Biologisch-technische Schnittstellen für die Neuroprothetik Nerven steuern Prothesen

Entscheidend für die Funktionsfähigkeit einer Neuroprothese ist die Schnittstelle zwischen dem biologischen und dem technischen System. Hier wird ein Überblick über verschiedene implantierbare biologischtechnische Schnittstellen für Neuroprothesen gegeben; die einzelnen Schritte...

Biologisch-technische Schnittstellen für die Neuroprothetik

Entscheidend für die Funktionsfähigkeit einer Neuroprothese ist die Schnittstelle zwischen dem biologischen und dem technischen System. Hier wird ein Überblick über verschiedene implantierbare biologischtechnische Schnittstellen für Neuroprothesen gegeben; die einzelnen Schritte des Herstellungsprozesses werden am Beispiel flexibler Polyimid-Mikro-Elektroden dargestellt.

Neuroprothesen werden in der Medizin zur Modulation, zur Überbrückung oder zum Ersatz gestörter neuronaler Funktionen mit motorischem oder sensorischem Hintergrund eingesetzt [1]. Mit ihrer Hilfe können muskuläre (myogene) und neuronale Strukturen im peripheren, zentralen, spinalen oder vegetativen Nervensystem durch elektrische Reize stimuliert werden. In der klinischen Praxis haben sich Systeme wie der Herzschrittmacher, das Innenohr-Implantat (Cochlea) sowie Implantate zur Tiefenhirnstimulation bei der Parkinsonschen Krankheit bereits etabliert. Ein weiteres bedeutendes Anwendungsfeld ist die „funktionelle Elektrostimulation“ zur Behandlung von Querschnittsgelähmten und Schlaganfallpatienten. Darüber hinaus werden zunehmend implantierbare Elektrostimulatoren zur Behandlung von chronischem Schmerz und Inkontinenz mittels Neuromodulation verwendet.

Neben dem Einsatz zur elektrischen Stimulation eignen sich Neuroprothesen auch zur Ableitung bioelektrischer Signale von neuronalen und myogenen Strukturen. Diese Signale können zum einen zur Steuerung technischer Systeme genutzt werden. Beispiele hierfür sind muskelgesteuerte (myoelektrische) Handprothesen sowie die Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI – Brain Computer Interface), die etwa Menschen mit einem „Locked-in“-Syndrom die Kommunikation mit der Außenwelt ermöglicht. Zum anderen können die Signale zur Steuerung einer elektrischen Stimulation genutzt werden, etwa in einem Herzschrittmacher oder einem Blasenstimulator.

Biologischtechnische Schnittstellen

Um eine Kommunikation zwischen dem biologischen und dem technischen System zu ermöglichen, ist die Neuroprothetik auf geeignete Schnittstellen angewiesen. An ihnen wird der auf Elektronen als Ladungsträger basierende Strom des technischen Systems umgewandelt in den ionenbasierten Strom des biologischen Systems und umgekehrt. Zu diesem Zweck werden Elektroden verschiedenster Bauformen eingesetzt (Bild 1). Es ist zu erkennen, dass eine zunehmende lokale Wirksamkeit der Elektrode (Selektivität) – d.h. das Potential, einzelne Nervenfasern möglichst gezielt ansteuern zu können – in der Regel auch durch die Schwere des Eingriffs (Invasivität) gekennzeichnet ist. So kommt es beim Einsatz einer Cuff-Elektrode, die manschettenförmig um den Nerv gelegt wird, nur zu einer geringfügigen Irritation der Nervenfasern, allerdings weist dieser Elektroden-Typ auch nur eine vergleichsweise geringe Selektivität auf. Eine sehr hohe Selektivität lässt sich dagegen mit einer Sieb-Elektrode erzielen, deren Implantation jedoch die Durchtrennung eines Nervs erfordert, der anschließend durch die Löcher der Siebstruktur hindurch regeneriert. In der Anwendung muss für jeden konkreten Fall abgewogen werden, welcher Eingriff noch vertretbar ist, um die geforderte Wirkung (Selektivität) zu erreichen [2].