Meister der Neuromodulierung

Stanisa Raspopovics Leidenschaft f¨¹r das Gehirn, das Nervensystem und f¨¹r Neurotechnologien begann w?hrend seinem Elektrotechnikstudium in Pisa. ?Ich las damals in einer Wissenschaftszeitschrift einen Bericht ¨¹ber Forschung an Affen, die mit ihren Gedanken und via Hirnstrommessungen Roboterarme steuern konnten?, sagt er.

Aufgewachsen ist Raspopovic in Belgrad und Pisa, und er liebte in seiner Jugend das Basketballspielen und die Naturwissenschaften. Heute ist er Assistenzprofessor an der ETH Z¨¹rich und blickt zur¨¹ck auf eine ganze Reihe von eigenen Forschungsdurchbr¨¹chen im Bereich der Schnittstelle von K?rper und Maschine. Am bekanntesten sind die sogenannten Neuroprothesen f¨¹r oberschenkelamputierte Personen, der er zusammen mit seinem Team entwickelt hat. Diese Beinprothesen sind ¨¹ber implantierte Elektroden mit den Oberschenkelnerven der Patienten verbunden. Die Elektroden ¨¹bermitteln den Prothesetr?gern Informationen von Sensoren an der Prothesenfusssohle, sodass sie damit wieder Bodenber¨¹hrungen f¨¹hlen, etwas, was sie seit der Amputation des Beines nicht mehr konnten. ?Wir helfen damit diesen Personen, ihre Phantomschmerzen zu verringern und besser gehen zu k?nnen?, sagt Raspopovic. F¨¹r seine Leistungen wurde er nun mit dem Latsis-Preis der ETH Z¨¹rich ausgezeichnet (siehe Kasten) .

Zwei Welten vereinen

Ein elektronisches Ger?t und Nerven miteinander zu verbinden, ist extrem komplex, wie Raspopovic erz?hlt. W?hrend der Jahre seiner Doktorarbeit, ebenfalls in Pisa, und danach in Barcelona und an der EPFL in Lausanne, untersuchte er mit Computersimulationen und anschliessend erg?nzt durch zahlreiche Tiermodelle, wie sich die beiden unterschiedlichen Welten am besten verbinden lassen.

?Es ist genau diese Interdisziplinarit?t zwischen Computerwissenschaften, Elektrotechnik, Neurobiologie, Tierforschung und klinischen Studien gemeinsam mit ?rztinnen und ?rzten, die unsere Forschung m?glich und auch f¨¹r mich und alle anderen Beteiligten so interessant macht?, sagt Raspopovic. Mittlerweile w¨¹rden die Grenzen zwischen klassischen wissenschaftlichen Fachgebieten zunehmend verschwimmen. Er selbst sehe sich als Wissenschaftler an der Schnittstelle verschiedener Disziplinen und letztlich als Neuroingenieur.

In Nervenzellen werden Informationen ¨¹ber geladene Atome (Ionen) ¨¹bermittelt, die Schaltkreise in elektronischen Ger?ten hingegen funktionieren mit Elektronen. Das Gemeinsame an beiden Systemen ist, dass sie sich ¨¹ber ein elektrisches Feld beeinflussen lassen. ?Um mit Nerven zu kommunizieren ver?ndern wir das elektrische Feld?, erkl?rt Raspopovic. Man kann das auf unterschiedliche Arten machen, und in seiner bisherigen Forschung konnte er zeigen, dass es besonders effizient ist, dies ¨¹ber eine sogenannte zeitabh?ngige Ladungsmodulation zu tun statt ¨¹ber die Frequenzmodulation, wie das Forschende vorher gemacht haben. Dar¨¹ber hinaus optimierte Raspopovic die Form der implantierten Elektroden, um damit einzelne Nervenb¨¹ndel und nicht den gesamten Nerv beeinflussen zu k?nnen.

Von den Grundlagen zur Anwendung

Seit seinem Masterstudium in Pisa interessierte sich Raspopovic f¨¹r grundlegende Fragen: Wie nehmen wir mit unserem Gehirn die Welt wahr? Wie funktioniert unser Bewusstsein und wo im Gehirn ist es lokalisiert? Wie lassen sich Nervensystem und Maschinen verbinden? Wie l?sst sich so Information aus dem Nervensystem entschl¨¹sseln und allenfalls sogar f¨¹r Therapiezwecke beeinflussen?

Es sind ?hnlich grundlegende Fragen, die ihn heute noch umtreiben, nun als Forscher, der zu ihrer Beantwortung beitr?gt. ?Wir versuchen zu verstehen, wie unser Nervensystem auf k¨¹nstliche Ger?te, wie zum Beispiel ¨¹ber Elektroden mit ihm verbundene Ger?ten und Sensoren reagiert?, sagt er. Es gehe darum herauszufinden, wie das Nervensystem solche Informationen aufnimmt und sie verarbeitet. Oder wie solche Informationen von externen Sensoren das Bewusstsein und das Unterbewusstsein beeinflussen. ?Dazu arbeiten wir auch mit Psychologen und Neurowissenschaftlern zusammen?, erkl?rt Raspopovic. ?Denn nur wenn wir dies besser verstehen, k?nnen wir die Schnittstellen von Ger?ten und dem K?rper verbessern.?

Leidenschaft, Durchhaltewillen und ein gutes Team

In seinen neueren Forschungsarbeiten ist die Neurostimulation dazugekommen. Beispiele dazu sind die Behandlung von Gesichtsl?hmungen durch die pr?zise elektrische Stimulation von Gesichtsnerven. Oder die Behandlung des Taubheitsgef¨¹hls und von Schmerzen in den F¨¹ssen aufgrund von Nervensch?digungen, wie sie bei vielen Diabetespatienten auftreten. F¨¹r diese Zwecke arbeitet Raspopovic nicht mit implantierten Elektroden, sondern solchen, die auf die Haut aufgebracht werden, zum Beispiel in einem speziell ausgestalteten Strumpf. ?Auch in diesen Projekten setzen wir zun?chst realistische Computermodelle und k¨¹nstliche Intelligenz ein. Damit m?chten wir verstehen, welche Elektroden wir wo genau in einem solchen Strumpf stimulieren sollen, und wie wir sie stimulieren sollen?, erkl?rt er.

Bemerkenswert f¨¹r Stanisa Raspopovics Forschungst?tigkeit sei, dass er alle Entwicklungen, die heute zum Teil am Menschen erprobt werden, von Grund auf entwickelt habe, schreibt die ETH-Forschungskommission zur Vergabe des Latsis-Preises 2021 der ETH Z¨¹rich. ?Viele Entdeckungen sehen im Nachhinein einfach aus?, sagt er selbst. ?Doch oft ist es alles andere als einfach.? Viele der Herausforderungen, die sich stellen, sind technischer Natur, zum Beispiel wenn irgendwo eine Elektrode oder ein Kabel bricht, und dies erst nach einer Weile entdeckt wird. Auch musste er oft bis sp?t in den Abend arbeiten, etwa um die Ger?te f¨¹r klinische Studien vorzubereiten oder Forschungsantr?ge rechtzeitig vor einem Abgabetermin zu verfassen.

Um dies zu meistern geh?re viel Durchhaltewillen dazu, sagt Stanisa Raspopovic. Letztlich seien es drei Dinge, die ihm zufolge zum Erfolg f¨¹hren: Leidenschaft, Durchhaltewillen und ein gutes Team. ?Alle drei sind essenziell, und sie beg¨¹nstigen sich gegenseitig?, sagt er. Er sei stolz auf sein Team aus jungen, motivierten Menschen. Sie alle seien angetrieben von Leidenschaft. Und w?hrend die Leidenschaft den Teamgeist beg¨¹nstigt, f?rdere dieser wiederum den Durchhaltewillen. Damit niemand aufgibt, wenn wieder einmal eine Elektrode oder ein Kabel bricht.