Biegsame Schnittstelle zum Nervensystem

Mit Elektroden lassen sich Rückenmarksverletzungen umgehen, doch die starren Drähte im Körper verursachen irgendwann selbst Schäden. Forscher aus der Schweiz haben jetzt ein flexibles und damit weniger problematisches Implantat entwickelt.

Die Medizin ist heutzutage voller hochfliegender Visionen über das Auslesen von Hirnsignalen zum Steuern von Rollstühlen oder das Umgehen von Rückenmarksverletzungen mit Elektronik. Doch bei den meisten dieser Ideen für Implantate, die mit dem Nervensystem interagieren, gibt es ein grundlegendes Materialproblem: Drähte sind steif, Körper dagegen weich.

Für Forscher an der École Polytechnique Fédérale in Lausanne war das der Anlass, ein weiches, flexibles elektronisches Implantat zu entwickeln. Nach ihren Angaben ist es ebenso bieg- und streckbar wie die Hirnhaut, also die Membran, die Hirn und Rückenmark umgibt.

Zu der Gruppe gehört unter anderem Gregoire Courtine. Bereits zuvor hatten die Wissenschaftler gezeigt, dass Mäuse mit Rückenmarksverletzungen mit Implantate wieder zum Laufen gebracht werden können. Dazu schickten sie über Elektroden in der Wirbelsäule elektrische Impulse an das Rückenmark. Mit der Zeit aber beschädigten die starren Drähte das Nervensystem der Tiere.

Aus diesem Grund schloss sich Courtine mit der Elektrotechnikerin Stéphanie Lacour zusammen, um das neue Implantat zu entwickeln, das den Namen „e-dura“ erhielt. Es besteht auch weichem Silikon, dehnbaren Golddrähten und gummiartigen Elektroden mit Platin-Einschlüssen; durch einen integrierten Mikrokanal lassen sich zudem Medikamente verabreichen.

Die Arbeit macht sich aktuelle Fortschritte bei flexibler Elektronik zunutze. Andere Forscher haben damit Pflaster entwickelt, die den Eigenschaften der Haut entsprechen, aber Schaltkreise, Sensoren oder sogar Funkmodule enthalten.

Das Besondere an dem Schweizer Implantat ist, dass es biegsame Elektronik dafür einsetzt, Signale an Nerven zu senden und von ihnen zu empfangen. Auf diesem Gebiet gibt es seit einiger Zeit viel Aktivität:. „Die Leute treiben die Grenzen weiter, weil sie exakt mit dem Gehirn und dem Nervensystem interagieren möchten“, sagt Polina Anikeeva, eine Materialwissenschaftlerin am MIT, die an ultradünnen optischen Fasern als Alternative für eine Interaktion mit Nervengewebe arbeitet.

Der Grund dafür, dass Elektroden aus Metall oder Plastik irgendwann Schäden verursachen oder nicht mehr funktionieren, liegt in Druck und Reibung. Starre Implantate, egal wie dünn, lassen sich nicht dehnen, wie es das Rückenmark tut. „Sie rutschen dann gegen das Gewebe und lösen viele Entzündungen aus“, sagt Lacour. „Wenn Sie sich vorbeugen, um Ihre Schuhe zuzubinden, dehnt sich Ihr Rückenmark um mehrere Prozent.“

Das neue Implantat ahmt eine Eigenschaft menschlichen Gewebes namens Viskoelastizität nach – irgendwo zwischen Gummi und einer sehr dicken Flüssigkeit. Wenn Sie etwa die Haut auf Ihrer Hand kräftig zwicken, verformt sie sich, nimmt dann aber wieder den alten Zustand an.

Wie die Schweizer Forscher jetzt in der Fachzeitschrift Science berichteten, konnten sie mit ihrem flexiblen Implantat Rückenmarksverletzungen bei Ratten umgehen: Sie wickelten es um das Rückenmark der Tiere und schickten darüber elektrische Signale, die Bewegungen der Hinterbeine auslösten. Um den Effekt verstärken, pumpten die Forscher außerdem Medikamente durch das Implantat. Nach zwei Monaten waren relativ wenige Gewebeschäden zu erkennen. Bei konventionellen Elektroden dagegen hatten solche Schäden eine Immunreaktion ausgelöst, so dass sich die Tiere kaum mehr bewegen konnten.

Letztliches Ziel dieser Art von Forschung ist ein Implantat, mit dem Gelähmte wieder gehen können. Laut Lacour ist es noch ein gutes Stück entfernt, wird aber, wenn es kommt, weiche Elektronik beinhalten. „Wenn man eine Therapie für Patienten will, möchte man sicher sein, dass sie dauerhaft im Körper bleiben kann“, sagt sie. „Wenn wir die Eigenschaften von Nervengewebe nachbilden können, dürften wir eine bessere Schnittstelle haben.“

(sma)