Wenn wir laufen, schwimmen, oder andere zyklisch wiederkehrende Beinbewegungen ausführen, erzeugt das Rückenmark ganz von selbst wichtige Nervenimpulse. Der Befehl für die Bewegung kommt vom Gehirn, die Steuerung des eigentlichen Bewegungsablaufs entsteht aber im Rückenmark. In einer Kooperation von TU Wien und Medizinischer Universität Wien konnte das nun an Menschen mit Querschnittslähmung genau untersucht werden. Es ist sogar möglich, mit elektrischen Impulsen bei Querschnittsgelähmten Beinbewegungen gezielt auszulösen.

Neuronale Bewegungsmuster auf Knopfdruck
„Das Rückenmark im Lendenwirbelbereich bleibt bei Querschnittlähmungen oft verschont – und genau dort werden wichtige neuronale Bewegungsmuster erzeugt“, erklärt Prof. Frank Rattay von der TU Wien. „Wenn man diese Mustergeneratoren elektrisch stimuliert, kann man daher selbst bei kompletter Querschnittslähmung zyklische Beinbewegungen auslösen.“

Zehn Testpersonen mit kompletter Querschnittlähmung wurden mit einer Elektrode im Wirbelkanal elektrisch stimuliert, gleichzeitig wurde gemessen, welche Beinmuskelaktivität das zur Folge hat. Auf diese Weise konnten Bewegungsmuster erzeugt werden, die dem Gehen ähneln – eine abwechselnde Aktivität von streckenden und beugenden Muskeln.

Einfache Steuerung genügt für komplizierte Muskel-Aktivität
Bei sieben Personen wurden zyklische Bewegungsmuster in den Beinmuskeln registriert. „Diese Muster wirken auf den ersten Blick recht komplex“, erklärt Simon Danner (TU Wien). „Bei unterschiedlichen Versuchsdurchgängen und Testpersonen kam es zu ganz unterschiedlichen Zusammenhängen zwischen den Aktivierungsmustern der einzelnen Muskeln. Es wurden diverse zyklische Bewegungen erzeugt, darunter auch geh-ähnliche Aktivierungsmuster.“

Mit Methoden der Mathematik und der Bioinformatik kann man allerdings Ordnung in diese komplexen Daten bringen: „Wir haben die Muster mathematisch analysiert. Dadurch konnten wir zeigen, dass es im Rückenmark bloß eine kleine Anzahl von Mustergeneratoren gibt, die allen Muskelaktivitäten bei den Patienten zugrunde liegen“, sagt Simon Danner. Die Mustergeneratoren können einander zeitlich überlagern, und jeder Mustergenerator im Rückenmark kann die einzelnen Muskeln mit unterschiedlicher Stärke ansprechen. So ergibt sich aus bloß drei bis vier Mustergeneratoren im Rückenmark eine große Variationsmöglichkeit von Bewegungsabläufen.

„Das lässt den Schluss zu, dass das Rückenmark beliebige zyklische Bewegungen erzeugen kann, wie etwa Schwimmen, Rückwärts- oder Seitwärtsgehen, auch wenn es vom Gehirn getrennt ist“, sagt Ursula Hofstötter (MedUni Wien). „Für Menschen mit intaktem Nervensystem bedeutet das, dass das Gehirn die gewünschte Bewegungsaktivität wählt und diese dann durch das Rückenmark gesteuert wird. Eine derart flexible Kontrolle wurde zwar immer angenommen, bisher aber noch nie gezeigt.“

TU Wien und MedUni Wien
Die Messungen wurden am Sozialmedizinischen Zentrum Baumgartner Höhe, Otto-Wagner Spital durchgeführt. Die Studie ist ein Resultat der langjährigen Kooperation zwischen der TU Wien, der Medizinischen Universität Wien (Winfried Mayr) und des Wiener Krankenanstaltenverbunds (Heinrich Binder), die von Milan Dimitrijevic (Baylor College of Medicine, Houston, TX) ins Leben gerufen wurde.

Die Ergebnisse wurden im Fachjournal „Brain“ publiziert. Erstautor ist Simon Danner, der am Institut für Analysis und Scientific Computing der TU Wien bei Prof. Frank Rattay promovierte. Seniorautor Karen Minassian ist TU Absolvent und war lange Zeit auf der TU als Forschungsassistent tätig. Die Arbeit wurde durch den Wiener Wissenschafts-, Forschungs- und Technologiefonds (WWTF) gefördert.

[1] Bild: Wellcome Library, London CC BY 4.0

Originalpublikation:
Danner, S. M., Hofstoetter, U. S., Freundl, B., Binder, H., Mayr, W., Rattay, F., & Minassian, K. (2015). Human spinal locomotor control is based on flexibly organized burst generators. Brain 138(3), 577-588. <link http: brain.oxfordjournals.org content _blank>DOI: 10.1093/brain/awu372