DeMOTUS: Entschlüsselung des exakten und repräsentativen Outputs des spinalen motorischen Nervensystems des Menschen

• Antragsteller: Professor Dr. Alessandro del Vecchio, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften ; Anatomie und Physiologie ; Klinische Neurologie; Neurochirurgie und Neuroradiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523352235

Zum Verständnis der motorkortikalen Muskelsteuerung ist eine präzise Identifizierung der Motoreinheiten erforderlich, die die Muskelkraft steuern. Die motorische Einheit besteht aus einem einzelnen spinalen Motoneuron und einer Gruppe von innervierten Muskelfasern. Die Bewegung wird durch Aktionspotentiale erzeugt, die vom Gehirn, dem Rückenmark und afferenten Eingängen ausgehen. Sie Bewirken ein Aktionspotential auf der Ebene der spinalen Motoneuronen. Die Aufzeichnung der Aktivität der motorischen Einheiten ermöglicht daher eine direkte Beobachtung des Steuersignales, das die Muskelkraft erzeugt. Aufgrund der eins-zu-eins-Assoziation zwischen Motoneuron und Muskelfasern sind die spinalen Motoneuronen die einzigen Nervenzellen, die beim Menschen mit minimalinvasiven Methoden zugänglich sind. Viele Fragen in den Neurowissenschaften der Bewegung und der Neurorehabilitation bleiben unbeantwortet, weil es an Methoden fehlt, die eine Brücke zwischen der Funktion der Nervenzellen und der Funktion der Muskeln im großen Maßstab schlagen. Im Rahmen von DeMOTUS möchten wir die Art und Weise, wie wir menschliche Bewegungen untersuchen, revolutionieren. Wir werden neue Sensorik, eine biomimetische sehnengetriebene bionische Hand und Exoskelett, sowie digitale Zwillinge dieser Systeme entwickeln. Durch den Einsatz neuartiger intramuskulärer elektromyographischen Sensortechnik werden erforschen, wie das zentrale Nervensystem die motorischen Einheiten während synergistischer Hand- und Beinbewegungen steuert. Durch die Aufzeichnung von Hunderten von synergistischen Motoreinheiten und Echtzeit-Feedback der Aktivität der Motorneuronen wollen wir den ersten geschlossenen Feedback-Loop entwickeln, der es menschlichen Individuen ermöglicht, die Aktivität verschiedener Muskeln zu trennen und die so genannten invarianten Muskelsynergien zu entkoppeln. Der Motorkortex verfügt über riesige motorische Dimensionen und bei Menschen und anderen Primaten starke eins-zu-eins-Assoziationen mit den Motoreinheiten. Wir stellen die Hypothese auf, dass Menschen mit einem geeigneten Neurofeedback basierend auf der Aktivität spinaler Motorneuronen lernen können, selektiv Pools motorischer Einheiten zu aktivieren, selbst wenn diese einem gemeinsamen kortikalen Input unterliegen. DeMOTUS wird grundlegende neurowissenschaftliche Forschung mit Lähmung aufgrund neuromuskulärer Erkrankungen verbinden. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt haben das Potential, das Leben von Menschen mit Schlaganfall und Querschnittlähmung zu verändern. Belastbare vorläufige Ergebnisse beweisen, dass die meisten Menschen mit Schlaganfall und Querschnittlähmung eine große Anzahl von verschonten Motorneuronen unterhalb des Levels der Läsion besitzen. DeMotus wird daher nicht nur grundlegende neurowissenschaftliche Erkenntnisse liefern, sondern auch dazu dienen, Bewegungsintentionen von gelähmten Patienten zu erkennen, und so Neurorehabilitation und die Wiederherstellung motorischer Funktion zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen