Bei Menschen mit Lähmungen oder Amputationen können neuroprothetische Systeme, die die Muskelkontraktion mit elektrischem Strom künstlich stimulieren, dabei helfen, die Funktion der Gliedmaßen wiederherzustellen. Trotz jahrelanger Forschung ist dieser Prothesentyp jedoch aufgrund der schnell einsetzenden Muskelermüdung und der schlechten Kontrolle nicht weit verbreitet. Jetzt haben MIT-Forscher einen neuen Ansatz entwickelt, von dem sie hoffen, dass er eine bessere Muskelkontrolle bei weniger Ermüdung ermöglicht. Ein auf Optogenetik basierender Ansatz: Statt Strom zur Muskelstimulation zu nutzen, nutzten sie Licht.
In einer Studie an Mäusen zeigten Forscher, dass diese Technik eine präzisere Muskelkontrolle ermöglicht und gleichzeitig die Ermüdung drastisch reduziert. Obwohl diese Methode derzeit nicht auf den Menschen anwendbar ist, könnte sie den Bereich der Prothetik revolutionieren und Menschen mit eingeschränkter Gliedmaßenfunktion helfen.
Optogenetik: ein Licht in der Dunkelheit der motorischen Behinderung
Die Idee, Muskeln mit Licht zu steuern, mag wie Science-Fiction erscheinen, basiert jedoch tatsächlich auf einem bekannten Prinzip der Biologie: der Optogenetik. Bei dieser Technik werden Zellen genetisch so verändert, dass sie lichtempfindliche Proteine exprimieren, wodurch ihre Aktivität durch die Einwirkung von Lichtimpulsen gesteuert werden kann. Bisher wurde vor allem die Optogenetik eingesetzt um die Funktionsweise des Gehirns zu untersuchen, aber MIT-Forscher hatten die Intuition, es auf die Bewegungssteuerung anzuwenden.
Ihr Experiment an Mäusen zeigte, dass die optische Stimulation der Muskeln mehrere Vorteile gegenüber der herkömmlichen elektrischen Stimulation bietet. Erstens ermöglicht es eine feinere und stufenweisere Kontrolle der Kontraktionskraft, ähnlich der natürlichen des menschlichen Körpers. Während die elektrische Stimulation dazu neigt, den gesamten Muskel auf einmal zu aktivieren, was zu plötzlichen und ungenauen Bewegungen führt, ermöglicht Licht eine schrittweise „Rekrutierung“ der Muskelfasern, wodurch eine flüssigere Reaktion proportional zur Intensität des Reizes erzielt wird.
Aber die wahre Stärke der Optogenetik ist die Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung. Elektrisch stimulierte Muskeln erschöpfen sich schnell, innerhalb von 5 bis 10 Minuten, was eine längere Verwendung der Prothesen erschwert. Mit Licht jedoch Den Forschern gelang es, die Stimulation über eine Stunde lang aufrechtzuerhalten, bevor sie Anzeichen von Müdigkeit beobachteten. Ein Ergebnis, das spannende Perspektiven für die Wiederherstellung der Motorik bei Menschen mit Behinderungen eröffnet.
Von der Theorie zur Praxis: Die Herausforderungen, denen man sich stellen muss
Natürlich ist der Übergang von der Maus zum Menschen weder offensichtlich noch unmittelbar. Die größte Herausforderung besteht darin, einen sicheren und wirksamen Weg zu finden, lichtempfindliche Proteine in die menschlichen Muskeln einzuführen. Vor einigen Jahren wurde das Labor von Hugh Herr (der Autor der Studie dass ich dich hier verlinke) hatte berichtet, dass diese Proteine bei Ratten eine Immunantwort auslösen können, die sie deaktiviert und zu Muskelschwund und Zelltod führen kann. Ein erhebliches Hindernis, an dem Forscher hart arbeiten.
„Ein Hauptziel des K. Lisa Yang Center for Bionics ist die Lösung dieses Problems“, sagt Herr. „Es werden vielschichtige Anstrengungen unternommen, um neue lichtempfindliche Proteine und Strategien für deren Abgabe zu entwickeln, ohne eine Immunantwort auszulösen.“
Sind weitere Schritte notwendig, um menschliche Patienten mit Optogenetik zu erreichen? Die Entwicklung neuer Sensoren zur Messung von Muskelkraft und -länge sowie neuer Möglichkeiten zur Implantation der Lichtquelle. Eine bedeutende technische Herausforderung, der sich die Forscher jedoch unbedingt stellen wollen. Sie hoffen, dass ihre Strategie im Erfolgsfall Menschen zugute kommen könnte, die Schlaganfälle, Gliedmaßenamputationen und Rückenmarksverletzungen erlitten haben, sowie anderen, deren Fähigkeit, ihre Gliedmaßen zu kontrollieren, eingeschränkt ist.
Nicht mehr zu reparieren: Auf dem Weg zur Stärkung des menschlichen Körpers?
Die Implikationen dieser Forschung gehen weit über den medizinischen Bereich hinaus. Sollte sich die optogenetische Technik beim Menschen als wirksam und sicher erweisen, könnte sie den Weg für eine echte Verbesserung der motorischen Fähigkeiten ebnen. Stellen Sie sich vor, Sie könnten die Kraft, Geschwindigkeit oder Ausdauer Ihrer Muskeln durch eine einfache Injektion lichtempfindlicher Proteine steigern. Oder die Möglichkeit, dank einer optogenetischen Gehirn-Maschine-Schnittstelle die Bewegung eines Roboterglieds mit Gedanken zu steuern. Szenarien, die heute wie Science-Fiction wirken, morgen aber Wirklichkeit werden könnten.
Wie immer wirft dies auch nicht zu vernachlässigende ethische und soziale Fragen auf. Wer wird Zugang zu diesen Technologien haben? Werden sie nur für medizinische Zwecke reserviert oder stehen sie auch für „Freizeit“-Zwecke zur Verfügung? Welchen Einfluss werden sie auf unsere Vorstellung von Normalität und Behinderung haben? Und wie wird sich die Beziehung zwischen dem biologischen Körper und der Technologie weiterentwickeln?
Es handelt sich um offene Fragen, die einer eingehenden Reflexion und ausführlichen Debatte bedürfen. Eines ist jedoch sicher: Die MIT-Forschung zur optogenetischen Muskelstimulation bietet uns einen faszinierenden Einblick in die Zukunft der Prothetik und der menschlichen Verbesserung. Eine Zukunft, in der Licht die Welt buchstäblich bewegen könnte, Muskel für Muskel.
