Zum ersten Mal kann eine Gliedmaßenprothese die Temperatur wie eine lebende Hand wahrnehmen | Wissenschaft

Die Hoffnung der Amputierten, mit ihrer Prothese das Gefühl menschlicher Berührung zu erleben, wird immer realer. Dank neuer Technologien können sie nun die Temperatur spüren – sogar in Gliedmaßen, die nicht mehr Teil ihres Körpers sind.

Zum ersten Mal wurde eine funktionelle künstliche Gliedmaße mit Fingerspitzensensoren ausgestattet, die es einer gewöhnlichen Handprothese ermöglichen, die Temperatur genau wie eine lebende Hand zu erfassen und darauf zu reagieren. Das Gerät vermittelt ein realistisches Gefühl von Hitze und Kälte in der fehlenden „Phantom“-Hand, indem es thermische Informationen an Nervenbereiche am Restglied des Amputierten liefert, von denen das Gehirn glaubt, dass sie immer noch mit der fehlenden Hand verbunden sind. Der MiniTouch, beschrieben in einer am Freitag veröffentlichten Studie Mitwurde mit erschwinglicher Standardelektronik entwickelt, erfordert keinen chirurgischen Eingriff und kann innerhalb weniger Stunden an vorhandenen handelsüblichen Handprothesen angebracht werden.

„Mit diesen neuen Technologien kann ich besser verstehen, was ich berühre“, sagt Fabrizio Fidati, ein 57-jähriger Mann, dem vor 37 Jahren der Arm unterhalb des Ellenbogens amputiert wurde und der das Gerät kürzlich getestet hat. „Natürlich wäre es für mich vorrangig, es in der Küche zum Kochen zu verwenden!“

Die Fähigkeit, heiße und kalte Temperaturen zu spüren, ist ein wichtiger Fortschritt für die Funktionalität von Gliedmaßenprothesen, aber es geht noch viel mehr. Die Temperatur fügt der Berührung ein menschliches Element hinzu. Das Gefühl von Wärme erzeugt ein stärkeres Gefühl der Verkörperung, der Überzeugung, dass eine Prothese nicht nur ein künstliches Werkzeug, sondern ein Teil des Körpers einer Person ist.

„Wir haben einen Kollegen, der sagt, Berührung ohne Temperatur sei wie Sehen ohne Farbe“, sagt der leitende Autor Solaiman Shokur, Neuroingenieur an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne. Shokur stellt fest, dass Forscher die Fähigkeit von Prothesen verbessern, Texturen zu erfühlen. Sie konzentrieren sich auch auf die Propriozeption, die Fähigkeit des Gehirns zu erkennen, wo sich ein Körperteil befindet und wie es sich bewegt. Er stellt fest, dass die Temperatur eine wichtige dritte Empfindung ist. „Der nächste Schritt wäre, sie alle zusammenzufügen, und dann hat man die volle Bandbreite an Empfindungen“, sagt er.

Im Mai 2023 veröffentlichten dieselben Forscher eine Studie, aus der hervorgeht, dass Probanden glaubten, diese heißen oder kalten Temperaturberührungen zu spüren, wenn sie Wärmeelektroden an den verbliebenen Armen von Amputierten anbrachten und diese dann durch Berühren heißer oder kalter Objekte mit einem angeschlossenen Sensor stimulierten ihre fehlende Hand. Die kleinen Hautbereiche, die diese Phantomwärmeempfindungen hervorrufen, sind bei Amputierten unterschiedlich, was darauf hindeutet, dass bei der Amputation abgeschnittene Nerven an verschiedenen Stellen der Armhaut verbleiben. Wenn dieser Hautfleck durch heiße oder kalte Gegenstände stimuliert wird, sendet er über diesen Weg Signale an das Gehirn, die früher von der Hand kamen, wodurch der Amputierte diese Empfindungen in der fehlenden Hand spürt.

„Es war das erste Mal seit 20 Jahren, dass ich mit meiner Phantomhand tatsächlich die Wärme einer anderen Person spüren konnte“, sagte Roberto Renda aus Rom nach einem Versuch im Zusammenhang mit der Studie von 2023. „Es ist, als hätte man eine Verbindung zu jemandem. Ich möchte die Hände meiner Kinder spüren, wenn ich mit ihnen die Straße entlang gehe und sie an den Händen halte. Das wäre nett.”

Diese Phantomwärmeempfindungen, die 17 von 27 Personen in der ursprünglichen Studie erlebten, waren der Schlüssel zur Funktionsfähigkeit des MiniTouch-Systems. MiniTouch ist ein dünner, tragbarer Sensor, der einfach über eine vorhandene Fingerprothese gestülpt und mit den Punkten auf der Haut des Stumpfes verbunden wird, von denen bekannt ist, dass sie Empfindungen hervorrufen, als wären sie in der fehlenden Hand. Während die Studie aus dem Jahr 2023 zeigte, dass der Sensor Amputierten dabei helfen kann, die Temperatur zu erkennen, war die aktuelle Studie die erste, bei der er bei einer funktionellen Prothese zum Einsatz kam.

Co-Autor Francesco Iberite, ein Biorobotik-Doktorand an der Sant’Anna School of Advanced Studies in Pisa, Italien, hat das System kürzlich einigen realen Tests unterzogen. „Bei den Experimenten ging es immer darum, dass die Versuchsperson die Welt um sie herum auf aktive Weise erkundet, indem sie Objekte frei berührt und Dinge ohne jegliche Schulung interpretiert“, erklärt er, „und das kommt dem, was mit einer natürlichen Hand passiert, so nahe.“

Fidati meldete sich freiwillig, das System an seiner vorhandenen Prothese zu testen. Ihm wurden drei identische Flaschen präsentiert, die kaltes (53 Grad Fahrenheit), kühles (75 Grad Fahrenheit) oder heißes (104 Grad Fahrenheit) Wasser enthielten. Ohne das Gerät konnte er die Flaschen nur in 33 Prozent der Fälle unterscheiden. Mit dem MiniTouch lag die Genauigkeit von Fabrizio bei 100 Prozent.

Als nächstes wurde Fidati damit beauftragt, identische Metallwürfel zu sortieren, die auf unterschiedliche Temperaturen erhitzt oder abgekühlt worden waren – und der Einsatz der temperaturempfindlichen Prothesen steigerte seine Erfolgsquote erheblich. Tatsächlich berichtete Fidati, dass die Empfindungen von Hitze und Kälte in seiner Phantomhand tatsächlich intensiver waren als in seiner natürlichen Hand.

Schließlich testete das Team die Fähigkeit eines Fidati mit verbundenen Augen, zu erkennen, ob er eine andere Handprothese oder die Hand von Iberite berührte. Die Wärme der menschlichen Hand ermöglichte es Fidati, sie häufiger zu erkennen, obwohl sein Erfolg immer noch hinter seiner Fähigkeit zurückblieb, dies mit seinem unverletzten Arm zu tun. Die Autoren schlagen vor, dass andere Eingaben, einschließlich Texturen und Weichheit, diese Fähigkeit wahrscheinlich verbessern würden. Dieses Experiment zeigt, dass die Temperatur zwar wichtig, aber nur ein Teil der Sinneswahrnehmung menschlicher Berührung ist, die hoffentlich in Prothesen eingebaut werden kann, die einer menschlichen Hand besser ähneln.

Die Prothetik hat einen langen Weg zurückgelegt. Die Geräte gibt es schon seit Tausenden von Jahren und werden sowohl für kosmetische als auch funktionelle Zwecke mit unterschiedlichem Erfolg eingesetzt. In einer altägyptischen Grabkammer wurden die Überreste einer Frau mit einer Kreation aus Holz und Leder namens „Kairo-Zehe“ gefunden, einer kunstvoll gefertigten Prothese, die vor 3.000 Jahren sorgfältig an ihren Fuß angepasst wurde. Um 300 v. Chr. wurde das „Capua-Bein“ aus Holz gefertigt und mit Bronze ummantelt, für einen Besitzer, der nördlich des heutigen Neapel in Italien lebte. Zur Zeit des Dreißigjährigen Krieges (1618–1648) wurden Menschen mit eisernen Händen ausgestattet. Um diese Funktion zu gewährleisten, wurden Kabel, Federn und andere Mittel verwendet, um die Gliedmaßen zu beugen oder den Fingern das Greifen von Gegenständen zu erleichtern, wenn auch unvollkommen .

Heutzutage wurde weltweit Dutzenden Millionen Menschen ein Glied amputiert, und Wissenschaftler und biomedizinische Ingenieure verbessern ständig die Prothesen für diese Patienten. Die meisten Projekte zur Wiederherstellung des Gefühls bei Amputierten beinhalten Implantate im Körper, die Vorteile haben, aber auch einige Hürden mit sich bringen. Eine Operation ist invasiv und sowohl das Verfahren als auch die fortschrittlichen Geräte, die sie ermöglicht, sind teuer. Nicht so beim MiniTouch-Sensor, der einfach in wenigen Stunden in eine bestehende Prothese integriert werden kann und auf weit verbreiteten Verbrauchertechnologien basiert. „Der Grund, warum Mobiltelefone so günstig sind, liegt darin, dass ihre Technologie maßstabsgetreu reproduziert werden kann. Das gilt auch für unseren Sensor, der das einzige kundenspezifische Teil im gesamten Prozess ist“, sagt Iberite.

Lee Fisher, ein biomedizinischer Ingenieur an der University of Pittsburgh, der nicht an der Forschung beteiligt ist, sagt, dass sich Bemühungen, Prothesen einen Tastsinn zu verleihen, normalerweise auf taktile Empfindungen wie Druck konzentrieren. „Bei elektrischer Stimulation kommt es seltener vor, dass Empfindungen entstehen, die sich wie Temperatur anfühlen, und das ist überaus wichtig, weil wir mit der Welt größtenteils über dieses Temperaturgefühl interagieren“, sagt er.

Wir können Materialien wie Metall und Kunststoff beispielsweise weniger anhand ihrer Haptik als vielmehr anhand ihrer Temperatur unterscheiden. Menschen, denen spezielle Hautrezeptoren für Feuchtigkeit fehlen, erkennen auch, ob Gegenstände nass sind, vor allem daran, wie die Flüssigkeit die Temperatur von ihrer Haut wegleitet.

Die Temperaturmessung geht jedoch über die Verbesserung der Leistungsfähigkeit einer Prothese hinaus. „Als Ingenieure gingen wir zunächst von einer rein funktionalen Perspektive aus“, sagt Shokur. Zeugnisse wie die von Renda fügten der Forschung bald einen weiteren Aspekt hinzu. „Es ist etwas immaterieller und schwieriger zu messen, aber wir versuchen, die sozialen Aspekte der Berührung zu untersuchen.“

Fisher, dessen Team kürzlich Elektrodenimplantate in der Nähe des Rückenmarks einsetzte, um das Gefühl in den fehlenden Füßen von Amputierten mit Prothesen wiederherzustellen, sagt, dass die emotionale Komponente der Berührung stark sei. „Es ist Teil unserer Interaktion mit anderen Menschen und auch Teil davon, wie wir unsere Gliedmaßen als unsere eigenen erkennen“, sagt er. „Das sind Wege, um hoffentlich dazu zu gelangen, dass sich Prothesen eher wie ein Teil des Körpers anfühlen als wie ein Werkzeug, das jemand trägt.“

Für Francesca Rossi aus Bologna, Italien, eine weitere Amputierte, die an der Studie von 2023 teilnahm und die Temperatur in ihrer fehlenden Hand spürte, beginnt diese Erfahrung bereits Wirklichkeit zu werden.

„Die Temperaturschwankungen zu spüren ist etwas anderes, etwas Wichtiges … etwas Schönes“, sagt sie. „Es fühlt sich nicht mehr wie ein Phantom an, denn Ihr Glied ist zurück.“