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In einem mehrjährigen Forschungsprogramm, das von den beiden Direktoren von NeuroRestore – Grégoire Courtine, Professor für Neurowissenschaften an der EPFL, und Jocelyne Bloch, Neurochirurgin am Universitätsspital Lausanne (CHUV) – koordiniert wurde, konnten Patientinnen und Patienten, die durch eine Rückenmarksverletzung gelähmt waren und sich einer gezielten epiduralen Elektrostimulation des Bereichs unterzogen, der die Bewegung der Beine steuert, eine gewisse motorische Funktion wiedererlangen. In einer neuen Studie von NeuroRestore-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftlern, die heute in der Zeitschrift Nature erscheint, wurde nicht nur die Wirksamkeit dieser Therapie bei neun Patienten nachgewiesen, sondern es zeigte sich auch, dass die verbesserte motorische Funktion bei den Patientinnen anhielt, nachdem der Neurorehabilitationsprozess abgeschlossen war und die elektrische Stimulation abgeschaltet wurde. Dies deutet darauf hin, dass sich die für das Gehen verwendeten Nervenfasern reorganisiert haben. Die Forschenden sind der Ansicht, dass es von entscheidender Bedeutung war, genau zu verstehen, wie diese neuronale Reorganisation abläuft, um wirksamere Behandlungen zu entwickeln und das Leben möglichst vieler Patientinnen und Patienten zu verbessern.
Vsx2-Neuronen reorganisieren sich, um den Gehvorgang wiederherzustellen
Um zu diesem Verständnis zu gelangen, untersuchte das Forschungsteam zunächst die zugrunde liegenden Mechanismen in Mäusen. Dabei zeigte sich eine überraschende Eigenschaft einer Familie von Neuronen, die das Vsx2-Gen exprimieren: Während diese Neuronen bei gesunden Mäusen für das Gehen nicht notwendig sind, waren sie für die Wiederherstellung der motorischen Funktion nach einer Rückenmarksverletzung unerlässlich.
Diese Entdeckung war der Höhepunkt mehrerer Phasen der Grundlagenforschung. Zum ersten Mal konnten die Forschenden die Rückenmarksaktivität eines Patienten während des Gehens sichtbar machen. Dies führte zu einer unerwarteten Erkenntnis: Während der Stimulation des Rückenmarks nahm die neuronale Aktivität beim Gehen tatsächlich ab. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler stellten die Hypothese auf, dass dies darauf zurückzuführen sei, dass die neuronale Aktivität selektiv auf die Wiederherstellung der motorischen Funktion ausgerichtet ist.
Um ihre Hypothese zu überprüfen, entwickelte das Forschungsteam eine fortschrittliche molekulare Technologie: «Wir haben die erste molekulare 3D-Kartographie des Rückenmarks erstellt», sagt Courtine. «Mit unserem Modell konnten wir den Genesungsprozess mit erhöhter Granularität beobachten – auf Ebene der Neuronen.» Dank ihres hochpräzisen Modells fanden die Forschenden heraus, dass die Stimulation des Rückenmarks die Vsx2-Neuronen aktiviert und dass diese Neuronen im Laufe des Reorganisationsprozesses immer wichtiger werden.
Ein vielseitiges Wirbelsäulenimplantat
Stéphanie Lacour, ebenfalls Professorin an der EPFL, half dem Forschungsteam bei der Validierung ihrer Ergebnisse mit den in ihrem Labor entwickelten epiduralen Implantaten. Lacour passte die Implantate an, indem sie Leuchtdioden hinzufügte, die es dem System ermöglichten, nicht nur das Rückenmark zu stimulieren, sondern auch die Vsx2-Neuronen allein durch einen optogenetischen Prozess zu deaktivieren. Als das System bei Mäusen mit einer Rückenmarksverletzung eingesetzt wurde, hörten die Mäuse als Folge der deaktivierten Neuronen sofort auf zu laufen – bei gesunden Mäusen gab es jedoch keine Auswirkungen. Dies deutet darauf hin, dass Vsx2-Neuronen sowohl notwendig als auch ausreichend sind, damit Therapien zur Rückenmarkstimulation wirksam sind und zu einer neuronalen Reorganisation führen.
«Für Neurowissenschaftlerinnen ist es wichtig, die spezifische Rolle zu verstehen, die jede neuronale Subpopulation bei einer komplexen Aktivität wie dem Gehen spielt», sagt Bloch. «Unsere neue Studie, in der neun Patientinnen und Patienten, die an einer klinischen Studie teilgenommen haben, dank unserer Implantate ein gewisses Mass an motorischer Funktion wiedererlangen konnten, gibt uns wertvolle Einblicke in den Reorganisationsprozess der Rückenmarksneuronen», so Jordan Squair, der sich bei .Neurorestore auf regenerative Therapien konzentriert, und fügt hinzu: «Dies ebnet den Weg für gezieltere Behandlungen für gelähmte Patientinnen. Wir können nun versuchen, diese Neuronen zu manipulieren, um das Rückenmark zu regenerieren.»