückenmark – eine bemerkenswerte Lücke für eine Struktur, die einen Großteil der menschlichen Erfahrung bestimmt.

Das Rückenmark ist nicht nur ein Kabel. Die Blasenkontrolle ist im Gehirn nur spärlich verteilt. Aber hier können wir direkt auf eine Region abzielen und das Gefühl der Blasenfüllung auslösen.“

Shan Zhong, Postdoktorand am USC Viterbi

Auch der praktische Nutzen ist wichtig. Die meisten bestehenden Technologien, die Patienten beim Wasserlassen helfen, basieren auf festen Zeitplänen: Ein Alarm ertönt und sie führen einen Katheter durch. „Das Beste daran“, sagt Zhong, „ist, dass es den Menschen tatsächlich das Gefühl geben kann, dass es ein Bedürfnis nach Wasserlassen gibt, anstatt sich auf den Wecker zu verlassen.“

Diese Region ist der dorsolaterale Funiculus oder DLF, ein dünnes Bündel aufsteigender Sinnesfasern nahe der Oberfläche des Rückenmarks. Wenn sich die Blase füllt, wandern normalerweise Signale durch den DLF nach oben zum Gehirn, das die Fülle registriert und einen koordinierten Befehl zurück nach unten sendet: Kontrahieren Sie den Blasenmuskel und entspannen Sie gleichzeitig den Schließmuskel. Nach einer Rückenmarksverletzung wird diese Schlinge durchtrennt. Der Patient verliert nicht nur die freiwillige Kontrolle, sondern auch die Fähigkeit, das Bedürfnis zu verspüren, zu gehen.

Die Frage des Teams: Könnten Sie die genaue Adresse dieses Signals finden und es künstlich wiedergeben?
Mithilfe maßgeschneiderter Mikroelektroden-Arrays, die von Ecate LLC, einem USC-nahen Startup, entwickelt wurden, kartierte das Team die neuronale Aktivität bei Ratten während der kontrollierten Blasenfüllung. Die Arrays – mit Elektroden, die kleiner als ein menschliches Haar sind – wurden in mögliche Rückenmarksregionen eingeführt. Die meisten schwiegen. Aber im DLF leuchteten ein oder zwei benachbarte Kanäle mit rhythmischem Aufplatzen auf, das die Füllung genau verfolgte und von 30 Hz mit den ersten Tropfen Kochsalzlösung auf fast 100 Hz kurz vor der Entleerung anstieg. Elektroden, die nur 65 Mikrometer entfernt waren, blieben völlig geräuschlos. Die Reaktionszone, etwa 100 mal 100 Mikrometer, war bei allen Tieren einheitlich genug, um als zuverlässige anatomische Adresse zu dienen.

In einer separaten Tiermodellgruppe gaben sie an denselben Koordinaten gemusterte elektrische Impulse ab, die zeitlich so abgestimmt waren, dass sie das biologische Signal einer vollen Blase nachahmten. In 91,7 % der Versuche kam es zu einer koordinierten Entleerung, die auf 100 % anstieg, wenn die Blase bis zu dem Volumen vorgefüllt war, bei dem die natürliche DLF-Aktivität beginnt. Die Beinmuskelelektroden blieben die ganze Zeit über stumm: Die Reaktion war blasenspezifisch und kein generalisierter motorischer Reflex.

Das geplante vollständige System mit dem Namen BLISS (Bladder-Linked Stimulation System) würde diese sensorische Schnittstelle mit einem Blasenvolumensensor und einem motorischen Stimulator kombinieren und so eine Neuroprothese mit geschlossenem Regelkreis schaffen, die sowohl das Gefühl als auch den Vorgang des Wasserlassens wiederherstellt.

Der Weg zum Patienten

Das Team arbeitet bereits mit größeren Tiermodellen, deren Anatomie eher dem menschlichen Maßstab ähnelt. Liu schätzt, dass bei ausreichender Finanzierung die ersten menschlichen Aufnahmen innerhalb von 18 Monaten beginnen könnten; Nicht zuerst bei Patienten mit Rückenmarksverletzungen, sondern huckepack auf Rückenmarkstumoroperationen, die bereits weitaus invasiver sind. Eine kurze Aufzeichnung während einer laufenden Operation stellt ein minimales Risiko dar, während diese Patienten häufig selbst mit Blasenkomplikationen konfrontiert werden und einen direkten Einfluss auf den Aufbau haben.

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