Echtzeit-Ganganalysensystem GRAIL: Dem Gehen bei inkomplett Querschnittgelähmten einen Schritt näherkommen

Der Verlust der Gehfähigkeit ist für querschnittgelähmte Patienten die grösste Einschränkung nach einer Rückenmarksverletzung.

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Chris Schmidt absolvierte das Studium der Sportwissenschaften und Biomechanik an der Deutschen Sporthochschule in Köln und ein bilaterales Doktoratsstudium in Frankreich und Australien. Seit 2014 ist Chris Schmidt an der Universitätsklinik Balgrist tätig, um die Forschung im Bereich Bewegungsanalyse zu unterstützen. Es fasziniert ihn, welche funktionale Erholung bei vielen inkompletten Querschnittgelähmten möglich ist und er entwickelt Ansätze, um die Gang-Therapie noch weiter zu verbessern. In seiner Freizeit ist Chris Schmidt immer in Bewegung – sei es am Klettern in den Bergen oder beim Biken.

Chris Schmidt
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Im Fall einer kompletten Durchtrennung des Rückenmarks, gibt es derzeit keine Hoffnung auf die Wiedererlangung des natürlichen Gehens. Technische Lösungen, wie Exoskelette oder geländefähige Rollstühle, sind hier gefragt und werden fortlaufend entwickelt. Bei einer inkompletten Querschnittlähmung, wenn also einige leitende Nervenfasern noch existieren, besteht für Betroffene jedoch die Hoffnung, dass sie das Gehen wieder erlernen können. Am Zentrum für Paraplegie der Universitätsklinik Balgrist verfügen wir über eine Reihe von Therapiegeräten, welche die Flexibilität von Rückenmark und Gehirn nutzen, um bestehende neuronale Verbindungen zu stärken und besser zu vernetzen. Die vom Hirn gesteuerten Bewegungsabläufe und die Sensorik, also die Aufnahme von Reizen über die Sinnesorgane, müssen unter den veränderten Bedingungen nach einer inkompletten Querschnittslähmung neu miteinander verbunden werden. Der Körper erfasst nach wie vor Bewegungen über Rezeptoren an den Fusssohlen, in den Gelenken und in den Muskeln und meldet diese dem Rückenmark. Diese Vorgänge sind nur wenig auf Signale aus dem Gehirn angewiesen, und werden daher nur minimal durch eine Läsion im Rückenmark beeinflusst. Im Rückenmark werden die sensorischen Signale jedoch mit den Anweisungen aus dem Hirn verknüpft und es entstehen neue, angepasste Vernetzungen der Nerven. Mithilfe solcher Vorgänge können inkomplett querschnittgelähmte Patienten das Laufen teilweise wiedererlernen. Dies ist jedoch ein Prozess, der zeitintensiv ist und viel Engagement von den Patienten erfordert.

Kommunikation zwischen Hirn und Rückenmark verbessern

Derzeit werden verschiedene Therapieansätze verfolgt, die eine Verbesserung der Kommunikation zwischen Hirn und Rückenmark nach einer Verletzung versprechen und damit die Neuvernetzung der Nerven beschleunigen. Es wird nämlich angenommen, dass eine gewisse Aktivierung des Rückenmarks auf die eingehenden Gangimpulse vorbereitet. Das Gehirn löst dann das Gehen in Richtung eines bestimmten Ziels aus und das Rückenmark generiert relativ eigenständig motorische Muster, welche die verschiedenen Muskeln und Gelenke zum Gehen bringen. Das Gehirn hat hierbei eine eher übergeordnete Rolle – es signalisiert die Richtung und die Geschwindigkeit. Sind wir jedoch mit einer Unebenheit oder einer Richtungsänderung konfrontiert, muss es wieder aktiv eingreifen und die Motorik entsprechend anpassen.

Einziges Echtzeit-Ganganalysensystem im deutschsprachigen Raum

Um den Erfolg der neuen Therapien zu erfassen, messen wir die Effizienzsteigerung beim Gehen, also die Gehgeschwindigkeit und die Ausdauer. Damit wir diesen Vorgang des natürlichen Gangs untersuchen können, verwenden wir am Zentrum für Paraplegie das «Gait Realtime Analysis Interactive Lab», kurz genannt GRAIL, das einzige Echtzeit-Ganganalysesystemen seiner Art im deutschsprachigen Raum. Das GRAIL besteht aus einem Laufband mit zwei Bändern, das auf einer Bewegungsplattform steht und von einer um 180 Grad gebogenen Leinwand umgeben ist, die eine virtuelle Realität darstellen kann. Diese Leinwand ist mit einem Bewegungsmesssystem verbunden, das äussere Bewegungen und Muskelaktivitäten der Patienten misst. Alle Komponenten sind in Echtzeit gekoppelt und erlauben das variable Programmieren von Eingangs- und Ausgangssignalen. Wir können beispielsweise den Winkel im rechten Knie messen und die Neigung des Laufbands bei ungenügender Streckung so anpassen, dass sie vollständig ermöglicht wird. Mit ähnlichen Manipulationen von Geschwindigkeit und Orientierung versuchen wir bestimmte Kontrollprozesse beim Gehen mehr oder weniger bewusst zu provozieren. So können wir beobachten, wie gut ein Patient Anpassungen – wir bezeichnen diese als aktive Gangmodulation – aktiv, spezifisch und konstant vornehmen kann. Beim Gehen geben uns vor allem die Reaktionen in herausfordernden Situationen mit Richtungsänderungen und dem gleichzeitigen Verarbeiten von visuellen Signalen, Aufschluss darüber, wie funktionsfähig die Kommunikation zwischen Hirn und Rückenmark ist.

Entscheidender Beitrag an Rückenmarksforschung

Mit dem GRAIL können wir aufschlussreiche Tests entwickeln, um zu verstehen, wie Befehlssignale aus dem Gehirn und Rückmeldungssignale aus dem Körper während dem Laufen im Rückenmark verarbeitet werden. Dadurch erbringen wir einen entscheidenden Beitrag im Bereich der Rückenmarksforschung. Durch die Entwicklung neuer Messmethoden können wir den Therapieerfolg nämlich genauer messen und auf ausschlaggebende Erholungsmechanismen rückschliessen. Nur mit der Erhebung von Geschwindigkeit und Ausdauer wäre dies unmöglich. Sensitivere und spezifischere Erfassungsmethoden erhöhen die Chancen, dass neuartige Therapien in klinischen Versuchsreihen erfolgreich abgeschlossen werden können. Unser Ziel ist es, der vollständigen Wiedererlangung des Gehens bei inkomplett querschnittgelähmten Patienten damit einen Schritt näher zu kommen.

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