Final im Hürdenlauf der Frauen an der Leichtathletik-Weltmeisterschaft: Millionen Zuschauer fiebern mit, staunen über den harmonischen Bewegungsablauf, in dem die Läuferinnen elegant über die Hindernisse zu fliegen scheinen. Im Zieleinlauf trennen gerade einige Hundertstelsekunden die Gewinnerin der Goldmedaille von der Zweitklassierten. Unsere Bewunderung für die herausragende Leistung der Weltmeisterin müsste gleichermassen auch jener ihres Gehirns und Rückenmarks gelten, also den Nervenfasern, die ihre Muskulatur derart präzise gesteuert haben. In jahrelangem Training hat die Leichtathletin sämtliche Bewegungsabläufe automatisiert, so dass sie sich, kurzen Reflexschleifen gleich, in Tausendstelsekunden unbewusst abrufen lassen. Bewusst denkend lassen sich keine Hürden nehmen!
Jene Bewegungen, obzwar wir sie willentlich einleiten, sind von einer derartigen Komplexität, Schnelligkeit der Koordination und Eleganz der Ausführung, dass es uns nur gelingt, sie in die Tat umzusetzen, indem wir sie an unbewusste Regelkreise delegieren. Dies gilt auch im Alltag. Etwa wenn man eine Flasche Burgunder aus dem Keller holt, diese öffnet und sich ein Glas einschenkt. Was bei solchen einfachen Bewegungen vom zentralen Nervensystem – Gehirn und Rückenmark – zu leisten ist, interessiert den Arzt Karl Heinz Mauritz, Direktor der neurologischen Universitätsklinik in Berlin. Mauritz gehört zu den führenden Forschern in Europa auf diesem Gebiet. Er hat es sich zur Aufgabe gemacht, Querschnittgelähmten wieder auf die Beine zu helfen.
Zum Beispiel dem 22jährigen Marokkaner Khalid, der vor zwei Jahren in seinem Heimatland bei einem schweren Autounfall eine Verletzung der unteren Brustwirbelsäule erlitt und seither querschnittgelähmt ist. Er hatte Glück im Unglück, denn sein Bruder wohnt und arbeitet schon seit Jahren in Berlin, weshalb Khalid zu ihm ziehen und in das Therapieprogramm der Neurologischen Universitätsklinik eintreten konnte.
Zweimal wöchentlich kommt der junge Mann ins Neurorehabilitationszentrum zum Training. Jeder Schritt ist für ihn eine Anstrengung und verlangt höchste Konzentration. Mehr als eine halbe Stunde schafft er nicht. Erschöpft sinkt er zurück in seinen Rollstuhl. «Besonders das Treppensteigen strengt mich an. Gestern bin ich zum erstenmal allein zwei Stockwerke hochgegangen.» Das Wunder, das den querschnittgelähmten Patienten wieder stehen und gehen lässt, vollbringen acht auf die Haut aufgesetzte Elektroden. Gesteuert von einem kleinen Computer, senden sie elektrische Signale durch die intakte Haut hindurch zu den Nerven für die Gesäss- und Beinmuskulatur. Es sind die Nerven und nicht die Muskeln, die gereizt werden. Die peripheren Nerven müssen also intakt sein, weshalb sich die Methode der Funktionellen Neuromuskulären Stimulation (FNS) besonders für Lähmungen nach Rückenmarkschäden eignet.
Allein schon das sachgerechte Aufsetzen und Anschliessen der Elektroden ist keine einfache Angelegenheit, ebenso das Einstellen des computerisierten Reizgerätes. Ist alles verkabelt, folgt der grosse Moment: das Aufstehen. Zuerst sträuben sich Khalids verkrampfte Muskeln gegen die elektrischen Befehle. Nach einigen Minuten der Lockerung folgen die ersten Schritte. Seine gelähmte Muskulatur ermüdet noch leicht, weshalb Khalid täglich mehrmals eine halbe Stunde mit seinem FNS-Gerät trainiert. Die Ermüdung der künstlich gereizten Muskeln ist eines der Hauptprobleme dieser Gehhilfe. Sie ist das Resultat einer unphysiologischen, synchronen Reizung von immer gleichen Muskelfaserbündeln.
Das Computerprogramm ist auf den Gelähmten massgeschneidert. Als erstes hatte er das Aufstehen und das Hinsetzen geübt. «Das war ein unbeschreibliches Gefühl, als ich das erste Mal wieder auf meinen eigenen Füssen stand», erinnert sich Khalid. Mit der FNS-Methode ist Stehen bis zu einer Stunde möglich. Nun beginnt er mit dem Gehprogramm. Der Minicomputer, den er an einem Gurt um die Hüfte trägt, hat Programme für Aufstehen, Gehbeginn, Gehen und Treppensteigen gespeichert. Der Patient steuert die Programme und elektrischen Impulse mittels Knopfdruck. Die Knöpfe sind auf Stöcken montiert, die er benötigt, um das Gleichgewicht zu halten.
Khalid wohnt zusammen mit der Familie seines Bruders in einer Altwohnung in einem Berliner Arbeiterquartier. Das Haus hat keinen Lift. Kommt Khalid heim, ist er auf seinen Bruder angewiesen, der ihn im Rollstuhl die Treppen bis in den ersten Stock hochzieht. Ohne fremde Hilfe geht es nicht. Im Wohnzimmer montiert Khalid dann sein FNS-Gerät. Damit kann er sich wenigstens in der Wohnung frei bewegen. «So kann ich wieder im Haushalt mithelfen.» Der junge Möbelschreiner möchte aber mehr. In einigen Wochen will er in einer Werkstatt zu arbeiten beginnen.
Abends trainiert Khalid Basketball im Behindertensportklub Berlin. Es ist erstaunlich, wie er und seine Kollegen sich in ihren Rollstühlen um die eigene Achse drehen, bevor sie zum Wurf ansetzen. Beim Beobachten der Spieler wird einem bewusst, wie plump und hilflos sich die computergesteuerte Elektrostimulation ausnimmt. Und wie wenig wir eigentlich noch über die neuronale Steuerung der Bewegung wissen.
Deshalb hat Mauritz im Keller seiner Klinik ein Bewegungslabor eingerichtet. Hier analysieren er und seine Mitarbeiter auch die Bewegungsmuster von gesunden Versuchspersonen. Es erstaunt, aus welch komplizierten Einzelschritten eine einfache Bewegung wie das Aufstehen zusammengesetzt ist: gut zwei Dutzend Muskeln und Sehnen, die Hüft-, Knie-, und Sprunggelenke, die Wirbelsäule, Schultern und Kopf müssen perfekt zusammenspielen. Tausende Sensoren erstatten dem Gehirn und dem Rückenmark Meldung, damit sie die Lage des Körpers im Raum in jedem Moment festlegen können. Dies setzt eine Zusammenarbeit von Gleichgewichtsorgan, Kleinhirn und visuellem System mit der motorischen Hirnrinde voraus, und diese schickt dann ihre Befehle zurück zu den Muskeln. Wie fein dieses Nervennetz geknüpft ist, lässt sich heute erst bruchstückhaft erahnen.
Am Tag unseres Besuches steht ein 54jähriger Patient, der vor einigen Wochen einen Hirnschlag erlitten hat, auf dem Förderband des Ganglabors. Durch seinen Schlaganfall hat er sowohl die Fähigkeit zu sprechen wie zu gehen verloren. Mit einem Kran wird er aufgerichtet. Dann wird ihm ein Stimulationsgerät umgebunden. Das Förderband läuft an. Der Arzt, der hinter seinem Rücken steht, passt dauernd Frequenz und Reizstärke den Bewegungen an. Mühsam setzt der Patient einen Fuss vor den anderen. Die Verständigung mit ihm ist zähflüssig. Die gesamte Gefühlspalette drückt er durch die unterschiedliche Betonung und Lautstärke der beiden Wörter «icke» und «Mann» aus. Sein «icke» wird plötzlich lauter und eindringlich. Er hat Schmerzen. Die elektrischen Reize sind zu stark. Der Arzt dreht am Reizgerät. Mit einem zufriedenen «Mann, Mann» gibt der Patient zu verstehen, dass es so besser ist. Ob er sich für das FNS-Programm eignet, werden die Untersuchungen zeigen. «Dieser Patient ist ein Grenzfall, weil der Hirnschlag bei ihm zu viele Funktionen ausgelöscht hat», fasst Karl Heinz Mauritz das Ergebnis der Ganganalyse zusammen.
Ruth Müller, eine 42jährige Patientin, hat vor acht Monaten eine Hirnblutung erlitten. «An einem Morgen, gerade als ich meinen Sohn zur Schule schicken wollte, bekam ich rasende Kopfschmerzen. Dann begann sich alles zu drehen, und mir wurde schwarz vor Augen und schlecht. Ich fiel zu Boden. Zum Glück konnte ich noch ins Geschäft telefonieren und meinen Chef um Hilfe bitten. Nachher verlor ich die Sprache. Es war ein schreckliches Erlebnis.» Heute redet sie schon fast wieder normal. Auch kann sie wieder gehen. Nur die Unsicherheit ist geblieben. Diese zu verringern, hilft ihr das FNS-Gerät. Dank ihm kann die Patientin auch wieder ihre Schultern zur Sicherung des Gleichgewichts benutzen. Jetzt getraut sie sich erstmals wieder auf die Strasse, wenn auch nur in Begleitung einer Physiotherapeutin. «Ich hoffe, dass ich in einigen Monaten wieder meine Unabhängigkeit zurückerobern kann.»
In der Schweiz werden jährlich rund 200 Querschnittlähmungen registriert; die Zahl der Hirnschläge wird auf jährlich 20 000 geschätzt.
So nützlich die Mauritzsche FNS-Methode heute für Querschnittgelähmte und Hirnschlagpatienten ist, sie beruht auf einem Eingriff von aussen: Es sind nicht die Befehle des Gehirns an die Muskeln, sondern diejenigen des Minicomputers und der Elektroden, die Steuerungsfunktionen ausüben. Was aber wäre bei Querschnittgelähmten von der Schädigung her gesehen das natürliche Heilverfahren? Zunächst müsste man die unterbrochenen Reizleitungen, die Axonkabel, reparieren können. Hier eröffnen die Resultate der Gruppe um den Biochemiker Martin Schwab vom Zürcher Hirnforschungsinstitut neue Perspektiven. Seine grundlegenden Arbeiten haben weltweit für Aufsehen gesorgt.
Über Axonkabel leitet die Nervenzelle ihre elektrischen Signale an die Muskelzellen weiter. Auch im Verband der hundert Milliarden Nervenzellen des Gehirns wird die Aktivität einer jeden Zelle über diese Reizleitung an die Verbindungsstellen, die Synapsen, elektrisch weitergeleitet. Von den Synapsen aus benachrichtigen dann Botenstoffe die Zielzellen. Je nach Art des Botenstoffs kann die Botschaft die Aktivität der Zielzelle hemmen oder fördern. Die Aktivität fördern heisst, dass die Zielzelle ihren eigenen Botenstoff weitergibt; wenn sie gehemmt wird, tut sie das nicht. Auf dieser Ebene «sprechen» Nervenzellen miteinander. Die Bedeutung des Gesprochenen ist «Hemmung» und «Förderung».
Die meisten Axonkabel sind mit Myelin, einem Eiweiss, isoliert und leiten daher die elektrische Eregung schneller weiter als die – beim Menschen sehr seltenen – nicht isolierten Reizleitungen, die bei wirbellosen Tieren noch häufig vorkommen. Myelin wird von Hüllzellen gebildet, die bereits in der Gehirnentwicklung eine entscheidende Rolle spielen. Diese sogenannten Gliazellen regeln nämlich die korrekte Positionierung der Nervenzellen. Kein Wunder, dass die Reizleitungen ihren Weg finden, gibt es doch fast so viele Glia- wie Nervenzellen. Es sind auch die Gliazellen, die das Wachstum der Axonkabel steuern und diese jeweils mit der richtigen Zielzelle verschalten.
An der Erfüllung dieser Aufgaben sind zwei Typen von Gliazellen beteiligt: Astrozyten und Oligodendrozyten. Die Astrozyten locken die Reizleitungen mit einem Lockstoff ins Ziel; die Aufgabe der Feinzuweisung der einzelnen Axone zu ihren Kontaktstellen wird dann unter anderem von spezialisierten Molekülen übernommen. Auf der anderen Seite verhindern die Oligodendrozyten, dass die Axone zu den falschen Orten ausspriessen. Für die Entwicklung und die Kontrolle des normalen Gehirns und Rückenmarks scheinen die Oligodendrozyten und deren Hemm-Eiweisse von grosser Bedeutung zu sein. Martin Schwab hat experimentell nachgewiesen, dass die Oligodendrozyten bestimmte Eiweisse als chemische Hemmstoffe einsetzen: nach deren Neutralisierung durch geeignete Antikörper können die Reizleitungen wieder ungehindert weiterwachsen. Werden diese wachstumshemmenden Eiweisse ausgeschaltet, können neue Nervenfasern aus verletzten Fasern im Rückenmark einer Laborratte über sehr lange Distanzen regenerieren und eventuell sogar ihre früheren Zielgebiete wieder erreichen.
Damit besteht erstmals eine (wenn auch noch ferne) Aussicht auf ein natürliches Heilverfahren für Querschnittgelähmte. Aber selbst wenn diese Wachstumsexperimente auch beim Menschen gelängen, würde dies ein weiteres, schwieriges Problem aufwerfen: die Nervenreparatur müsste in der richtigen Ordnung geschehen. Das bedeutet, dass man genau verstehen müsste, wie die Schaltpläne der Bewegungskoordination aussehen. Davon haben die Hirnforscher und Neurologen bis heute jedoch nur rudimentäre Vorstellungen.
Hier stellt sich die gravierende Schwierigkeit, solche Schaltpläne beim Menschen aufzuspüren. Die für lange Zeit einzige Möglichkeit bestand darin, anlässlich von Hirnoperationen bestimmte offenliegende Regionen oder gar Einzelzellen direkt elektrisch zu reizen und die Reaktionen der nur lokal anästhesierten Patienten zu beobachten. Mit dieser Methode hat der Hirnchirurg Wilder Penfield zu Beginn der fünfziger Jahre an der Universitätsklinik Montreal an über tausend Epilepsiepatienten einen Atlas der Bewegungssteuerung in der Hirnrinde angefertigt.
Heute stehen für den Patienten weniger belastende Verfahren zur Verfügung, motorische Nervenzellen zu stimulieren und die zugehörige Muskelkontraktion zu studieren. Völlig schmerzfrei und ohne jeden Eingriff geht das zum Beispiel durch magnetische Wechselfelder über dem Kopf. Im Gegensatz zu Penfields Methode der direkten und räumlich genauen elektrischen Reizung am Gehirn von Patienten, wirken die magnetischen Felder weniger präzis – ihr Vorteil ist, dass sie bedenkenlos eingesetzt werden können, auch an Gesunden. Eine weitere Methode ist wieder mit einem Eingriff verbunden: Durch die Messung des erhöhten Blutflusses in aktiven Hirnregionen mittels gespritztem, radioaktiv markiertem Xenon lässt sich mit einer Röntgenkamera das Aktivitätsmuster des gesamten Gehirns erfassen.
Je mehr die Forscher über die «Geographie der Bewegung» im Gehirn herausfinden, desto weniger eindeutig lässt sich die Steuerung von bestimmten Muskelgruppen auf spezifische Reaktionsmuster entsprechender Nervenzellgruppen zurückführen. Schon einer der Pioniere der Hirnforschung, der englische Nervenarzt Hughlings Jackson, hatte vor hundert Jahren vermutet: «Bildlich gesprochen weiss das zentrale Nervensystem absolut nichts von Muskeln; es kennt einzig Bewegungen.» Die heutige Forschung, so resümiert der Anatom Roger Lemon von der Universität Cambridge, bringe die Penfieldsche «Kartographie» ins Wanken: «Die Zuordnungskarte der motorischen Hirnrinde ist keine geordnete topographische Darstellung der Körpermuskulatur.» So kann eine Nervenzelle, die einen bestimmten Fussmuskel beim Gehen steuert, einmal aktiv, dann wieder – immer noch beim Gehen – ruhig sein, je nach Bewegungszusammenhang.
Beinahe täglich entdecken Hirnforscher interessante neue Botenstoffe, Hemm-Eiweisse und Wachstumsfaktoren. Raffinierte Stimulationsverfahren lassen das Zusammenspiel von Nervenzellen und Muskelfasern immer besser erkennen. Neue Diagnosemethoden erlauben die immer genauere Lokalisation von Störungen der Nervenzellen in Gehirn und Rückenmark. Jede neue Erkenntnis wirft aber gleichzeitig weitere Fragen auf. Es wird deshalb, wenn es überhaupt je dazu kommt, noch lange dauern, bis eine biochemische und physiologische Therapie Querschnittgelähmten wie dem jungen Khalid wird helfen können.
Ernst Hunziker ist Arzt und Wissenschaftsjournalist in Zürich. Er hat zusammen mit Guerino Mazzola das Sachbuch «Ansichten eines Hirns» (Birkhäuser-Verlag, Basel 1990) verfasst.