Bewegung ist Kopfsache

Anlässlich des World Brain Day 2022 sprechen wir in diesem Interview mit Dr. Daniel Häufle vom Zentrum für Neurologie des Hertie-Instituts für klinische Hirnforschung (HIH) in Tübingen.

Bewegung ist Kopfsache: Wie Robotik die Rehabilitation unterstützt

Am 22. Juli ist Welttag des Gehirns – World Brain Day

Sich ein Glas Wasser einzuschenken, scheint für einen gesunden Erwachsenen kein großer Akt. Mit Messer und Gabel zu essen ebenso. Alles geschieht fast beiläufig. Aber was passiert genau in Hirn, Muskeln, Knochen, Nerven und Gelenken, damit es zu dem Bewegungsablauf kommt - am besten natürlich, ohne einen Tropfen zu verschütten oder zu kleckern? Dr. Daniel Häufle geht genau dieser Frage nach. Als Leiter der Forschungsgruppe „Multi-Level Modeling in Motor Control and Rehabilitation Robotics“ am Zentrum für Neurologie des Hertie-Instituts für klinische Hirnforschung (HIH) in Tübingen entwickeln der Physiker und sein Team Assistenzsysteme, die Menschen mit eingeschränkter Bewegungskontrolle wie zum Beispiel Parkinsonpatienten unterstützen sollen. Wie so ein System funktionieren könnte, und warum die Erforschung menschlicher Motorik auf so großes Interesse stößt, erläutert Experte Dr. Häufle anlässlich des World Brain Days in diesem Interview. 
 

In Ihrer Forschungsgruppe beschäftigen Sie sich mit der „Modellierung der Bewegungskontrolle“. Worum geht es genau?

Am besten erkläre ich es an einem Beispiel: Wenn Sie im Alltag Tätigkeiten ausführen, ist das durchaus ein komplexer Prozess: Sie nehmen sich eine Flasche Wasser, schrauben sie auf, schenken sich ein Glas Wasser ein, führen es an den Mund. Sie müssen also die vielen Muskeln, Sehnen, Nerven und Knochen dazu bringen, die Bewegung so auszuführen, wie Sie das geplant haben. Gleichzeitig muss die Bewegung auch noch geschmeidig und sicher ablaufen, so dass das Wasser auch tatsächlich im Glas und im Mund landet und nicht daneben. Diesen Prozess versuchen wir zu verstehen. Wir wollen herausfinden, wie das Nervensystem die Muskeln ansteuert, um dann die Bewegung zu erzeugen, und die ganze Interaktion richtig hinzubekommen. Das ist die Kernidee, um die es in unserer Arbeit geht. 

"Wir versuchen zu verstehen, was bei Patientinnen und Patienten passiert, die ein sogenanntes „Motorkontroll-Defizit“ haben, also eine eingeschränkte Kontrolle ihrer Bewegungen. Es gibt viele neurologische oder neurodegenerative Erkrankungen, die zu diesen motorischen Schwierigkeiten führen, zum Beispiel der Morbus Parkinson."

Wie gehen Sie dabei praktisch vor?

Wir arbeiten hauptsächlich mit der Computersimulation. Dabei nutzen wir ein mathematisches Modell des neuro-muskulo-skelettalen Systems. Das heißt, wir können die Muskeln, die Skelettstruktur und die Gelenke durch mathematische Gleichungen abbilden, aber auch die unterschiedlichen Signale, die das Hirn auf die Muskeln schickt, um eine Bewegung auszuführen. Bewegung ist also auch Kopfsache. Andere Arbeitsgruppen erforschen das experimentell, also mit Menschen, die man im Labor dabei beobachtet, wie sie Bewegungen ausführen. Über Elektroden, die auf die Haut geklebt werden, kann dann gemessen werden, welche neuronalen Signale in den Muskeln ankommen, und wie sie aktiviert und koordiniert werden. Mit dieser Methode ist es schwierig rückzuschließen, was während der Interaktion eigentlich im Rückenmark oder womöglich im Hirn passiert, weil dort ja sehr viele Prozesse gleichzeitig ablaufen. Dieses Wechselspiel wird durch die experimentellen Methoden schwer sichtbar, deshalb arbeiten wir mit der Computersimulation, um genauer verstehen können, wie es zustande kommt.  

Was ist das Ziel Ihrer Arbeit?

Wir verfolgen zwei Ziele: Das eine ist das reine grundwissenschaftliche Interesse zu verstehen, wie der Mensch es hinbekommt, komplexe Bewegungen zu organisieren und zu koordinieren. Es gibt zwar schon viel Wissen dazu, aber so richtig verstanden hat man das alles noch nicht. Das Interesse an der menschlichen Motorik ist groß, vor allem aus der Robotik, denn es gibt viele robotische Systeme in der Industrie oder auch im medizinischen Bereich, die künftig mit dem Menschen interagieren und ihn unterstützen sollen. Auch dazu trägt unsere Forschung potenziell bei: Wenn wir verstehen, wie der Mensch mit sich ständig ändernden Bewegungsszenarien zurechtkommt, wird das auch Auswirkungen auf die Entwicklung moderner Roboter haben und damit auf unsere Arbeitswelt von morgen. Das zweite ebenso wichtige Ziel ist das, was wir am Hertie-Institut intensiv verfolgen: Wir versuchen zu verstehen, was bei Patientinnen und Patienten passiert, die ein sogenanntes „Motorkontroll-Defizit“ haben, also eine eingeschränkte Kontrolle ihrer Bewegungen. Es gibt viele neurologische oder neurodegenerative Erkrankungen, die zu diesen motorischen Schwierigkeiten führen, zum Beispiel der Morbus Parkinson. Für die Betroffenen ist es oft schwierig, sich ein Glas Wasser einzuschenken und zum Mund zu führen, weil der für Parkinson typische Tremor, also das Zittern, hinderlich ist. Aber auch bei Patienten mit Multipler Sklerose oder Spastiken funktioniert die Motorkontrolle oft nicht. Was da genau abläuft, wollen wir verstehen. 
 

Wo finden die Ergebnisse Ihrer Arbeit Anwendung? 

Wir nutzen unsere Ergebnisse bereits für die Entwicklung neuartiger Assistenzsysteme im Bereich Rehabilitationsrobotik. Das ist ein spezieller Zweig der Robotik, der Patienten mit motorischen Defiziten mit Hilfe von robotergestützen Systemen unterstützt. Ein aktuelles Beispiel: Ein Parkinsonpatient hat einen Tremor im Handgelenk, so dass Essen und Trinken eine Schwierigkeit für ihn darstellen. Die Fragen, vor denen wir primär stehen, lauten: Wie können wir ein Assistenzsystem entwickeln, das im Alltag funktioniert, also den Tremor erkennt? Und wie können wir mit unseren Computermodellen vorhersagen, wie groß die Kräfte auf das zitternde Handgelenk sein müssen, die das Assistenzsystem ansteuern, damit es den Tremor sinnvoll reduzieren kann? Wir sind gerade dabei, das zu erforschen, und haben schon einen ersten Prototyp gebaut, gemeinsam mit den Kolleginnen und Kollegen vom Max Planck Institut und der Universität Stuttgart, wo wir solche Konzepte ausprobieren können. Wir sind allerdings noch in der Grundlagenforschung für die nächste Generation der Assistenzsysteme, man wird das Produkt also nicht in den nächsten zwei Jahren kaufen können.  

Wie würde ein Assistenzsystem für einen Handgelenk-Tremor konkret aussehen?

Ich stelle mir das wie eine Manschette oder einen Handschuh aus einem elastischen Gewebe vor, das wir so ähnlich von Stützstrümpfen kennen. Darin sind Strukturen eingearbeitet, die im richtigen Moment ein bisschen Kraft auf das Handgelenk bringen, um den Tremor zu reduzieren. Das System soll angenehm zu tragen, leichtgewichtig und vor allem geräuschlos sein. Es wäre für die Patienten sehr unangenehm ein Assistenzsystem zu tragen, das die ganze Zeit summt oder brummt. Das sind Konzepte, an denen wir zurzeit am HIH arbeiten. 
 

Was ist die besondere Herausforderung an Ihrer Arbeit? 

Eigentlich ist die größte Herausforderung, die Brücke zu schlagen vom Alltag der Patientinnen und Patienten bis hin zur Entwicklung eines alltagstauglichen Assistenzsystems. Wir Wissenschaftler entwickeln ja gern mal etwas und denken „Oh, toll!“, und dann hat das für den Patientenalltag vielleicht gar keine große Relevanz. Diese Brücke sinnvoll hinzubekommen, ist aus meiner Erfahrung die größte Herausforderung. Aber das ist es auch, was den entscheidenden Mehrwert am HIH ausmacht macht: direkten Anschluss zu haben zu den Klinikern, Ärztinnen und Ärzten und den Patientinnen und Patienten vor Ort, um sich auszutauschen, und wertvolle Daten und Informationen zu sammeln. Dabei spielen die Wünsche und Erfahrungen der Betroffenen eine besonders wichtige Rolle, um Assistenzsysteme mit echtem Mehrwert entwickeln zu können.    

Welche Botschaft oder welchen Wunsch haben Sie zum World Brain Day? 

Es ist kein Wunsch, sondern große Bewunderung, die ich einmal gegenüber den vielen Patientinnen und Patienten aussprechen möchte, die immer wieder bereit sind, an unseren teilweise mühsamen Studien teilzunehmen. Freiwillige, die anderthalb oder zwei Stunden im Labor sitzen oder dort bestimmte Bewegungen durchführen müssen, damit wir unsere Forschung vorantreiben können. Diese Patienten tun das, ohne dass es für sie absehbar ist, selbst davon zu profitieren, und das finde ich einfach großartig. Diese Bereitschaft ist essenziell für uns Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Und auch, dass wir in diesem Bereich der interdisziplinären Arbeit immer wieder von den Ärztinnen und Ärzten unterstützt werden, die ihre wertvolle Zeit einbringen, um Patienten zu rekrutieren und aufzuklären, ist wirklich beeindruckend. Davon profitieren wir sehr. Ich hoffe, dass es auch in Zukunft so bleibt, dass uns die Patientinnen und Patienten aber auch die Ärzteschaft so engagiert unterstützt. Dafür kann man immer wieder nur Danke sagen. 

Haben Sie eine Vision, die Ihre Arbeit betrifft?

Meine Vision ist es, zur Entwicklung eines Assistenzsystems beizutragen, das im Alltag eine echte Verbesserung der Lebensqualität von Patientinnen und Patienten bewirkt. Etwas, das sie gerne verwenden.

Das Interview führte Rena Beeg für die Gemeinnützige Hertie-Stiftung