Ein Amputierter kann mit Hilfe einer künstlichen Fingerspitze in Echtzeit Glätte und Rauheit einer Oberfläche fühlen, nachdem diese mit den Nerven seines Oberarmes chirurgisch verbunden wurde. Darüber hinaus gelingt es die Nerven von nicht-amputierten Personen so zu stimulieren, dass auch sie den Eindruck bekommen Rauheit zu empfinden. In diesem Fall ist es ein rein externes Verfahren, welches keine Operation erfordert. Dies bedeutet, dass der sogenannte “prothetische Touch” für Amputierte jetzt entwickelt und sicher am Menschen getestet werden kann.
Die Technologie, welche die anspruchsvolle taktile Information bereitstellen soll, wurde zusammen von Silvestro Micera und seinem Team an der EPFL (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne) und SSSA (Scuola Superiore Sant’Anna) und Calogero Oddo samt Kollegen entwickelt. Die Ergebnisse der ersten Tests, welche im Journal eLife veröffentlicht wurden, bieten neue und beschleunigte Wege für die Entwicklung von bionischen Prothesen, die mit sensorisches Feedback verbessert wurden.
Bei dem Arm-amputierten Dennis Aabo Sørensen wurde eine solche künstliche Fingerspitze an seinen Stumpf angeschlossen. Er gibt an, dass sich die Stimulation fast genauso anfühle wie das, was er mit seiner intakten Hand fühlt. Er fährt fort: “Ich fühle nach wie vor meine fehlende Hand. Gefühlt ist sie immer zu einer Faust geballt. Ich spürte die Texturempfindung der künstlichen Fingerspitze an der Spitze meines Zeigefingers.” Sørensen ist die erste Person der Welt, die eine über Elektroden mit seinem Stumpf verbundene bionische Fingerspitze, verwendet, um Texturen sinngemäß zu erkennen.
Die Nerven in Sørensens Arm wurden dabei operativ mit der künstlichen Fingerspitze verdrahtet. Die Fingerspitze selbst ist mit Sensoren ausgestattet, welche die Beschaffenheit einer Oberfläche unterscheiden und erkennen können. Während der Tests bewegte eine Maschine die Fingerspitze über mehrere Kunststoffstücke, in die verschiedene Muster graviert waren: glatte oder raue. Wenn die Fingerspitze über den strukturierten Kunststoff gefahren wurde, erzeugten die Sensoren ein elektrisches Signal. Dieses Signal wurde anschließend in eine Reihe von elektrischen Ausschlägen, welche die Sprache des Nervensystems nachahmen, übersetzt und an den intakten Nerven des Stumpfes weitergeleitet.
Sørensen konnte so in 96% der Fälle korrekt zwischen rauen und glatten Oberflächen unterscheiden.
In einer vorhergehenden Studie wurden Sørensens Implantate mit einer sensorisch verbesserten Handprothese verbunden, die es ihm erlaubte Form und Weichheit eines Objektes zu erkennen. In der neuen Veröffentlichung zum Thema Oberflächenbeschaffenheit konnte mit der bionischen Fingerspitze ein bisher ungekanntes Auflösungsvermögen für Berührungen erreicht werden.
Das gleiche Experiment zur Erkennung von Textur wurde auch bei Personen ohne Amputation durchgeführt – hier jedoch ohne die Notwendigkeit einer Operation. Die taktile Information wurde durch feine Nadeln übertragen, die vorübergehend durch die Haut im Nervus medianus befestigt wurden. Die so ausgestatteten Probanden konnten die Beschaffenheit von Texturen in 77% der Fälle richtig zuordnen.
Aber entspricht eine auf diese Weise generierte Empfindung wirklich dem Gefühl von Berührung, das durch einen echten Finger entsteht? Die Wissenschaftler testeten dies, indem sie die durch Berührung ausgelösten Gehirnwellenaktivitäten bei nicht-Amputierten verglichen: einmal mit der künstlichen Fingerspitze und einmal mit ihrem eigenen Finger. Die Gehirn-Scans, die durch eine EEG-Kappe auf dem Kopf des Probanden generiert wurden, ergaben, dass die jeweils aktivierten Regionen im Gehirn analog waren. Es kann also davon ausgegangen werden, dass die Empfindungen einander sehr ähnlich sind.
Die Arbeit konnte darüber hinaus zeigen, dass die Nadeln die Informationen über Textur in der gleichen Weise wie die implantierten Elektroden übertrugen. Dies bietet Wissenschaftlern somit ein Verfahren, mit dem man zukünftig deutlich schneller die Touch-Auflösung in der Prothetik optimieren kann.
Calogero Oddo vom BioRobotics Institut der SSSA sagt, dass diese Studie Grundlagenforschung und angewandte Ingenieurswissenschaft miteinander verbindet: Sie liefere zusätzliche Beweise, dass die Forschung in der Neuroprothetik sinnvoll zur neurowissenschaftlichen Debatte beitragen kann – insbesondere in dem Themenfeld der neuronalen Mechanismen des menschlichen Tastsinns. Zukünftig sei es auch denkbar die Anwendungsgebiete der Technik zu erweitern. Beispielsweise wäre ein Einsatz in der Robotik für die Chirurgie und Produktion denkbar.
Video(Englisch):
Text: esanum /pvd
Foto: Hillary Sanctuary /EPFL