Neuromuskuläre Ansteuerung während einer Bewegung entschlüsseln

Prof. Oliver Röhrle wurde durch den Europäischen Forschungsrat mit einem ERC Advanced Grant ausgezeichnet. In seinem Projekt „qMOTION“ möchte er mit Hilfe der Quantentechnologien die neuromuskuläre Ansteuerung während einer Bewegung entschlüsseln.

Muskeln bringen Lebewesen nicht nur in Bewegung, sie können auch als Schnittstelle zwischen dem Gehirn und der Umwelt dienen. Als solche bieten sie einen Blick in das Gehirn, um zum Beispiel die Ansteuerung von Muskeln zu untersuchen. Könnte man diese neuromuskulären Signale entschlüsseln, würde dies in der Medizin völlig neue Chancen in Diagnose und Behandlung eröffnen, sowie neue Methoden für Training und Rehabilitation ermöglichen. Dies erfordert jedoch gänzlich neue Ansätze. 

„Wir brauchen zum Beispiel Technologien, die gleichzeitig Informationen über die Rekrutierungsmuster und den Funktionszustand des Muskels erfassen“, erklärt Röhrle, Direktor am Institut für Modellierung und Simulation Biomechanischer Systeme sowie Forschungsleiter im Exzellenzcluster Daten-integrierte Simulationswissenschaft (SimTech) der Universität Stuttgart. „Genau dies ist auch die Vision von qMOTION, die darin besteht, die neuronale Aktivierung von Skelettmuskeln mithilfe von Quantensensoren und datengesteuerten Simulationsansätzen präzise und nichtinvasiv zu entschlüsseln.“ Der Projektname qMOTION steht für Simulation-enhanced Highdensity Magneto-myographic Quantum Sensor Systems for Decoding Neuromuscular Control During.

Bisher untersucht man das menschliche neuromuskuläre System, indem man das elektrische Potenzial des Muskels misst und verarbeitet. Dies hat jedoch den Nachteil, dass aufgrund der elektrischen Eigenschaften des Körpers das Signal „verzerrt“ und es schwierig ist, die bis zu 1000 Quellen solcher Potentiale zu identifizieren und voneinander zu trennen. Magnetische Felder dagegen durchdringen biologisches Gewebe ohne Formänderungen. Für die Messung des Magnetfelds sind jedoch hochempfindliche Magnetometer erforderlich. Diese stehen mit den neuen Quantensensortechnologien erstmals zur Verfügung. „qMOTION ebnet den Weg für ein völlig neues Forschungsfeld“, ist Röhrle optimistisch. 

In qMOTION werden die Forschenden kommerziell erhältliche Magnetometer verwenden. Erste Studien zeigen, dass die Untersuchung des Magnetfelds eine vielversprechende Option ist, insbesondere, wenn ein so genanntes High Density-magnetomyographisches (HD-MMG) Messsystem existiert, also ein Messsystem, das aus einer gitterähnlichen Anordnung von bis zu 100 Sensoren besteht.

Der Fokus von qMOTION ist der Aufbau eines HD-MMG Messsystems für die Entschlüsselung der neuromuskulären Aktivität während der Bewegung. Letzteres ist nur möglich, da HD-MMG-Daten auch geeignet sind um neuartige funktionelle Bildgebungsmethoden zu entwickeln. Röhrles interdisziplinärer Werdegang mit seinen Forschungsgebieten in der Angewandten Mathematik und in der Biomechanik ist für das Projekt eine hervorragende Basis. Mit dem Exzellenzcluster SimTech und sowie dem Zukunftscluster „Quantensensoren der Zukunft“ (QSens) existiert an der Universität Stuttgart zudem ein ideales Umfeld für diese innovative Forschung. 

Über die ERC Advanced Grants: Die Projekte und Zuschüsse des Europäischen Forschungsrats sind in Kategorien aufgeteilt: ERC Starting Grants, ERC Consolidator Grants, ERC Advanced Grants und ERC Synergy Grants. ERC Advanced Grants zählen zu den renommiertesten Forschungspreisen weltweit und richten sich an etablierte Forschende mit einer herausragenden wissenschaftlichen Leistungsbilanz. Derzeit sind 12 laufende ERC-Grants an der Universität Stuttgart angesiedelt, davon fünf Advanced Grants.