EXTEND – Neuromuskuläre Defizite überwinden durch innovative Schnittstellentechnologien

Bidirektionale Mikroelektroden des Fraunhofer IBMT helfen, pathologischen Tremor zu reduzieren. Die Partner in dem von der EU geförderten Projekt »EXTEND« entwickeln Technologien und Methoden, um eine Plattform minimal-invasiver neuronaler Schnittstellen zu schaffen. Diese ermöglicht eine bidirektionale Verbindung zwischen einem dichten Netzwerk von implantierten drahtlosen Mikrostimulatoren und -sensoren in Echtzeit. Die sogenannten Bidirektionalen Hyper-verbundenen Neuronalen Systeme (Bidirectional Hyper-connected Neural Systems - BHNS) stimulieren und erfassen neuromuskuläre Aktivität synchronisiert an verschiedenen Stellen des Körpers. Nun haben die EXTEND-Wissenschaftler gezeigt, dass der BHNS-Ansatz den essentiellen Tremor reduzieren kann.

 

4. März 2021


Für Gehirn- und neuronale Schnittstellentechnologien bestehen derzeit noch erhebliche Einschränkungen. Geeignete Werkzeuge und Technologien für Menschen, die an neuromuskulären Defiziten leiden, sind derzeit nicht ausreichend verfügbar. Nicht-invasive neuronale Schnittstellentechnologien, wie EEG oder EMG, sind von Natur aus unidirektional und von begrenzter Alltagstauglichkeit und Leistungsfähigkeit. Auf der anderen Seite erlauben invasivere Schnittstellen (wie z. B. implantierte Nervenelektroden) zwar Bidirektionalität und robustere multilokuläre Signale, sind aber immer noch auf chirurgische Eingriffe und komplexe Signalverarbeitung angewiesen.

EXTEND: Entwicklung eines neuartigen Konzeptes bidirektionaler, hyperverbundener neuronaler Systeme (BHNS)

Seit Anfang des Jahres 2018 entwickeln die Partner des EU-Verbundprojekts »EXTEND« ein neuartiges Konzept bidirektionaler, hyperverbundener neuronaler Systeme (BHNS), um die Möglichkeiten neuronaler Schnittstellen durch minimalinvasive Kommunikationsverbindungen zwischen mehreren Nerven im Körper und mehreren externen Geräten zu erweitern. EXTEND hat sich zum Ziel gesetzt, BHNS durch die Entwicklung einer disruptiven, drahtlosen neuromuskulären (injizierbaren) Schnittstellentechnologie zu realisieren. Diese ermöglicht eine verteilte Stimulation, Erfassung, Verarbeitung und Analyse der neuromuskulären Aktivität, die letztlich den neuronalen Code der Bewegung darstellt.

Tremor-Management und Exoskelette zur Unterstützung bei Rückenmarksverletzungen

Die Vorteile der neuen BHNS werden in zwei Anwendungen gezeigt. Die erste ist das Tremor-Management bei essentiellem Tremor (ET) und Parkinson-Krankheit (PD). ET betrifft schätzungsweise 4-5 % der Bevölkerung über 65 Jahre und PD etwa 1 % der Bevölkerung über 60 Jahre. Die zweite Anwendung liegt in assistiven Exoskeletten mit neuronalen Schnittstellen für den Einsatz bei Personen mit Rückenmarksverletzungen (SCI).

Kommunikationskanäle zwischen verschiedenen sensorischen und motorischen Nerven

Das BHNS schafft Kommunikationskanäle zwischen verschiedenen sensorischen und motorischen Nerven, die eine synthetische Aktions-Reaktions-Kette der Sensomotorik ermöglichen. Die Muskelaktivität oder sensorische Wahrnehmung wird durch neuromuskuläre Stimulation moduliert, die nicht nur auf gemessenen lokalen Informationen (z. B. willentliche Aktivierung, Reflexaktivierung) basiert, sondern auch auf Aktivitäten, die in anderen Teilen des Körpers gemessen werden. Externe Geräte, wie z. B. Exoskelette können durch neuromuskuläre Aktivität an mehreren Stellen des Körpers in Echtzeit gesteuert werden. Über die externen Geräte werden geschlossene Regelkreise zur Modifikation des sensomotorischen Verhaltens geschaffen, um Bewegungsstörungen zu korrigieren (z. B. Elektrostimulation zur pathologischen Tremorunterdrückung und EMG-basierte Regelung von Exoskeletten für die SCI-Rehabilitation).

Alternativer Therapieansatz für Tremor-Patienten

Als erste Implementierung des BHNS-Ansatzes haben die EXTEND-Wissenschaftler bereits die intramuskuläre elektrische Stimulation unterhalb der motorischen Schwelle zur Reduktion des Tremors bei Patienten mit essentiellem Tremor getestet. Die Ergebnisse zeigten eine akute und über 24 Stunden anhaltende Tremor-Reduktion, was die Möglichkeit eines alternativen Therapieansatzes für Tremor-Patienten eröffnen könnte. In der online veröffentlichten Publikation "Intramuscular stimulation of muscle afferents attains prolonged tremor reduction in essential tremor patients" werden diese vielversprechenden Forschungsergebnisse beschrieben. Die Publikation wird im Frühjahr in der Zeitschrift IEEE Transactions on Biomedical Engineering erscheinen. Die Early-Access-Version ist über die unten angegebene EXTEND-Webseite zugänglich.

Im transnationalen EXTEND-Konsortium vereinen neun Partner aus fünf Ländern (Deutschland, Island, Spanien, Großbritannien und USA) ihre multidisziplinäre Expertise, um die ehrgeizigen Ziele zu erreichen. Die Forschungsergebnisse können in vielen technologischen und wissenschaftlichen Bereichen verwertet werden, mit dem Fernziel der Realisierung innovativer Produkte in vielseitigen Anwendungsfeldern.

Fraunhofer IBMT-Kompetenz im Bereich sensorischer und aktorischer neuronaler Schnittstellen und Implantate

Das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT bringt seine langjährigen Erfahrungen und Technologien auf dem Gebiet der neuromuskulären sensorischen und aktorischen Schnittstellen gewinnbringend in das Projekt ein. Drei aufeinanderfolgende technische Ansätze mit zunehmender Integrationsdichte und Miniaturisierung werden vom Fraunhofer IBMT in enger Zusammenarbeit mit den EXTEND-Partnern entworfen, entwickelt und aufgebaut. Das für die Tremor-Management-Studie entwickelte System besteht aus einer intramuskulären Dünnfilm-Elektrode, die sowohl eine aktorische Stimulationselektrode als auch eine sensorische Elektromyographie (EMG)-Aufzeichnungselektrode für die Closed-Loop-Regelung beinhaltet. Um dies zu ermöglichen, kombiniert das Fraunhofer IBMT seine Kompetenzen und Fähigkeiten in der Mikrofertigung von hochflexiblen und dünnen, hochkanaligen Polyimid-Elektroden mit seiner Expertise in Systemintegration und Implantattechnologie, immer unter Berücksichtigung der Anforderungen an Biokompatibilität und Biostabilität.

Weitere Implementierungsstudien der EXTEND-Wissenschaftler sind für die kommenden Monate geplant. Entsprechende Informationen und Publikationen können über die Projekt-Webseite und den Neuro Interface Hub abgerufen werden.
 

Laufzeit: 01.01.2018 – 31.12.2021

Projekt-Webseite:
extend-project.eu
neurointerfacehub.extend-project.eu

Koordinator:
Spanish National Research Council (CSIC)
Neural Rehabilitation Group, Cajal Institute, Dr. Filipe Barroso, Spanien

Projektpartner:
Imperial College London (ICL), Großbritannien
Universität Pompeu Fabra (UPF), Spanien
Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT, Deutschland
Madrilenian Health Service (SERMAS), Spanien
Ossur HF (OSSUR), Island
Regionaler Gesundheitsdienst von Castilla La Mancha, (SESCAM), Spanien
Institut für Philosophie (CSIC), Spanien
Shirley Ryan AbilityLab, USA
Technaid, S.L. - Leading Motion, Spanien