EPFL erforscht das Rückenmark mit funktioneller MRT  Mit Hirnbildgebung ins Rückenmark blicken

Forschende der EPFL machen mit funktioneller Magnetresonanztomografie (MRT) die Aktivität im Rückenmark sichtbar. Die Bilder helfen, Stimulatoren und Elektroden für Menschen mit Lähmung individuell zu planen. Vor einer geplanten Studie bei Schlaganfall wird die Methode ans Universitätsspital CHUV gebracht.

Die funktionelle MRT (fMRT) macht das Rückenmark sichtbar und könnte damit neue Therapien ermöglichen. Mehrere Labors der EPFL arbeiten an diesem Ansatz, der als Idee einer Doktorandin begann. Nawal Kinany widmete acht Jahre dem schwachen, verrauschten Signal, das die fMRT im menschlichen Rückenmark misst. Das Bild, das sie mitgeschärft hat, unterstützt heute die Planung von Behandlungen bei Lähmungen und könnte bald auch bei Schlaganfall und Parkinson helfen.

Funktionelle MRT: Rückenmark im Rauschen sichtbar machen

Die fMRT erfasst Nervenaktivität nicht direkt. Sie misst den Zustrom von sauerstoffreichem Blut, der der Aktivität wenige Sekunden später folgt, mit einer Momentaufnahme alle zwei bis drei Sekunden. Zusammengesetzt zeigen die Aufnahmen, wo Aktivität entsteht und wie sie sich verschiebt. Wenn eine Person im Scanner mit den Fingern tippt, leuchtet im Gehirn ein Areal auf. Auch im Rückenmark knapp unterhalb des Nackens entsteht ein Signal, es ist aber viel schwerer zu erfassen.

Das Rohsignal ist stark gestört. Die Person liegt nie ganz still, und jeder Herzschlag und jeder Atemzug zeichnet sich in den Daten ab. Das Rückenmark ist kaum einen Zentimeter dick, deshalb kann das Rauschen das Signal ganz überdecken. Dimitri Van De Ville, Leiter des Medical Image Processing Laboratory der EPFL, arbeitet seit Jahren an der Mathematik, die die Aktivität aus dem Rauschen herausrechnet.

Das Rückenmark als fehlendes Bindeglied

2016 teilte Kinany ihre Doktorarbeit auf zwei EPFL-Labors am Campus Biotech in Genf auf: das Labor von Van De Ville und das Translational Neural Engineering Laboratory von Silvestro Micera. Ziel war es, die Rehabilitation nach einem Schlaganfall mit Exoskeletten und anderen Hilfsmitteln zu personalisieren. Das Team zeichnete Hirnaktivität, Muskeln und Bewegungen auf, und zwischen diesen Daten fehlte etwas: das Rückenmark. «Viele waren nicht überzeugt», sagt Kinany. «Sie sagten: Das Rückenmark ist ein Schlauch, warum wollt ihr das anschauen?» Inzwischen deutet vieles darauf hin, dass das Rückenmark Signale nicht nur weiterleitet, sondern selbst verarbeitet.

Einerseits erkennt die Neurowissenschaft, dass das Rückenmark eine präzisere Rolle spielt, über die bekannten motorischen Mechanismen hinaus. Andererseits gibt es die Fortschritte bei Bildgebung und Datenverarbeitung. Es ist wirklich das Zusammentreffen der beiden

sagt Van De Ville.

Eine neue Studie aus seinem Labor, bisher ein Preprint, untersucht das im Scanner. Gemeinsam mit dem Team von Friedhelm Hummel setzte der Doktorand Ekansh Sareen die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ein. Dabei sendet eine Spule am Kopf einen kurzen magnetischen Impuls in den motorischen Kortex. Gleichzeitig bildeten die Forschenden das Rückenmark von 22 Freiwilligen ab. Erstmals wurde so beim Menschen beobachtet, was ein Impuls im Gehirn im Rückenmark auslöst. Schwache Impulse aktivierten nur die sensible Seite des Rückenmarks. Stärkere breiteten sich über eine Zwischenzone bis zu den Motoneuronen aus, die die Hand zucken lassen. «Das Rückenmark ist nicht nur eine Datenautobahn», sagt Sareen. Der Preprint ist noch nicht von unabhängigen Fachleuten begutachtet.

Vom Labor in die Klinik

Eine Therapie ist das nicht, die Bildgebung liefert ein Werkzeug. Jedes Rückenmark ist etwas anders verdrahtet, erklärt Sergio Daniel Hernandez-Charpak, Verantwortlicher für Bildgebung und Datenverarbeitung bei NeuroRestore, dem Forschungszentrum in Lausanne unter der Leitung von EPFL-Professor Grégoire Courtine und CHUV-Neurochirurgin Jocelyne Bloch. Die Nerven eines bestimmten Muskels können von Person zu Person ein Segment höher oder tiefer ins Rückenmark eintreten, und eine grosse Person hat nicht automatisch ein langes Lendenmark. Für ein Implantat spielt das eine Rolle. 2022 berichtete .NeuroRestore, dass drei Menschen mit kompletter Lähmung dank eines Stimulators am Rückenmark wieder stehen und gehen konnten.

Kinany und Van De Ville gehörten zu den Autoren der Studie von 2022. Die spinale fMRT, aufgenommen während die Beine der Teilnehmenden gedehnt oder ihre Sehnen vibriert wurden, zeigte, welche Segmente zu welchen Muskeln gehören. Personalisierte Modelle auf Basis dieser Karten bestimmten, wo die Elektroden hingehören. Die Operation bestätigte die Vorhersagen.

Jetzt bringt das Team von .NeuroRestore die Methode ans CHUV, vor einer geplanten Studie bei Schlaganfall. Bei Schlaganfallpatienten stören anders als bei vielen mit Rückenmarkverletzungen keine Metallplatten in der Wirbelsäule das Bild. Hernandez-Charpak ist offen über die Grenzen: Die spinale fMRT stehe noch in den Kinderschuhen.

Weitere Einsatzmöglichkeiten

Van De Ville sieht weitere Anwendungen: Veränderungen im Rückenmark erkennen, bevor Symptome auftreten, die Wirkung eines Medikaments über Monate verfolgen und auswählen, welche Patientinnen und Patienten profitieren. «Es braucht ausgefeilte Werkzeuge, um die richtigen Patienten auszuwählen», sagt er. Ob und wann daraus Therapien werden, ist offen.