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Mensch, Maschine!

Fitness-Armbänder messen Puls und Atmung, Mini-Computer mildern Schmerzen oder springen ein, wenn das Herz aus dem Takt gerät. Moderne Schnittstellen zwischen Computer und Mensch können schwere Erkrankungen mildern und möglicherweise sogar Entzündungen drosseln. Was ist heute machbar - und woran tüfteln Forscher noch?

Schrittzähler, Fitness-Armbänder und -Uhren zählen Schritte, messen die Schlafqualität und ermitteln den Puls. Viele erhoffen sich davon mehr Motivation, zum Beispiel, um sich mehr zu bewegen. Inzwischen ist die Sammlung und Verarbeitung solcher Daten ein Wirtschaftsfaktor geworden. Fast täglich gibt es neue Ideen für diesen Markt. Modemacher entwickeln „smarte“ Kleidung mit Biosensoren. Die Medizin setzt Biosensoren ein, um Daten zu sammeln und auszuwerten. Ziel ist es, mehr Erkenntnisse über Erkrankungen zu gewinnen und deren Ursachen zu verstehen sowie die Behandlung zu optimieren. Eines Tages könnten solche Sensoren dazu beitragen, erkrankungsbedingte Einschränkungen zu kompensieren und die aktive Teilhabe am Leben zu verbessern. Bestimmte Daten können direkt an den behandelnden Arzt, Therapeuten oder das Pflegepersonal übermittelt werden, der sie zeitnah interpretiert und bei Beratung und  Behandlung mit  berücksichtigt. Allerdings gibt es noch zahlreiche offene Fragen, etwa zum Datenschutz.

Der Vagusnerv ist der längste Nerv im Körper. Er beginnt im Hirnstamm und verläuft durch Hals und Brustraum in den Bauch, wo er das  Gehirn mit dem Nervengeflecht des Darms verbindet. Mithilfe spezieller Sensoren lässt er sich beeinflussen. So ist es beispielsweise gelungen, mithilfe einer solchen Vagusnerv-Reizung die Produktion von entzündungsfördernden Botenstoffen zu drosseln. Es gelang, den Verlauf einer entzündlichen Erkrankung wie rheumatoide Arthritis (RA) oder Morbus Crohn zu mildern, indem die Entzündungsaktivität unterdrückt wurde. Dazu nutzte man den  Mechanismus, über eine Reizung des Nervs die Kommunikation der Zellen untereinander über Botenstoffe (Zytokine) zu beeinflussen. Mit dieser Reizung kann man eine Aktivierung der Entzündungszellen und ihrer Bildung der Botenstoffe erreichen, aber auch hemmen. Es gibt erste Erfolge in einer Studie bei einer kleinen Gruppe von Patienten mit rheumatoider Arthritis.
Weitere Studien sind erforderlich, bevor ein solcher Sensor am Patienten eingesetzt werden kann. Mögliche weitere Einsatzgebiete sind Epilepsie und Depressionen.

Ein kleiner Sensor kann den Blutzucker überwachen und die erforderliche Insulinausschüttung regulieren. Mithilfe einer App können Diabetiker die Daten über den Blutzuckerspiegel und der Insulinmenge über den gesamten Tagesverlauf abrufen. Mittlerweile sind solche Geräte nur noch so groß wie eine Zwei-Euro-Münze.

Bei chronischen Schmerzzuständen können Ärzte das Rückenmark stimulieren. Das geht zum Beispiel bei in die Beine ausstrahlenden Schmerzen nach Verletzungen, Bandscheibenveränderungen, Phantomschmerzen oder Durchblutungsstörungen der Arme und Beine. Diese Methode gibt es seit mehr als 30 Jahren. Dazu setzt ein Chirurg unter örtlicher  Betäubung dünne Elektroden hinter das Rückenmark in den sogenannten Epiduralraum. Außerdem erhält der Patient einen Generator unter der Bauchhaut eingesetzt, der mit den Elektroden verbunden ist. Der Patient kann über ein Handsteuergerät das Gerät an- und ausschalten und die Stärke des Reizes selbst regulieren. Der Schmerz weicht dann einem angenehmen und weichen Kribbeln.

Es klingt nach Science-Fiction: die Steuerung ganzer Körperfunktionen mit einem Chip im Gehirn. Tatsächlich ist es der Wissenschaft gelungen, einem Rhesusaffen einen Messfühler mit 320 Elektroden zu implantieren, die einen Roboterarm steuerten. Der Affe konnte mithilfe eines Joysticks den Roboterarm bedienen. Nach einiger Zeit gelang es dem Tier, auch ohne Joystick den Roboterarm nur mithilfe seiner Gedanken zu bewegen. Denkbar sind zum Beispiel Chips, die es ermöglichen, Arm- oder Beinprothesen zu bewegen.

Ein anderes Verfahren – die sogenannte Periphere Nervenstimulation (PNS) – setzt an den peripheren Nerven an. Dazu legen Ärzte die Elektroden an die Nerven oder ins Unterhautfettgewebe. Über ein  Steuerungsgerät kann der Patient die Intensität regeln. Das Gerät sollte zum Beispiel bei der Regeneration von Nerven etwa nach Querschnittslähmung oder Schlaganfall helfen oder bei der Prothesenansteuerung nach Amputation. Die Erwartungen erfüllten sich jedoch nicht. Zwar gab es ein Gerät, das die Greiffunktion der Hand unterstützte, doch die Firma musste Insolvenz anmelden. Um die Funktion ganzer Gliedmaßen oder Organe umzusetzen, müssen noch riesige Herausforderungen  bewältigt werden. Denn das Zusammenspiel von Muskeln, Knochen, Nerven und Durchblutungsvorgängen ist äußerst komplex.

Künftig müssen Chips nicht unbedingt mithilfe von Nadelelektroden implantiert werden. Neueste Forschungen arbeiten mit sogenannten Electro-CorticalGrids, also sensitiven „Gittern“, die man auf das  Gehirn auflegt und die deutlich mehr Elektroden enthalten, als Ärzte implantieren könnten. Sie erlauben es Hirnforschern, umfangreiche Daten aus dem Gehirn abzuleiten und zu verarbeiten. Möglicherweise könnten so eines Tages auch schwerstgelähmte  Menschen mithilfe von Hirnströmen kommunizieren. Schätzungsweise 50.000 Elektroden, beziehungsweise Sensoren, bräuchte man für eine Steuerung des  ganzen Körpers. Diese große Zahl umzusetzen, ist eine Herausforderung, die die Wissenschaft noch meistern muss. Da Eingriffe am Gehirn sehr risikoreich sind, arbeiten Forscher weltweit daran, die Daten über den Chip via Funk abzuleiten.

Seit den Siebzigerjahren können elektrische oder neuerdings auch magnetische Stimulationen in speziellen Gehirnregionen beispielsweise dazu beitragen, ungewolltes Zittern bei Tremor- und Parkinsonerkrankungen zu behandeln. Weitere Anwendungen für die tiefe Hirnstimulation werden erforscht, etwa die Hirnstimulation bei Schmerzen, Depressionen, Epilepsien, Tourette-Syndrom, Essstörungen und sogar die Rehabilitation nach Schlaganfällen. Für eine „tiefe Hirnstimulation“ muss ein Chirurg bei einer Operation Elektroden im Gehirn legen. Sie sind unsichtbar verbunden mit dem ebenfalls implantierten Generator, der die Stromimpulse sendet. Die Effekte sind dauerhaft. Bei der sogenannten transkraniellen Hirnstimulation liegen die Elektroden außen an der Schädeldecke an, zum Beispiel über ein Stirnband. Die Behandlung muss wiederholt erfolgen, da die Effekte nicht von Dauer sind. Das US-Verteidigungsinstitut erforscht diese Effekte, um beispielsweise Reaktionsschnelligkeit zu trainieren und Müdigkeit zu reduzieren. Es gibt bereits Überlegungen, damit die Leistungen des Menschen allgemein zu steigern. Eine kritische Diskussion war die Folge.

Sogenannte Bewegungssensoren (Inertial-Sensoren, On-Chip-Radar) ermitteln die aktuelle Position, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung, ohne dass der Patient den Sensor direkt am Körper trägt. Das ermöglicht nicht nur die Orientierung in den eigenen vier Wänden und in der Umwelt, sondern auch die Überwachung der Atmung über die Bewegung des Brustkorbs. Forscher testen derzeit, ob sich solche Systeme zum Beispiel für Demenzpatienten eignen. Weitere Einsatzgebiete sind die Kontrolle von Schlaffunktionen und Unterstützung bei der Pflege zu Hause. Spezielle Sensoren können die Bewegung und die Druckbelastung des Patienten im Bett analysieren und damit dazu beitragen, ein Druckgeschwür (Dekubitus) zu verhindern. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert einige Projekte, die sich der Unterstützung von Betroffenen mit Demenzerkrankungen widmen. Ein Ziel ist es beispielsweise, Betroffene möglichst lange das Leben in den eigenen vier Wänden zu ermöglichen, gleichzeitig aber Angehörige und Betreuungspersonal zu unterstützen. Dazu müssen Ingenieure, Software-Hersteller, Designer und medizinisches Fachpersonal, aber auch Betroffene, Betreuungspersonen und Angehörige Hand in Hand arbeiten. Im PYRAMID-Verbundprojekt haben acht Partner gemeinsam ein Unterstützungssystem für Demenzkranke entwickelt, das Gesundheits- und Pflegedaten erhebt und damit die Therapie verbessern soll.

Eine Behandlung mit weniger Medikamenten oder vielleicht sogargar keinen Medikamenten – das ist ein Ziel der Geräteentwicklung. Einige Forscher beschreiben Biosensoren als „nebenwirkungsfrei“. Allerdings darf man die Risiken nicht vernachlässigen, die durch eine Operation entstehen, bei der solche Sensoren eingesetzt werden. Welche möglichen Langzeitnebenwirkungen oder Komplikationen auftreten können, wissen wir noch nicht. Diese Fragen sind ebenso zu klären, wie die Herausforderungen nach Biokompatibilität, mögliche Bauformen und Einsatzgebiete für Sensoren (zum Beispiel in der Haut, in der Kleidung oder als eingesetztes Implantat). Auch Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie die Kosten solcher Anwendungen bleiben zu klären. Je kleiner die Geräte sind, desto eher werden Betroffene sie akzeptieren. Darüber hinaus können Sensoren inzwischen Tausende von Daten erfassen, die man möglicherweise auch falsch interpretieren kann. Auf der anderen Seite bieten Mensch-Computer-Schnittstellen und Biosensoren vielen Menschen die Chance auf eine neue Lebensqualität und den Ausgleich eingeschränkter Körperfunktionen. Ähnlich wie Insulinpumpe oder Herzschrittmacher werden künftige Mikrosysteme nicht nur Daten erfassen, sondern gleichzeitig auch die Therapie bereitstellen, also zum Beispiel automatische Injektionen ermöglichen. Diese müssen mit entsprechenden Datenverarbeitungskomponenten zusammengeführt werden. Außerdem muss die Frage nach der unabhängigen Energieversorgung und der drahtlosen Datenübertragung  geklärt werden. Genau wie bei der Entwicklung neuer Medikamente sollte der Einsatz der Biosensoren kritisch überprüft und Daten genau erhoben und dokumentiert werden. Außerdem sollte eine Nutzen-Risiko-Bewertung mit dem Ziel der höchstmöglichen Patientensicherheit erfolgen. In der technischen Entwicklung scheint derzeit nichts unmöglich: Biosensoren werden immer kleiner („Sensor-Staub“) und  können unterschiedlichste Daten zusammenführen. Allerdings sollte man kritisch bleiben: Nicht alles, was möglich ist, ist auch nötig.
Ärzte oder Pflegepersonal werden dadurch nicht überflüssig. Möglicherweise wird sich dadurch aber ihre Rolle ändern und Ärzte mehr eine beratende Funktion einnehmen, wenn Biosensoren Diagnostik und Therapie abdecken können. Das aber schafft neue Potenziale in der Versorgung und voraussichtlich auch eine Erhöhung der Lebensqualität.

Erste Netzhautimplantate können helfen, Sehstörungen auszugleichen, sofern Sehnerv und die Sehrinde im Gehirn intakt sind. Eine Kamerabrille verändert einfallende Lichtsignale in Impulse und überträgt sie auf einen Chip, der in die Netzhaut implantiert wird. Das Gehirn kann die Signale in ein – wenn auch nur schemenhaftes –Bild übersetzen.

Autorin Dr. Jacqueline Detert

Sie arbeitet in der Charité-Universitätsmedizin Berlin, Klinik für Rheumatologie und Klinische Immunologie. Co-Autoren sind ihre Projektpartner, der Diplom-Physiker Erik Jung vom Fraunhofer IZM und Dr. Markus Detert vom Institut für Mikro- und Sensorsysteme der Universität Magdeburg. Alle drei arbeiten gemeinsam im BMBF-geförderten Verbundvorhaben PYRAMID, das modulare Messsysteme für die individuelle Therapie und Betreuung von Demenzpatienten entwickelt.