Sensorisches Feedback entscheidend
“Um die Funktion eines Armes per Prothese wiederherzustellen, muss man nicht nur die motorischen Signale ersetzen, die das Gehirn an den Arm sendet, sondern auch die sensorischen Signale, die der Arm zurück ans Gehirn schickt”, erklärt Seniorautor Sliman Bensmaia von der University of Chicago. Wie die Forscher erklären, sind beim Greifen und der Manipulation von Gegenständen mit der Hand vor allem drei Signale wichtig: Die Information darüber, wo eine Berührung stattfindet, mit welchem Druck dies geschieht und wann genau der Kontakt stattfindet – also das Timing der Berührung. Wie sich diese sensorischen Informationen künstlich nachbilden lassen, haben die Wissenschaftler nun mit Versuchen an Rhesusaffen untersucht.
Für ihre Tests ermittelten die Forscher zuerst, welche elektrischen Signale bestimmte Tastempfindungen an der Hand der Tiere in ihrem sogenannten somatosensorischen Cortex auslösen – dem Gehirnbereich, in dem die aus verschiedenen Körperregionen eingehenden Sinneseindrücke registriert werden. Dabei zeigte sich, dass der Ort einer Berührung – ob am Zeigefinger oder am Ringfinger – jeweils einen bestimmten Bereich in diesem Hirnareal aktiviert. Wie stark der Druck ist, zeigte sich darin, wie viele Neuronen in diesem Gebiet aktiviert wurden: Je stärker der Druck, desto größer war die aktivierte Neuronenpopulation, wie die Forscher erklären. Blieb noch die Frage, wie das dritte wichtige Signal kodiert ist, der Zeitpunkt des Kontakts oder des Kontaktverlusts. Wie die Messungen zeigten, signalisieren die Tastsensoren in der Hand dies, indem sie einen kurzen Puls starker, schnell schwankender Signale ans Gehirn schicken – quasi eine Art “Achtung!”- Hinweis.
Tastempfindung per Elektrode
Um nun diese natürliche Rückmeldung mittels elektronischer Signale nachzuahmen, pflanzten die Forscher drei Rhesusaffen Elektroden unter die Schädeldecke. Sie wurden so platziert, dass sie genau auf dem Gebiet des somatosensorischen Cortex lagen, das für die Verarbeitung der Handsignale zuständig ist. Über diese Elektroden sendeten die Forscher nun genau die elektrischen Impulse ans Gehirn, die normalerweise Rückmeldung über Ort, Timing und Stärke einer Berührung geben. Und tatsächlich: Die Affen reagierten auf diese künstlichen Signale genauso, wie zuvor auf die echten Berührungen. Sie konnten unterschieden, ob das Signal dem Kontakt am Zeige- oder Ringfinger entsprach, wann die Berührung einsetzte oder aufhörte und sogar, welche von zwei Berührungen mit mehr Druck erfolgte.
Dieses Ergebnis ist nach Ansicht der Forscher ein erster Schritt, um künftig Prothesen mit sensorischen Rückmeldungen auszustatten. Denn die von ihnen identifizierten und an den Affen getesteten Signale könnten auch beim Menschen dazu dienen, die Tastinformationen ans Gehirn weiterzugeben. “Das ist ein wichtiger erster Schritt dahin, Menschen den Tastsinn zurückzugeben, die ihn durch Amputation eines Gliedes oder Lähmung verloren haben”, konstatieren Tabot und seine Kollegen. Für den Einsatz am Menschen müsse das System sicher noch modifiziert werden, zudem das Einpflanzen von Elektroden ins Gehirn kein trivialer Eingriff sei. Dennoch sehen die Wissenschaftler darin eine Chance, die Nutzung von Prothesen zu vereinfachen und zu verbessern. “Wir glauben, dass dieses biomimetische Feedback die Geschicklichkeit und Wirklichkeitsnähe von Armprothesen deutlich erhöhen könnte”, so die Forscher.
