Grégoire Courtine: The paralyzed rat that walked

Grégoire Courtine: Die gelähmte Ratte, die wieder laufen lernte

Übersetzung: Heike Elisabeth Jüngst Lektorat: Judith Matz

I am a neuroscientist

Ich bin Neurowissenschaftler

with a mixed background in physics and medicine.

und habe Physik und Medizin studiert.

My lab at the Swiss Federal Institute of Technology

Unsere Forschungsarbeit an der ETH in Lausanne

focuses on spinal cord injury,

konzentriert sich auf schwere Rückenmarksverletzungen.

which affects more than 50,000 people

Jedes Jahr trifft es

around the world every year,

mehr als 50 000 Menschen weltweit.

with dramatic consequences for affected individuals,

Dies hat dramatische Folgen für die Betroffenen,

whose life literally shatters

deren Leben zerstört wird,

in a matter of a handful of seconds.

innerhalb von Sekunden.

And for me, the Man of Steel,

Ich denke, der Mann aus Stahl,

Christopher Reeve,

Christopher Reeve,

has best raised the awareness

hat am meisten darauf aufmerksam gemacht,

on the distress of spinal cord injured people.

wie sehr Menschen mit Rückenmarksverletzungen leiden.

And this is how I started my own personal journey

Und so begann ich

in this field of research,

meine Auseinandersetzung mit diesem Thema

working with the Christopher and Dana Reeve Foundation.

und eine Zusammenarbeit mit der Christopher-und-Dana-Reeve-Stiftung.

I still remember this decisive moment.

Diesen entscheidenden Moment vergesse ich nie.

It was just at the end of a regular day of work

Es war am Ende eines ganz gewöhnlichen Tages

with the foundation.

in der Stiftung.

Chris addressed us, the scientists and experts,

Chris sprach uns an, die Wissenschaftler und Experten:

"You have to be more pragmatic.

"Ihr müsst pragmatischer denken!

When leaving your laboratory tomorrow,

Geht morgen nach der Arbeit

I want you to stop by the rehabilitation center

im Reha-Zentrum vorbei

to watch injured people

und schaut euch die Patienten an:

fighting to take a step,

Jeder Schritt fällt ihnen schwer,

struggling to maintain their trunk.

sie haben Mühe, sich aufrecht zu halten.

And when you go home,

Und überlegt auf dem Heimweg,

think of what you are going to change in your research

was ihr in Zukunft an eurer Forschung verbessern könnt.

on the following day to make their lives better."

Wie ihr das Leben dieser Patienten verbessern könnt."

These words, they stuck with me.

Diese Worte habe ich nie vergessen.

This was more than 10 years ago,

Das ist nun schon über 10 Jahre her,

but ever since, my laboratory has followed

aber seit diesem Tag verfolgt mein Team

the pragmatic approach to recovery

eine pragmatische Herangehensweise an den Genesungsprozess

after spinal cord injury.

nach einer Rückenmarksverletzung.

And my first step in this direction

Mein erster Schritt war die Entwicklung

was to develop a new model of spinal cord injury

eines naturgetreueren Modells zur Simulation

that would more closely mimic some of the key features of human injury

der Hauptsymptome beim Menschen

while offering well-controlled experimental conditions.

unter kontrollierten experimentellen Bedingungen.

And for this purpose, we placed two hemisections

Dazu machten wir einen senkrechten Einschnitt

on opposite sides of the body.

auf jeder Seite.

They completely interrupt the communication

So wird die Kommunikation

between the brain and the spinal cord,

zwischen Gehirn und Rückenmark unterbrochen;

thus leading to complete and permanent paralysis

dies führt zu einer vollständigen und dauerhaften

of the leg.

Lähmung des Beins.

But, as observed, after most injuries in humans,

Es wurde jedoch beobachtet, dass bei den meisten Menschen

there is this intervening gap of intact neural tissue

ein kleines Stück intaktes neuronales Gewebe übrig bleibt,

through which recovery can occur.

durch das eine Genesung möglich ist.

But how to make it happen?

Doch wie bekommt man das hin?

Well, the classical approach

Nun, die klassische Herangehensweise

consists of applying intervention

besteht aus einem Eingriff,

that would promote the growth of the severed fiber

der das Wieder-Zusammenwachsen

to the original target.

mit dem verletzten Strang unterstützt.

And while this certainly remained the key for a cure,

Und obwohl dies sicherlich ein Weg zur Heilung ist,

this seemed extraordinarily complicated to me.

fand ich das extrem kompliziert.

To reach clinical fruition rapidly,

Für schnelle Ergebnisse

it was obvious:

war es offensichtlich:

I had to think about the problem differently.

Ich musste die Sache ganz anders angehen.

It turned out that more than 100 years of research

100 Jahre Rückenmarkforschung,

on spinal cord physiology,

beginnend mit

starting with the Nobel Prize Sherrington,

dem Nobelpreisträger Sherrington,

had shown that

haben gezeigt,

the spinal cord, below most injuries,

dass das Rückenmark unterhalb der Verletzungsstelle

contained all the necessary and sufficient neural networks

genug Nervenverbindungen enthält,

to coordinate locomotion,

um eine Fortbewegung zu koordinieren.

but because input from the brain is interrupted,

Aber da es keinen Input vom Gehirn mehr gibt,

they are in a nonfunctional state, like kind of dormant.

befinden sie sich in einer Art Ruhezustand, als wären sie eingeschlafen.

My idea: We awaken this network.

Meine Idee: die Nerven wieder aufwecken!

And at the time, I was a post-doctoral fellow in Los Angeles,

Damals war ich Post-Doc in Los Angeles,

after completing my Ph.D. in France,

nachdem ich in Frankreich meinen Doktor gemacht hatte.

where independent thinking

Dort wird eigenständiges Denken

is not necessarily promoted.

nicht unbedingt gefördert.

(Laughter)

(Gelächter)

I was afraid to talk to my new boss,

Ich traute mich kaum, mit meinem neuen Chef zu sprechen

but decided to muster up my courage.

nahm aber all meinen Mut zusammen.

I knocked at the door of my wonderful advisor,

Ich ging zu meinem wunderbaren Betreuer,

Reggie Edgerton, to share my new idea.

Reggie Edgerton, und erzählte ihm von meiner Idee.

He listened to me carefully,

Er hörte mir aufmerksam zu

and responded with a grin.

und antwortete mit einem Grinsen:

"Why don't you try?"

"Warum versuchen Sie es nicht?"

And I promise to you,

Und ich kann Ihnen sagen,

this was such an important moment in my career,

dies war ein sehr entscheidender Moment in meiner Karriere,

when I realized that the great leader

als mir klar wurde, dass der große Mentor

believed in young people and new ideas.

an junge Menschen und neue Ideen glaubte.

And this was the idea:

Und das war meine Idee:

I'm going to use a simplistic metaphor

Ich werde Ihnen anhand einer einfachen Metapher

to explain to you this complicated concept.

das komplizierte Konzept erklären:

Imagine that the locomotor system is a car.

Stellen wir uns das Bewegungssystem als Auto vor:

The engine is the spinal cord.

Das Rückenmark ist der Motor.

The transmission is interrupted. The engine is turned off.

Die Übertragung ist unterbrochen, der Motor abgeschaltet.

How could we re-engage the engine?

Wie bringen wir den Motor wieder in Gang?

First, we have to provide the fuel;

Als erstes brauchen wir Treibstoff.

second, press the accelerator pedal;

Als zweites müssen wir das Gaspedal bedienen.

third, steer the car.

Und als drittes das Auto lenken.

It turned out that there are known neural pathways

Wie sich zeigte, gibt es Nervenbahnen,

coming from the brain that play this very function

die vom Gehirn ausgehen und bei der Bewegung

during locomotion.

genau diese Funktionen übernehmen.

My idea: Replace this missing input

Meine Idee: den fehlenden Input ersetzen

to provide the spinal cord

und an das Rückenmark

with the kind of intervention

genau das Signal senden,

that the brain would deliver naturally in order to walk.

das das Gehirn auch für eine Gehbewegung senden würde.

For this, I leveraged 20 years of past research in neuroscience,

So griff ich auf Forschungsergebnisse der letzten 20 Jahre in den Neurowissenschaften zurück.

first to replace the missing fuel

Zuerst musste der fehlende Treibstoff ersetzt werden:

with pharmacological agents

mit pharmakologischen Wirkstoffen,

that prepare the neurons in the spinal cord to fire,

die die Neuronen im Rückenmark auf die Erregungsübertragung vorbereiten.

and second, to mimic the accelerator pedal

Und dann musste das Gaspedal nachempfunden werden,

with electrical stimulation.

mittels elektrischer Stimulation.

So here imagine an electrode

Stellen Sie sich also eine Elektrode vor,

implanted on the back of the spinal cord

die auf das Rückenmark implantiert wird,

to deliver painless stimulation.

um schmerzfreie Stimuli auszusenden.

It took many years, but eventually we developed

Nach einigen Jahren ist es uns gelungen,

an electrochemical neuroprosthesis

eine elektrochemische Neuroprothese zu entwickeln,

that transformed the neural network

die das Nervensystem des Rückenmarks

in the spinal cord from dormant to a highly functional state.

von einem schlafenden in einen wachen Zustand versetzt.

Immediately, the paralyzed rat can stand.

Sofort kann die gelähmte Ratte stehen.

As soon as the treadmill belt starts moving,

Sobald sich das Laufband in Bewegung setzt,

the animal shows coordinated movement of the leg,

zeigt das Tier koordinierte Beinbewegungen,

but without the brain.

die aber nicht vom Gehirn gesteuert werden.

Here what I call "the spinal brain"

Dies nenne ich "das intelligente Rückenmark".

cognitively processes sensory information

Es verarbeitet kognitiv sensorische Reize,

arising from the moving leg

die vom bewegten Bein ausgehen,

and makes decisions as to how to activate the muscle

und entscheidet, wie ein Muskel aktiviert wird,

in order to stand, to walk, to run,

um zu stehen, zu gehen, zu laufen,

and even here, while sprinting,

und wie in diesem Fall aus vollem Lauf

instantly stand

zum Stehen zu kommen,

if the treadmill stops moving.

sobald das Laufband stoppt.

This was amazing.

Das war unglaublich.

I was completely fascinated by this locomotion

Ich war von dieser Bewegung vollkommen fasziniert,

without the brain,

die nicht vom Gehirn gesteuert wurde,

but at the same time so frustrated.

aber gleichzeitig war ich auch frustriert.

This locomotion was completely involuntary.

Die Bewegung war nicht bewusst gesteuert.

The animal had virtually no control over the legs.

Das Tier hatte keinerlei Kontrolle über seine Beine.

Clearly, the steering system was missing.

Es fehlte natürlich noch die Lenkung.

And it then became obvious from me

Es wurde mir klar,

that we had to move away

dass wir von der klassischen Reha

from the classical rehabilitation paradigm,

abrücken mussten,

stepping on a treadmill,

bei der man nur auf dem Laufband läuft

and develop conditions that would encourage

und stattdessen eine Umgebung schaffen mussten,

the brain to begin voluntary control over the leg.

in der das Gehirn dazu angeregt wird, das Bein bewusst zu kontrollieren.

With this in mind, we developed a completely new

Mit dieser Idee im Hinterkopf entwickelten wir ein komplett neues

robotic system to support the rat

Robotersystem, das die Ratte

in any direction of space.

von allen Seiten unterstützt.

Imagine, this is really cool.

Stellen Sie sich einmal vor, wie toll das ist!

So imagine the little 200-gram rat

Stellen Sie sich die kleine, 200 g schwere Ratte vor,

attached at the extremity of this 200-kilo robot,

die an diesen riesigen, 200 kg schweren Roboter angeschlossen ist,

but the rat does not feel the robot.

aber den Roboter nicht spürt.

The robot is transparent,

Der Roboter existiert für die Ratte nicht.

just like you would hold a young child

Genau so, wie man ein kleines Kind an der Hand hält,

during the first insecure steps.

während es seine ersten unsicheren Schritte macht.

Let me summarize: The rat received

Ich fasse zusammen: Bei der Ratte wurde

a paralyzing lesion of the spinal cord.

ein zur Lähmung führender Schnitt im Rückenmark vorgenommen.

The electrochemical neuroprosthesis enabled

Die elektrochemische Neuroprothese sorgte dafür,

a highly functional state of the spinal locomotor networks.

dass das Nervensystem die Bewegung umsetzen konnte.

The robot provided the safe environment

Mit Unterstützung des Roboters

to allow the rat to attempt anything

konnte die Ratte

to engage the paralyzed legs.

die gelähmten Beine bewegen.

And for motivation, we used what I think

Und als Motivation verwendeten wir

is the most powerful pharmacology of Switzerland:

die stärksten Pharmazeutika, die die Schweiz zu bieten hat:

fine Swiss chocolate.

feinste Schweizer Schokolade.

(Laughter)

(Gelächter)

Actually, the first results were very, very,

Tatsächlich waren die ersten Ergebnisse sehr, sehr,

very disappointing.

sehr enttäuschend.

Here is my best physical therapist

Und da stand nun meine beste Physiotherapeutin

completely failing to encourage the rat

und schaffte es beim besten Willen nicht, die Ratte dazu zu bringen,

to take a single step,

auch nur einen Schritt zu machen,

whereas the same rat, five minutes earlier,

während die gleiche Ratte fünf Minuten zuvor

walked beautifully on the treadmill.

problemlos auf dem Laufband gelaufen war.

We were so frustrated.

Wir waren so frustriert.

But you know, one of the most essential qualities

Aber wissen Sie, eine der wichtigsten Eigenschaften

of a scientist is perseverance.

eines Wissenschaftlers ist die Beharrlichkeit.

We insisted. We refined our paradigm,

Wir blieben dran. Wir verbesserten unsere Methode,

and after several months of training,

und nach einigen Monaten harten Trainings

the otherwise paralyzed rat could stand,

konnte die sonst gelähmte Ratte stehen.

and whenever she decided,

Wann immer sie wollte,

initiated full weight-bearing locomotion

konnte sie ihren ganzen Körper in Bewegung setzen,

to sprint towards the rewards.

um zur Belohnung zu sprinten.

This is the first recovery ever observed

Es war zum ersten Mal gelungen,

of voluntary leg movement

nach einer experimentellen Verletzung des Rückenmarks

after an experimental lesion of the spinal cord

mit vollständiger und dauerhafter Lähmung

leading to complete and permanent paralysis.

wieder willkürliche Beinbewegungen zu ermöglichen.

In fact --

Tatsächlich --

(Applause)

(Applaus)

Thank you.

Danke.

In fact, not only could the rat initiate

Tatsächlich konnte die Ratte nicht nur eine Bewegung

and sustain locomotion on the ground,

auf festem Grund auslösen und ausführen,

they could even adjust leg movement,

sondern sogar die Beinbewegungen anpassen.

for example, to resist gravity

Zum Beispiel, um die Schwerkraft zu überwinden

in order to climb a staircase.

und so eine Treppe zu erklimmen.

I can promise you this was

Ich sage Ihnen, das war

such an emotional moment in my laboratory.

ein sehr emotionaler Moment in meinem Labor.

It took us 10 years of hard work

Wir haben 10 Jahre hart daran gearbeitet,

to reach this goal.

dieses Ziel zu erreichen.

But the remaining question was, how?

Bleibt die Frage nach dem Wie?

I mean, how is it possible?

Ich meine, wie ist das möglich?

And here, what we found

Was wir herausgefunden haben,

was completely unexpected.

war vollkommen unvorhersehbar.

This novel training paradigm

Diese neuartige Methode

encouraged the brain to create new connections,

führte dazu, dass das Gehirn neue Verbindungen aufbaute,

some relay circuits

neue Schaltungen,

that relay information from the brain

die Informationen aus dem Gehirn

past the injury and restore cortical control

über die Verletzung hinweg transportieren und Kontrolle

over the locomotor networks below the injury.

über das Bewegungsnetz unterhalb der Verletzung gewinnen.

And here, you can see one such example,

Und hier sehen Sie ein Beispiel,

where we label the fibers coming from the brain in red.

bei dem die vom Gehirn kommenden Fasern in Rot dargestellt sind.

This blue neuron is connected with the locomotor center,

Die blaue Nervenzelle ist mit dem Bewegungszentrum verbunden.

and what this constellation

Und diese Konstellation

of synaptic contacts means

synaptischer Kontakte bedeutet,

is that the brain is reconnected with the locomotor center

dass das Gehirn wieder mit dem Bewegungszentrum verbunden ist

with only one relay neuron.

und das über nur eine verbindende Nervenzelle.

But the remodeling was not restricted

Dieses Phänomen beschränkte sich nicht nur

to the lesion area.

auf die verletzte Stelle.

It occurred throughout the central nervous system,

Sondern es spielte sich im gesamten zentralen Nervensystem ab,

including in the brain stem,

einschließlich des Stammhirns,

where we observed up to 300-percent increase

wo wir einen Anstieg von 300 Prozent

in the density of fibers coming from the brain.

in der Dichte der vom Gehirn aus kommenden Fasern feststellen konnten.

We did not aim to repair the spinal cord,

Wir wollten nicht das Rückenmark heilen,

yet we were able to promote

aber was wir erreichen konnten:

one of the more extensive remodeling

eine der umfassenderen Neubildungen

of axonal projections ever observed

von Projektionsfasern, die jemals beobachtet wurde,

in the central nervous system of adult mammal

und das im Zentralen Nervensystem

after an injury.

eines erwachsenen Säugetiers nach einer Verletzung.

And there is a very important message

Hinter dieser Entdeckung steckt

hidden behind this discovery.

eine wichtige Botschaft.

They are the result of a young team

Es sind die Ergebnisse eines jungen Teams

of very talented people:

von sehr talentierten Menschen:

physical therapists, neurobiologists, neurosurgeons,

Physiotherapeuten, Neurobiologen, Neurochirurgen,

engineers of all kinds,

verschiedene Ingenieure,

who have achieved together

die zusammen das erreicht haben,

what would have been impossible by single individuals.

was für einzelne Personen unmöglich gewesen wäre.

This is truly a trans-disciplinary team.

Ein wahrlich fachübergreifendes Team!

They are working so close to each other

Sie arbeiten so eng miteinander,

that there is horizontal transfer of DNA.

man könnte meinen, sie hätten bereits dieselbe DNA.

We are creating the next generation

Wir bilden die nächste Generation

of M.D.'s and engineers

von Ärzten und Ingenieuren aus,

capable of translating discoveries all the way

die den Transfer neuer Entdeckungen

from bench to bedside.

vom Labor auf den Patienten beherrschen.

And me?

Und ich?

I am only the maestro who orchestrated this beautiful symphony.

Ich bin nur der Dirigent, der diese wunderschöne Sinfonie dirigiert.

Now, I am sure you are all wondering, aren't you,

Nun bin ich mir sicher, dass Sie sich alle fragen,

will this help injured people?

ob das verletzten Menschen hilft?

Me too, every day.

Ich auch, jeden Tag.

The truth is that we don't know enough yet.

Und, ehrlich gesagt, wissen wir noch nicht genug.

This is certainly not a cure for spinal cord injury,

Es handelt sich nicht um eine Heilmethode für Lähmungen,

but I begin to believe that this may lead

aber ich beginne zu glauben, dass diese Methode

to an intervention to improve recovery

den Heilungsprozess unterstützt

and people's quality of life.

und das Leben der Betroffenen verbessert.

I would like you all

Ich möchte Sie nun bitten,

to take a moment and dream with me.

kurz mit mir zu träumen.

Imagine a person just suffered a spinal cord injury.

Stellen Sie sich jemanden vor, der gerade eine Rückenmarksverletzung erlitten hat.

After a few weeks of recovery,

Nach ein paar Wochen Genesung

we will implant a programmable pump

setzen wir eine programmierbare Pumpe ein,

to deliver a personalized pharmacological cocktail

um einen individuellen Medikamentencocktail

directly to the spinal cord.

direkt ins Rückenmark zu injizieren.

At the same time, we will implant an electrode array,

Gleichzeitig setzen wir Elektroden ein,

a sort of second skin

eine Art zweiter Haut,

covering the area of the spinal cord controlling leg movement,

über dem Bereich des Rückenmarks, der die Beinbewegung kontrolliert.

and this array is attached to an electrical pulse generator

Und diese Elektroden sind mit einem elektrischen Impulsgerät verbunden,

that delivers stimulations that are tailored

das Impulse liefert, die genau auf die Bedürfnisse des Patienten

to the person's needs.

abgestimmt sind.

This defines a personalized electrochemical neuroprosthesis

Eine individuell zugeschnittene elektrochemische Neuroprothese,

that will enable locomotion

die Bewegungsabläufe während des Trainings

during training with a newly designed supporting system.

mit einem neu entworfenen, unterstützenden System ermöglicht.

And my hope is that after several months of training,

Ich hoffe, dass sich nach mehreren Monaten Training

there may be enough remodeling of residual connection

genug neue Verbindungen gebildet haben,

to allow locomotion without the robot,

die Bewegungen ohne den Roboter ermöglichen,

maybe even without pharmacology or stimulation.

vielleicht sogar ohne Medikamente oder Impulse.

My hope here is to be able to create

Ich hoffe also,

the personalized condition

eine individuelle Behandlung zu entwickeln,

to boost the plasticity of the brain

bei der die Regenerierbarkeit des Gehirns

and the spinal cord.

und des Rückenmarks angeregt wird.

And this is a radically new concept

Dies ist ein vollkommen neues Konzept,

that may apply to other neurological disorders,

das auch auf andere neurologische Störungen Anwendung finden kann.

what I termed "personalized neuroprosthetics,"

Das, was ich "individuelle Neuroprothese" nenne,

where by sensing and stimulating neural interfaces,

die Nervenschnittstellen stimuliert,

I implanted throughout the nervous system,

habe ich im ganzen Nervensystem eingesetzt,

in the brain, in the spinal cord,

im Gehirn, im Rückenmark,

even in peripheral nerves,

sogar in den Nerven im restlichen Körper,

based on patient-specific impairments.

zugeschnitten auf die individuellen Verletzungen des Patienten.

But not to replace the lost function, no --

Nicht um die verlorene Funktion zu ersetzen, nein --

to help the brain help itself.

sondern um dem Gehirn zu helfen, sich selbst zu helfen.

And I hope this enticed your imagination,

Ich hoffe, das regt Ihre Fantasie an,

because I can promise to you

denn eins kann ich Ihnen versprechen:

this is not a matter of whether this revolution will occur,

Die Frage ist nicht, ob diese Revolution stattfinden wird,

but when.

sondern wann.

And remember, we are only as great

Und vergessen Sie nicht, wir sind nur so gut

as our imagination, as big as our dream.

wie unsere Fantasie und so groß wie unsere Träume.

Thank you.

Danke!

(Applause)

(Applaus)