Intelligente Prothesen können helfen, mit körperlichen Einschränkungen zurechtzukommen. Doch sie fühlen sich meist noch wie Fremdkörper an. Ihnen fehlt die Fähigkeit, natürliche Druck- und Tastempfindungen zu vermitteln. Forscher versuchen schon seit längerer Zeit, dieses Problem zu beheben. Doch die große Anzahl von Mechanorezeptoren in der Haut, die es nachzubilden gilt, bereitet bisher noch Probleme. Eine weitere Schwierigkeit ist es, ihre Signale in eine für das Gehirn verständliche Sprache zu übersetzen.

Wissenschaftler um Zhenan Bao von der Stanford University haben nun einen Weg aufgezeigt, wie man diese Probleme lösen könnte. Sie haben eine weiche Folie entwickelt, die bei mechanischem Druck ähnliche elektrische Signale erzeugt wie die mit zahllosen Tastrezeptoren durchsetzte menschliche Haut. Diese könnten ohne Umwandlung direkt vom Gehirn verstanden werden. Zumindest bei Hirnschnitten von Mäusen ist das schon gelungen: Per Nanokabel mit der künstlichen Haut verbunden, zeigte sich in den freipräparierten neuronalen Schaltkreisen ein für Tasteindrücke typisches Erregungsmuster.

Folie mit Tastkörperchen
© Bao Research Group, Stanford University
(Ausschnitt)
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Die künstliche Haut imitiert die druckabhängige Antwort von langsam adaptierenden Tastrezeptoren, wie sie in der menschlichen Haut zu finden sind. Diese so genannten Merkel-Körperchen übersetzen Druck – je nach Intensität – in Frequenzsignale von 0 bis 200 Hertz und senden sie über Nervenbahnen ins Gehirn. Die technische Imitation dieses Systems sei kompliziert gewesen, so die Autoren der Studie: Bao und Kollegen mussten dazu die druckempfindliche Folie mit einem feinen Netz organischer Schaltkreise bedrucken. Deren wichtigste Bauteile sind unzählige Nanoröhrenfeldeffekttransistoren, welche dazu dienen, die für Druckrezeptoren typischen "Spikes" zu erzeugen. Zur Regulation der Frequenz kamen piezoresistive Spannungsteiler zum Einsatz. Sie verändern ihren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von Druck. Bei steigendem Druck auf die künstlichen Rezeptoren, steigt die Steuerspannung an den Transistoren und mit ihr die Frequenz des Ausgangssignals.

Die so erzeugten Drucksignale leiteten die Wissenschaftler elektrisch über ultrafeine Silberfäden und in einem zweiten Experiment in Form von Lichtimpulsen einer LED direkt an Hirnschnitte aus dem somatosensorischen Kortex von Mäusen weiter. In dieser Hirnregion liegen die Neurone, die beim lebenden Tier den Tastsinn repräsentieren. Stimuliert von den Tastsignalen der künstlichen Haut, zeigten sie natürliche Aktivitätsmuster. Insbesondere durch Lichtstimulation könne man Impulse mit exzellenter Trennschärfe auslösen, schwärmen die Forscher. Möglich wurde die Stimulation der Neurone durch Licht allerdings erst über eine optogenetische Manipulation der Tiere, wobei in ihren Neuronen lichtgesteuerte Ionenkanäle eingebaut werden.

Die Hautsensibilität vollständig technisch nachzubilden, das bleibt aber weiterhin eine große Herausforderung. Neben den Merkel-Körperchen enthält die menschliche Haut noch zahlreiche andere Rezeptoren, zum Beispiel für Schmerz, Temperatur, schnelle Druckänderungen oder Vibrationen. Zudem dürfe es auch auf absehbare Zeit praktisch unmöglich bleiben, die elektrischen Signale aus der Prothese auf vergleichbare Weise in das Gehirn ihres Trägers einzuspeisen.