Er habe Dinge fühlen können, die er jahrelang nicht mehr gespürt habe, sagt Dennis Aabo Sørensen. Er hat als erster Amputierter eine neuartige Handprothese getestet, die Forschende an der EPFL im Rahmen eines europäischen Projekts entwickeln. Die bionische Hand liefert sensorische Informationen in Echtzeit.

Prof. Silvestro Micera (Mitte) entwickelt mit seinen Doktoranden Marco Bonizzato und Francesco M. Petrini (li) sowie Postdoc Stanisa Raspopovic (re) an der EPFL eine Handprothese mit Gefühl.

«Eine Sensation», «Ein berührender Durchbruch» titelte die internationale Presse im Februar 2014, als EPFL-Professor Silvestro Micera und sein Team die Resultate ihrer Tests mit einer neuen Handprothese veröffentlichten. Erstmals konnte ein Amputierter beim Berühren und Bewegen von Gegenständen mit einer Prothese wieder etwas spüren. Der Forschungsleiter erinnert sich noch gut an die Reaktion des Prothesentesters: «Man sah an seinem Gesicht, wie glücklich er war. Das hat mir sehr viel bedeutet.» Es sei unvorstellbar gewesen, sagt Dennis Aabo Sørensen, der seine linke Hand bei einem Unfall mit Feuerwerkskörpern vor zehn Jahren verloren hat: «Wenn ich einen Gegenstand festhielt, konnte ich spüren, ob er weich oder hart, rund oder eckig war.»

Mit seiner normalen Prothese kann der 36-jährige Däne ebenfalls Gegenstände greifen. Muskelbewegungen im Armstumpf steuern das Öffnen und Schliessen der Prothese. Von Auge muss er aber überprüfen, ob er richtig zupackt und einen Gegenstand nicht zerdrückt. Wenn man beispielsweise ein Ei in die Hand nehmen wolle, reiche dieses visuelle Feedback nicht aus, erklärt Silvestro Micera. Erst unser Tastsinn liefert direkt die Informationen über die Kraft, die wir anwenden, aber auch über die Beschaffenheit der Oberfläche eines Objekts und dessen Temperatur. Das fehlende Gefühl führt ausserdem dazu, dass der Amputierte seine Prothese nicht als Teil seiner Person empfindet. «Das ist ein wichtiger neuropsychologischer Aspekt», betont der Forscher. Deshalb sei sein Ziel, diese verlorenen Informationen wiederherzustellen. Am Projekt beteiligt sind neben dem EPFL-Team Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Italien, Deutschland, Spanien und Dänemark. Die europäische Zusammenarbeit sei sehr wichtig, «nicht nur wegen der Forschungsgelder, sondern vor allem weil man so die besten Leute bekommt», sagt der gebürtige Italiener, der seit 2011 das EPFL-Labor für translationale Neurotechnik (Laboratoire d’ingéniere neurale translationelle, TNE) leitet und seit 2015 eine Stiftungsprofessur (Bertarelli Foundation) für Translational NeuroEngineering hat.

Roboterhand mit Fingerspitzengefühl

Als Prothese verwenden die Forschenden eine Roboterhand mit künstlichen Sehnen, die die Fingerbewegungen steuern. Drucksensoren an den Fingerspitzen und in der Handfläche liefern ein elektrisches Signal, das ein Computer weiter verfeinert. Damit der Amputierte diese Information aufnehmen, verarbeiten und darauf reagieren kann, muss sie in sein Nervensystem eingespeist werden. «Wir haben 15 Jahre gebraucht, um die richtige Verbindung zu finden», sagt Silvestro Micera, der schon als Doktorand an der Scuola Superiore Sant’Anna in Pisa davon träumte, eine bionische Hand zu entwickeln, die eine sensorische Rückmeldung möglich macht.

Um ihre Entwicklung zu testen, suchten die Forschenden eine Versuchsperson. Als Dennis Aabo Sørensen in einem Artikel davon erfuhr, meldete er sich beim Universitätsspital im dänischen Aalborg, das am Projekt beteiligt war. Er war einer von 30 Bewerberinnen und Bewerbern, die viele verschiedene physische und psychische Tests über sich ergehen lassen mussten, bis sich das Forschungsteam für den Dänen entschied. «Er war extrem motiviert und geschickt», sagt Silvestro Micera. Im Gemelli-Spital in Rom implantierte ein von Prof. Paolo M. Rossini geführtes Team von Chirurgen und Neurologen vier feine Elektroden in den ver-bliebenen linken Oberarm des Amputierten. Als Ziel wählten die Ärztinnen bzw. Ärzte den Ulnaris- und den Mediannerv, die bis in die Fingerspitzen führen und Sinneseindrücke von Fingern und Handfläche liefern. Forschende der Universität Freiburg im Breisgau hatten, unter der Führung von Prof. Thomas Stieglitz die Elektroden entwickelt, die im Wesentlichen aus einer dünnen Wolframnadel und einem winzigen Streifen aus flexiblem Polyimid-Kunststoff bestehen.

Drucksensoren in der Roboterhand liefern ein elektrisches Signal. Künstliche Sehnen steuern die Fingerbewegungen.

«Das ist Zauberei»

Bei der siebenstündigen Operation führten die Ärztinnen und Ärzte die Mikroelektroden quer durch den Nervenstrang, um so eine besonders gute Verbindung zu erreichen, damit selbst extrem schwache elektrische Signale direkt ins periphere Nervensystem gelangten – eine Operation, die erstmals bei einem Amputierten durchgeführt wurde. Mit Drähten wurde das Signal aus der Roboter-hand zu den implantierten Elektroden geleitet. Gespannt wartete die Forschungsgruppe, ob die Nerven des Amputierten eine Reaktion zeigten, nachdem diese seit Jahren nicht mehr gebraucht worden waren. Und plötzlich wandte sich der Däne um und sagte ungläubig: «Das ist Zauberei! Ich spüre das Schliessen meiner fehlenden Hand.»

Um die Kommunikation zwischen Gehirn und Prothese herzustellen, hatten die Forschenden zwei Computeralgorithmen entwickelt. Einer las die Signale der Drucksensoren auf den Roboterfingern und leitete sie in Form von elektrischen Impulsen über die Elektroden ans Nervensystem. Der andere empfing und verarbeitete die Signale auf den Muskeln des Armstumpfs und wandelte sie in Befehle um, mit denen die Roboterhand angetrieben wurde. In einer fast dreiwöchigen Vorbereitungszeit bestimmten die Forschenden die Art und den Grad der sensorischen Informationen, die der Testperson durch die Stimulation der verschiedenen Elektroden in den Nerven übermittelt werden können. Erst dann folgten die eigentlichen Versuche mit der bionischen Hand.

Eine Woche lang schloss die Forschungsgruppe ihre Testperson jeden Tag an die Prothese an. «Das war extrem schwierig für Dennis», sagt Silvestro Micera. «Er musste 700 Versuche machen, 700 Mal zugreifen.» Immer wieder fragten die Forschenden den Amputierten, ob er etwas fühle und wo – im Zeigfinger oder im kleinen Finger? Er lernte, die künstliche Hand nur leicht zuzudrücken, etwas fester oder noch stärker. Mit verbundenen Augen und Ohrstöpseln fühlte er, ob ein Gegenstand weich, mittelhart oder hart war. Er ertastete einen Baseball, eine Mandarine oder eine Trinkflasche und liess kaum je etwas fallen. «Dass ich erkannte, was ich anfasste, war unglaublich», erinnert er sich. Es bestand zwar ein Unterschied zu seiner gesunden rechten Hand, doch das Gefühl war ähnlich.

Die beste Technik optimal eingesetzt

Aufgrund dieser Testreihe ist der Forschungsleiter überzeugt, dass die im Oberarm implantierten Elektroden eine optimale Schnittstelle zwischen Prothese und Nervensystem sind. Zwei andere Forschungsgruppen in den USA hätten zwar ähnliche Resultate erzielt, doch die in Europa entwickelte Verbindung sei selektiver als diejenige des einen amerikanischen Kollegen und weniger invasiv als diejenige des anderen. «Wir haben wahrscheinlich die beste Technik und setzen sie optimal ein, aber wir müssen sie im nun anstehenden klinischen Langzeitversuch bestätigen», sagt Silvestro Micera.

Nach einem Monat entfernten die Ärztinnen und Ärzte die Mikroelektroden wieder aus dem Oberarm von Dennis Aabo Sørensen – aus Sicherheitsgründen. Aufgrund regulatorischer Aspekte war die klinische Studie nur mit dieser Auflage bewilligt worden. Dass der Däne nach dieser Testphase wieder auf das Gefühl in seiner linken Hand verzichten musste, war ihm von Anfang an klar gewesen. Die Arbeit mit den engagierten Forschenden beeindruckte ihn und er freut sich, zu einer Entwicklung beigetragen zu haben, die einst nicht nur ihm, sondern auch anderen Amputierten helfen könnte. «Ich bin glücklich und dankbar dafür», sagt er.

In einem nächsten Schritt wollen die Forschenden zeigen, dass die Elektroden genügend robust und gewebeverträglich sind, um langfristig im Körper implantiert zu bleiben. «Dazu brauchen wir ein Jahr», schätzt Silvestro Micera. Dann sollen Fachleute in Rom und am Universitätsspital Lausanne CHUV zwei neue Versuchspersonen auswählen, die das Implantat während mindestens eines Jahres testen werden. In acht bis zehn Jahren soll die künstliche Hand klinisch verfügbar sein, hofft Silvestro Micera. Dazu muss aber auch die Elektronik miniaturisiert werden, damit diese ebenfalls implantiert werden kann. Dennis Aabo Sørensen sass bei seinen Tests noch mitten in einem Gewirr aus elektrischen Verbindungen und Schaltern. Als ihn seine Kinder in Rom besuchten, nannten sie ihn denn auch «Kabelmann».