Eine neue Studie in Nature Biomedical Engineering untersucht, wie nicht-invasive elektrische Rückenmarkstimulation neuronale Strukturen aktiviert. Die Arbeit kombiniert elektrophysiologische Untersuchungen am Menschen mit digitalen Zwillingen und liefert wichtige Grundlagen für die gezieltere Anwendung neurotechnologischer Medizinprodukte.
Die nicht-invasive elektrische Stimulation des Rückemarks hat sich in den vergangenen Jahren zu einem vielversprechenden Ansatz in der Neurorehabilitation entwickelt. Klinische Studien zeigen, dass die transkutane Rückenmarkstimulation dazu beitragen kann, motorische Funktionen nach Querschnittlähmung teilweise wiederherzustellen. Erste darauf basierende Medizinprodukte sind bereits in Europa und den USA klinisch verfügbar.
Trotz dieser schnellen Entwicklung ist bislang nur unvollständig verstanden, über welche neurophysiologischen Mechanismen die Stimulation wirkt und wie unterschiedliche Stimulationsformen gezielt eingesetzt werden sollten. Eine am 12. Mai in Nature Biomedical Engineering erscheinende Studie adressiert diese Wissenslücke durch die Kombination elektrophysiologischer Untersuchungen am Menschen mit hochdetaillierten Computermodellen des menschlichen Körpers, sogenannten digitalen Zwillingen.
Im Fokus der Arbeit stehen Kilohertz-Frequenz-Wellenformen, die in der transkutanen Rückenmarkstimulation zunehmend eingesetzt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass diese schnellen Wechselströme die neuronale Erregbarkeit und die Rekrutierung spezifischer Nervenfasern deutlich beeinflussen. Insbesondere legen die Befunde nahe, dass Kilohertz-Frequenz-Wellenformen die Auslösung von Aktionspotenzialen erschweren, Antwortschwellen erhöhen und die Rekrutierung efferenter gegenüber afferenten Fasern begünstigen können.
Zugleich zeigt die Studie, dass sich die Rekrutierungsmechanismen zwischen lumbaler und zervikaler transkutaner Rückenmarkstimulation unterscheiden: Während lumbale Stimulation bevorzugt afferente Fasern aktiviert, begünstigt zervikale Stimulation eher die Rekrutierung efferenter Fasern. Da propriozeptive Afferenzen als wichtige Zielstruktur für motorische Erholung gelten, spricht die Arbeit dafür, den Einsatz von Kilohertz-Frequenz-Wellenformen insbesondere bei zervikaler Stimulation kritisch zu prüfen.
Die Studie entstand in Kollaboration mit der Washington University in St. Louis und der Medizinischen Universität Wien. Die Partnergruppen führten die elektrophysiologischen Untersuchungen durch; in Erlangen wurden die digitalen Zwillinge und Simulationen entwickelt und angewandt. Diese Modelle ermöglichen Einblicke in mehrskalige Prozesse, die experimentell im Menschen nicht direkt beobachtbar sind – vom makroskopischen Stromfluss durch den Körper bis hin zur mikroskopischen Modulation einzelner Ionenkanäle auf neuronalen Membranen.
Die Publikation liefert damit eine mechanistische Grundlage, um transkutane Rückenmarkstimulation künftig gezielter, sicherer und wirksamer einzusetzen. Zugleich unterstreicht sie den Wert digitaler Zwillinge als methodische Ergänzung zu Humanexperimenten in der Entwicklung und Bewertung neurotechnologischer Medizinprodukte.
Die Forschung wurde im Rahmen der BMFTR-geförderten Nachwuchsgruppe ProModell unterstützt.
Publikation: Nature Biomedical Engineering
Fundamental limitations of kilohertz-frequency carriers in afferent fiber recruitment with transcutaneous spinal cord stimulation
Rodolfo Keesey, Ursula Hofstoetter, Zhaoshun Hu, Lorenzo Lombardi, Rachel Hawthorn, Noah Bryson, Abdallah Alashqar, Andreas Rowald, Karen Minassian, Ismael Seáñez
DOI: 10.1038/s41551-026-01684-w
Eine neue Studie in Nature Biomedical Engineering untersucht, wie nicht-invasive elektrische Rückenmarkstimulation neuronale Strukturen aktiviert. Die Arbeit kombiniert elektrophysiologische Untersuchungen am Menschen mit digitalen Zwillingen und liefert wichtige Grundlagen für die gezieltere Anwendung neurotechnologischer Medizinprodukte.
Die nicht-invasive elektrische Stimulation des Rückemarks hat sich in den vergangenen Jahren zu einem vielversprechenden Ansatz in der Neurorehabilitation entwickelt. Klinische Studien zeigen, dass die transkutane Rückenmarkstimulation dazu beitragen kann, motorische Funktionen nach Querschnittlähmung teilweise wiederherzustellen. Erste darauf basierende Medizinprodukte sind bereits in Europa und den USA klinisch verfügbar.
Trotz dieser schnellen Entwicklung ist bislang nur unvollständig verstanden, über welche neurophysiologischen Mechanismen die Stimulation wirkt und wie unterschiedliche Stimulationsformen gezielt eingesetzt werden sollten. Eine am 12. Mai in Nature Biomedical Engineering erscheinende Studie adressiert diese Wissenslücke durch die Kombination elektrophysiologischer Untersuchungen am Menschen mit hochdetaillierten Computermodellen des menschlichen Körpers, sogenannten digitalen Zwillingen.
Im Fokus der Arbeit stehen Kilohertz-Frequenz-Wellenformen, die in der transkutanen Rückenmarkstimulation zunehmend eingesetzt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass diese schnellen Wechselströme die neuronale Erregbarkeit und die Rekrutierung spezifischer Nervenfasern deutlich beeinflussen. Insbesondere legen die Befunde nahe, dass Kilohertz-Frequenz-Wellenformen die Auslösung von Aktionspotenzialen erschweren, Antwortschwellen erhöhen und die Rekrutierung efferenter gegenüber afferenten Fasern begünstigen können.
Zugleich zeigt die Studie, dass sich die Rekrutierungsmechanismen zwischen lumbaler und zervikaler transkutaner Rückenmarkstimulation unterscheiden: Während lumbale Stimulation bevorzugt afferente Fasern aktiviert, begünstigt zervikale Stimulation eher die Rekrutierung efferenter Fasern. Da propriozeptive Afferenzen als wichtige Zielstruktur für motorische Erholung gelten, spricht die Arbeit dafür, den Einsatz von Kilohertz-Frequenz-Wellenformen insbesondere bei zervikaler Stimulation kritisch zu prüfen.
Die Studie entstand in Kollaboration mit der Washington University in St. Louis und der Medizinischen Universität Wien. Die Partnergruppen führten die elektrophysiologischen Untersuchungen durch; in Erlangen wurden die digitalen Zwillinge und Simulationen entwickelt und angewandt. Diese Modelle ermöglichen Einblicke in mehrskalige Prozesse, die experimentell im Menschen nicht direkt beobachtbar sind – vom makroskopischen Stromfluss durch den Körper bis hin zur mikroskopischen Modulation einzelner Ionenkanäle auf neuronalen Membranen.
Die Publikation liefert damit eine mechanistische Grundlage, um transkutane Rückenmarkstimulation künftig gezielter, sicherer und wirksamer einzusetzen. Zugleich unterstreicht sie den Wert digitaler Zwillinge als methodische Ergänzung zu Humanexperimenten in der Entwicklung und Bewertung neurotechnologischer Medizinprodukte.
Die Forschung wurde im Rahmen der BMFTR-geförderten Nachwuchsgruppe ProModell unterstützt.
Publikation: Nature Biomedical Engineering
Fundamental limitations of kilohertz-frequency carriers in afferent fiber recruitment with transcutaneous spinal cord stimulation
Rodolfo Keesey, Ursula Hofstoetter, Zhaoshun Hu, Lorenzo Lombardi, Rachel Hawthorn, Noah Bryson, Abdallah Alashqar, Andreas Rowald, Karen Minassian, Ismael Seáñez
DOI: 10.1038/s41551-026-01684-w