Im Zuge einer retrospektiven Analyse von Daten, die bei der Behandlung der Spastizität bei Rückenmarksverletzungen angefallen sind, wurden Hypothesen über die Entstehung unterschiedlicher Anregungsmuster im lumbalen Rückenmark bei elektrischer Stimulation mit epiduralen Elektroden überprüft. Die Daten über elektrisch ausgelöste Muskelaktivitäten der unteren Extremitäten wurden analysiert und mit Computersimulationen biophysikalischer Modelle verglichen.

Durch Elektrostimulation kann ein spastisch erhöhter Muskeltonus (Grundspannung der Muskeln) bei kompletten Rückenmarksläsionen durch den elektrisch induzierten tonischen Input über die sensiblen Hinterwurzeln teilweise modifiziert werden. Je nach applizierter Frequenz können dabei im Rückenmark liegende Neuronennetzwerke funktionell unterschiedlich angesprochen werden, etwa als rhythmischer Mustergenerator. Mit einer einzelnen fix positionierten epiduralen Elektrode wurde sowohl das Durchstrecken der unteren Extremitäten erreicht als auch alternierende schrittähnliche Bewegungen. Dazu sind keine komplizierten Stimulationsmuster von Seiten der Elektrode notwendig sondern nur das Erhöhen der Frequenz. Die komplexe neuronale Steuerung der Muskulatur übernimmt ein sogenannter "Lumbar Locomotor Pattern Generator" (LLPG) ein autonomer, im lumbalen Rückenmark lokalisierter Generator.
Die retrospektive Analysen der Patientendaten führten zur Identifizierung der Lage des LLPG. Dieser liegt örtlich begrenzt in den lumbalen Rückenmarksegmenten L1-L3. Aus den Daten ergibt sich, dass die Aktivierung des LLPG im komplett gelähmten Rückenmarkverletzten durch Stimulation der sensiblen Hinterwurzelfasern der entsprechenden Rückenmarkssegmenten erfolgen kann.

Als optimale Stimulationsfrequenz für die LLPG Aktivierung konnten 25-60 Hz bestimmt werden. Die Amplitude hängt von der relativen Lage der Kathode zu den Rückenmarksegmenten L1-L3 ab. Im Allgemeinen ist der 2-3 fache Schwellwert zur Auslösung von Oberschenkelmuskelaktivitäten notwendig um den LLPG anzusprechen. Zusätzlich zum vorgesehenen Projektprogramm wurde herausgefunden, dass bei der gleichen Impulsstärke aber bei Frequenzen von 5-15 Hz eine Extension eintritt, die zum stabilen Durchstrecken des Beines führt, ein Vorgang, der für das Aufstehen und das Stehen in der Rehabilitation von großer Bedeutung ist.
Mittels finiter Elemente-Methode wurden die elektrischen Felder in der Nähe der erregbaren Strukturen berechnet. Mit Hilfe von Simulationen und EMG Datenauswertungen können dadurch die Hinterwurzeln als die direkt angeregten Nervenstrukturen identifiziert werden. Die Computersimulationen haben gezeigt, dass die Nervenimplusinitierung in den Hinterwurzeln stattfindet. Infolge der langgestreckten Strukturen der Hinterwurzelfasern kann die Erregung des LLPG bei Elektrodenlagen erfolgen, die sich über drei Wirbelsegmente erstrecken.
Die wesentliche technische Anforderung an ein Rückenmarksimplantat zur Aktivierung des LLPG ist eine zuverlässige Anregung der lumbalen Hinterwurzeln L1-L3, unabhängig von der Körperhaltung des Patienten. Eine Elektrodenkonfiguration mit seitlich liegenden Kontakten in fixierbarer Position und horizontaler Ausrichtung wird vorgeschlagen.
Die Erkenntnisse über die selektive Erregbarkeit des Rückenmarks für Lokomotion als auch zur Streckung der Beine eröffnen den Weg zu neuen Implantatsentwicklungen und Behandlungsmethoden in der funktionellen Neurochirurgie , vergleichbar mit der Methode der 'Tiefen Hirn Stimulation' in der Parkinson Behandlung.

Autorenteam:

Rattay, Minassian, Gerstenbrand, Binder, Pinter, Dimitrijevic.