Revolutionäre Methode: Licht steuert Muskeln ohne Ermüdung
Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine revolutionäre Methode entwickelt, um Muskelkontraktionen mithilfe von Licht auszulösen. Diese Technik könnte Menschen, die aufgrund von Lähmungen ihre Gliedmaßen nicht bewegen können, eine verbesserte Kontrolle über ihre Muskulatur ermöglichen. Im Gegensatz zur herkömmlichen elektrischen Stimulation verhindert die optogenetische Methode eine schnelle Ermüdung der Muskeln.
Die Studie mit dem Titel “Closed-loop optogenetic neuromodulation enables high-fidelity fatigue-resistant muscle control” wurde an Mäusen durchgeführt. Dabei wurden die Muskeln der Tiere mithilfe der optogenetischen Technik stimuliert. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science Robotics veröffentlicht. Die Forscher stellten fest, dass die Kontrolle der Muskeln durch den Einsatz von Licht auf eine natürlichere Art und Weise erfolgen kann.
Hugh Herr, Experte für Medienkunst und -wissenschaften am MIT, äußerte sich positiv über die Ergebnisse der Studie. Er betonte, dass diese Art der Schnittstelle in der klinischen Anwendung einen enormen Nutzen haben könnte.
Aktuell ist es noch nicht möglich, die Optogenetik-Methode am Menschen anzuwenden. Die Technik basiert auf der genetischen Manipulation von Zellen, um lichtempfindliche Proteine zu produzieren. Dadurch können die Forscher die Aktivität der Zellen mithilfe von Licht kontrollieren. Die Wissenschaftler arbeiten jedoch bereits daran, eine sichere Methode zu entwickeln, um diese lichtempfindlichen Proteine in den menschlichen Körper einzuführen. Erste Versuche an Mäusen waren teilweise erfolgreich.
Die Forscher verglichen sowohl die elektrostimulative Stimulation (Functional Electrical Stimulation – FES) als auch die Optogenetik, um herauszufinden, welche Methode eine größere Muskelkraft bei geringerer Ermüdung erzeugen kann. Dafür wurden den Mäusen Elektroden implantiert. Bei der Optogenetik wurden die Mäuse genetisch verändert, um das lichtempfindliche Protein Channelrhodopsin-2 zu produzieren. Anstatt Elektroden wurde eine kleine Lichtquelle in der Nähe des Tibialisnervs der Mäuse implantiert, um die Muskulatur des Unterschenkels zu steuern. Die Forscher maßen die Muskelkraft während der Lichtstimulation und stellten fest, dass die Kraftentwicklung gleichmäßig anstieg.
Im Gegensatz zur FES-Methode, bei der eine Stimulation durch elektrischen Strom zu einer abrupten und intensiven Kontraktion führt und eine ungenaue Steuerung der Muskeln ermöglicht, gestaltet sich die Kontrolle der Muskeln durch die optogenetische Methode als einfacher. Guillermo Herrera-Arc, ein Absolvent des MIT, erklärte, dass die Muskelkraft nahezu linear gesteuert werden kann, wenn die optische Stimulation des Nervs angepasst wird. Dies ähnelt der Art und Weise, wie Signale aus dem Gehirn die Steuerung der Muskeln beeinflussen.
Die Forscher entwickelten ein mathematisches Modell, um einen geschlossenen Regelkreis zu erstellen, der es ermöglicht, die Muskeln präzise mithilfe der optogenetischen Methode anzusteuern. Zudem entwickelten sie ein Kontrollgerät, das die Stärke der Muskelkontraktion nach der Lichtstimulation mithilfe eines Sensors messen kann. Die gewonnenen Informationen wurden verwendet, um die erforderlichen Anpassungen bei der Lichtstimulation vorzunehmen und die gewünschte Kraft zu erreichen.
Bei den Experimenten stellten die Forscher fest, dass die Muskeln der Mäuse für etwa eine Stunde stimuliert werden konnten, bevor Anzeichen von Ermüdung auftraten. Diese Ergebnisse sind vielversprechend und könnten in Zukunft dazu beitragen, Menschen mit Lähmungen eine verbesserte Kontrolle über ihre Muskulatur zu ermöglichen.
Schlagwörter: MIT + Hugh Herr + Lisa
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