Hintergrund und Fragestellung

In den letzten 10 Jahren wurden motorbetriebene Gehorthesen entwickelt, um Patienten mit Paraplegie das Laufen zu ermöglichen. Eine besonders innovative Entwicklung sind Exoskelette, also von außen anliegende, motorbetriebene Stützorthesen. Beim HAL®-Robot Suit (Cyberdyne, Japan) handelt es sich um ein solches Exoskelett, das noch vorhandene Willkürkontraktionen über Oberflächen-EMG-Elektroden registriert und diese Signale in Bewegungen umsetzt.

Aus fMRT-Untersuchungen ist bekannt, dass es nach Eintritt eines Querschnitttraumas zu drastischen Veränderungen der somatotopen Repräsentationen im S1 kommt. So verschiebt und vergrößert sich das Handrepräsentationsareal nach medial in Richtung der sozusagen verlorenen Fuß- und Beinrepräsentation („medial shift“; [2]). Diese Modifikationen sind von Änderungen der neuronalen Erregbarkeit begleitet [1, 4]. Unklar ist bislang, welche zerebralen Reorganisationsphänomene durch ein exoskelettales Rehabilitationstraining induziert werden.

Untersuchungsmethoden

Wir untersuchten 7 Patienten mit chronischer inkompletter Paraplegie (6 Patienten mit Konus-Kauda-Läsion, 1 Patient mit thorakalem Querschnittsyndrom, Zeit seit dem Trauma > 12 Monate), die an einem intensiven, physiotherapeutisch angeleiteten exoskelettalen Lokomotionstraining mit dem HAL®-Robot Suit für 3 Monate im Rahmen eines individuellen Heilversuchs teilnahmen. Die dargestellten Daten stammen aus Beobachtungen einer Fallserie. Die durchgeführten neurologischen Untersuchungen dienten zur Überwachung der Therapie und deren Auswirkungen auf das periphere und zentrale Nervensystem und fanden vor und nach der Trainingsperiode statt.

Alle Patienten wurden elektrophysiologisch und magnetresonanztomographisch untersucht (ENG, Tibialis-SEP, MEP, Doppelpuls-SEP, fMRT). Wir nutzten eine spezielle EEG-Ableitung, das sog. Doppelpuls-Medianus-SEP, um die Erregbarkeit im S1 beidseits zu untersuchen [3]. Dabei wurden mit je 400 Reizen elektrische Einzel- und Doppelpulse über dem N. medianus am Handgelenk mit einer Frequenz von 3 Hz und mit der 2,5-fachen Intensität der sensiblen Wahrnehmungsschwelle appliziert. Die kortikalen EEG-Signale wurden über EEG-Oberflächenelektroden aufgezeichnet und offline ausgewertet. Als Messparameter diente die sog. Doppelpulssuppression (A2s/A1-Amplituden-Verhältnis, Abb. 1). Funktionelle MRT-Untersuchungen wurden durchgeführt, um kortikale Repräsentationsänderungen im Handareal des S1 festzustellen (3-T-MRT, Philips, Achieva X-Series). Während des Scans stimulierten wir taktil mittels eines Airpuff-Systems simultan die 3 Phalangen des Zeigefingers an beiden Händen. Es wurden 480 Stimuli mit einer Frequenz von 1,25 Hz appliziert.

Abb. 1
figure 1

Doppelpuls-Medianus-SEP mit Darstellung einer Einzelpulskurve (blau), einer Doppelpulskurve (rot) und der Subtraktion Doppelpuls−Einzelpuls (grün), Pfeile Amplituden A1 und A2s, Erläuterung der Abkürzungen s. Abkürzungsverzeichnis

Ergebnisse

Unsere Untersuchungen im Rahmen des individuellen Heilversuchs zeigen 3 Monate nach dem Training mit dem HAL®-Robot Suit eine erhöhte Doppelpulssuppression im S1, beidseits mittels Doppelpuls-SEP gemessen (Abb. 2). Zusätzlich konnten wir eine reduzierte Aktivierung und eine laterale Verschiebung des Aktivierungsmaximums im S1 bei taktiler Stimulation des Zeigefingers feststellen (Abb. 3). Die übrigen elektrophysiologischen Untersuchungen blieben ohne signifikante Befundänderungen. Signifikante funktionelle Verbesserungen (Gehzeit, Gehstrecke, Gehgeschwindigkeit) wurden bei allen Patienten festgestellt (separate Untersuchungen).

Abb. 2
figure 2

Doppelpulssuppression: A2s/A1-Amplituden-Verhältnisse vor und nach dem Training jeweils für beide Hemisphären, Erläuterung der Abkürzungen s. Abkürzungsverzeichnis

Abb. 3
figure 3

Funktionelle MRT, a vor, b nach Training, beispielhafte Daten eines Probanden („single-subject analysis“), Fadenkreuz im Aktivierungsmaximum des Handareals im S1 rechts (Stimulation linke Hand)

Diskussion

Diese vorläufigen Ergebnisse aus individuellen Heilversuchen weisen auf plastische zerebrale Veränderungen hin. Die im Rahmen des Akutereignisses des Traumas stattgefundenen Reorganisationsphänomene mit „medial shift“, Vergrößerung der Repräsentation des Handareals [2] und Steigerung der Erregbarkeit [1] werden partiell aufgehoben. Diese Befunde weisen auf eine wieder zunehmende Repräsentation der unteren Extremitäten hin, die durch das Lokomotionstraining vermehrt benutzt werden und funktionelle Verbesserungen aufweisen. Die erneuten plastischen Veränderungen könnten somit als Abbild einer effektiveren Nutzung verbliebener intakter spinaler Neuronenverbindungen angesehen werden. Hierfür spricht, dass die standardelektrophysiologischen Messungen ohne Befundänderung blieben. Diese effektivere Nutzung ist wahrscheinlich für die funktionellen Fortschritte bei unseren 7 Patienten verantwortlich.

Fazit für die Praxis

  • Exoskelettal unterstütztes Lokomotionstraining von Patienten mit chronischer Paraplegie stellt einen neuen innovativen Ansatz in der Neurorehabilitation dar.

  • Es gibt Hinweise für zerebrale Reorganisationsphänomene, die zu funktionellen Verbesserungen führen oder Abbild derselben sind. Die rein deskriptiven Ergebnisse dieser Fallserie sollten in einer gesonderten Studie systematisch untersucht werden, um weitergehende Aussagen treffen zu können.