Digitaler Nervenkitzel

Stuttgarter Forscher simulieren, wie sich Muskeln bewegen – als Basis für die Entwicklung individuell angepasster Implantate. Dazu brauchen sie eine riesige Rechenpower

Mensch im Modell: Der Biomechaniker Prof. Dr. Oliver Röhrle forscht seit Jahren daran, biologische Strukturen und Funktionen des menschlichen Körpers in den Computer zu übertragen. Im Forschungsprojekt „DiHu – Towards a digital human“ nimmt der Wissenschaftler gemeinsam mit Kollegen verschiedener Institute der Universität Stuttgart das dynamische Zusammenspiel von Nerven und Muskeln ins Visier.

Irgendwie ist der menschliche Körper immer in Bewegung. Dafür sorgen rund 650 Muskeln zwischen Kopf und kleinem Zeh. Gesteuert werden sie  durch sogenannte Aktionspotenziale, die das Gehirn über Nervenbahnen an die Muskelfasern schickt. Dieses komplexe Zusammenspiel von elektrischen Reizen und mechanischen Reflexen fasziniert Prof. Dr. Oliver Röhrle seit Langem. Nun will der Biomechaniker und Leiter der Forschergruppe für Kontinuumsbiomechanik und Mechanobiologie am Exzellenzcluster SimTech der Universität Stuttgart die Funktion des neuromuskulären Systems im Computer nachahmen – mit einem neuen Forschungsprojekt der Baden-Württemberg Stiftung. Das Projekt ist im November 2016 gestartet. Daran beteiligen sich neben Röhrles Team auch Wissenschaftler anderer Stuttgarter Universitätsinstitute: Informatiker, Mathematiker und Experten für Datenvisualisierung.

„Unser Ziel ist es, hochaufgelöste Modelle der Skelettmuskulatur mit digitalen Abbildern der Nervensignale abzubilden, um Funktion und Bewegungsabläufe besser verstehen zu können“, erklärt Röhrle. Damit ließen sich Belastungen des Körpers untersuchen etwa für eine ergonomisch bestmögliche Gestaltung von Arbeitsplätzen. Crashtests im Computer mit virtuellen Dummys würden zu präziseren Ergebnissen führen und Implantate wie künstliche Hüftgelenke könnten passgenauer auf die Bedürfnisse eines jeden Patienten zugeschnitten werden.

Die Herausforderung, die sich den Wissenschaftlern beim Entwickeln eines digitalen Abbilds des menschlichen Nerven- und Muskelsystems stellt, ist gewaltig: Manche Muskeln, etwa im Oberschenkel, enthalten mehrere Hunderttausend einzelne Fasern. Und jede wird separat von Nervenimpulsen dirigiert. „Bislang konnten wir Reize und Kräfte nur für ein paar Tausend Fasern berechnen“, sagt Röhrle. In dem dreijährigen Forschungsprojekt will er mit seinen Kollegen nun möglichst dicht an die physische  Realität herankommen.

Dazu nutzen die Forscher die geballte Rechenkraft von riesenhaften Supercomputern, wie sie am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) auf dem Unicampus Vaihingen stehen. Um ihre digitalen Funktionsmodelle mit den echten Vorgängen im Körper abzugleichen, berechnen und messen sie sogenannte Elektromyogramme (EMG) – „das Pendant bei den Muskeln zum EKG beim Herz-Kreislauf-System“, erklärt Oliver Röhrle: „Aufzeichnungen der überlagerten elektrischen Signale der einzelnen Muskelfasern.“

In den letzten Jahren haben die Forscher in Stuttgart und anderswo bereits etliche Bausteine für die Motorik im Körper digital imitiert: etwa den Herzschlag, die Bewegung der Zunge und die Dehnung von Adern. Zusammen mit anderen physiologischen Prozessen, wie der Versorgung der Zellen mit Nährstoffen über das Blut, wollen sie daraus auf lange Sicht ein umfassendes Abbild des menschlichen Körpers im Computer erschaffen. Das, erklärt Oliver Röhrle, ließe sich dann in Zukunft zum Beispiel nutzen, um die Wirkung von Medikamenten eigens bei jedem Menschen zu testen – und die Arznei an seine individuellen Bedürfnisse anzupassen: ein virtueller Vorkoster für Tropfen und Tabletten.

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