Prof. Dr. Meike Wilke

Department Biotechnologie
Professorin für Mathematik und Informatik

Ulmenliet 20
21033 Hamburg

Raum N5.21

T +49 40 428 75-6126
meikeannika.wilke@haw-hamburg.de

Sprechstunden:
nach Absprache

Tätigkeiten

Lehrgebiete/Lehrfächer

  • Mathematik
  • Informatik
  • Neuroprothetik

Schwerpunktthemen/Kernkompetenzen

Forschungsprojekte/-gebiete

  • Neuroprothetik: Sensorisches Feedback und Steuerungssysteme für Prothese der oberen Extremität
  • Phantomschmerz und das taktile System: Erforschung der Fingerrepräsentation im Gehirn mit funktioneller MRT

Prothetik

 

1) Prothesensteuerung

Menschen, die eine Hand verlieren, können eine Prothese tragen, die über einen sogenannten Schaft an ihrem Armstumpf befestigt wird. Sie können lernen, die Prothese mit Hilfe von Muskelanspannung der verbliebenen Muskulatur, also eines sogenannten EMG-Signals, zu steuern. Bisherige Hand- und Armprothesen werden klinisch fast immer nur über zwei EMG‑Elektroden gesteuert und können deshalb nur einen Freiheitsgrad der Prothese optimal kontrollieren, sodass sie die Prothese meist nur öffnen und schließen können. Soll die Prothese auch noch eine Rotationsbewegung durchführen können, muss mit unterschiedlichen „Tricks“ wie etwa einer Kokontraktion zwischen den Freiheitsgraden gewechselt werden. Modernere Ansätze des maschinellen Lernens, die auf mehr Elektroden basieren, versprechen einen deutlichen Zuwachs an Funktionalität sowie weniger kognitiven Einsatz des Prothesenträgers. Hier trage ich u.a. zur Testung eines auf Regression basierenden Ansatzes bei, der sowohl klinisch als auch im häuslichen Umfeld untersucht wird.

2) Sensorisches Feedback von Prothesen

Da die Prothese, nicht aber die eigene Hand, zu greifende Gegenstände berührt, empfinden Prothesenträger beim Greifen per se keine somatosensorische Rückkopplung an das Gehirn. Mein Traum wäre es, den Menschen mit Amputationen wieder ein richtiges Gefühl für ihre neue, künstliche Hand zu gegen und damit eine bessere Performanz sowie ein stärkeres Embodiment und weniger Phantomschmerz zu ermöglichen.

Viele Forscher und vor allem Anwender vermuten, dass die Wiedereinführung eines solchen Feedbacks zu einer besseren funktionellen Performanz führen muss, selbst wenn es sich nur um ein einfaches Griffkraftfeedback handelt. Dieser Einstellung stehe ich kritisch gegenüber und untersuche u.a. systematisch, wie gut einerseits ein Nutzer seine Griffkraft auch ohne künstliches Feedback einschätzen und kontrollieren kann und wie viel andererseits einfaches künstliches Feedback noch zur weiteren Verbesserung beitragen kann. Dabei müssen als Faktoren u.a. der Mensch als intelligenter Steuerer, aber auch das von der Prothese ohnehin ausgehende Feedback wie etwa das Motorgeräusch berücksichtigt werden. Beide genannten Faktoren werden in der aktuellen Forschung größtenteils vernachlässigt.

Außerdem versuche ich gemeinsam mit meinen Kooperationspartnern verschiedene etwas komplexere Feedbackmethoden zu entwickeln, die tatsächlich den Patienten nutzen und einfach von diesen zu verstehen sind.

 

Phantom- und Deafferenzierungsschmerz

Menschen mit Amputationen (denen also Arm oder Hand fehlen) oder traumatischen Deafferenzierungen (denen also zwar kein Körperteil fehlt, deren Arm aber schlaff und gefühllos ist) leiden sehr häufig unter chronischen Phantom- oder Deafferenzierungsschmerzen, welche medikamentös schwer zu behandelt sind und zu einer lebenslangen psychischen und physischen Beeinträchtigung des Menschen führen können. Man vermutet, dass die Schmerzen u.a. durch das fehlende Feedback in die entsprechenden Hirnareale sowie durch eine daraus resultierende maladaptive Plastizität im Gehirn entstehen, weil Patienten zwar nach wie vor eine präzise motorische Vorstellung ihrer Hand besitzen (Phantomhand), aber kein sensorisches Feedback bekommen, wenn sie die Phantomhand bewegen. Meine Kooperationspartner und ich verfolgen den Ansatz, über virtuelle Realität sowohl visuell als auch taktil und akustisch Feedback an den Patienten zurückzugeben. Dadurch erhoffen wir, dass der Regelkreis zwischen durch Phantombewegungen erwartetem und empfundenem Feedback wieder geschlossen wird, was idealerweise zu einer deutlichen Schmerzreduzierung sowie einer Verringerung der Maladaptiven Plastizität führen sollte, welche mit Techniken wie funktioneller Resonanztomographie von uns untersucht wird.

 

MRT

In den Rahmen der Magnetresonanztomographie fällt die funktionelle MRT, mit der man mit Hilfe des auf Blutflussänderung basierenden BOLD-Kontrastes untersuchen kann, welche Hirnareale bei bestimmten Aufgaben aktiv sein.

Ich untersuche hier vor allem somatosensorische und motorische Fragestellungen bei gesunden Menschen sowie bei Patientinnnen und Patienten (s. Phantom- und Deafferenzierungsschmerz). In meinen früheren Studien habe ich vor allem den genauen Aufbau der kortikalen Karten der Finger und einzelnen Fingerglieder im primären somatosensorischen Kortex sowie den Einfluss von taktiler Aufmerksamkeit untersucht. Heute interessieren mich vor allem Veränderungen des Kortex im Zuge von Amputationen und Verletzungen sowie von modernen Rehabilitationsansätzen.

KURZBIOGRAPHIE

Since 09/2017        Professor at HAW Hamburg

07/2014 – 07/2017  Postdoc and science manager at Institute for Neurorehabilitation Systems, Universitätsmedizin Göttingen (UMG)

06/2013 – 04/2014  Postdoc jointly at Biomedizinische NMR Forschungs GmbH (BiomedNMR), Max Planck Institute for Biophysical Chemistry (MPIbpc) , Göttingen and Cognitive Neuroscience Laboratory, German Primate Center (DPZ), Göttingen

10/2009 – 06/2013  Research assistant jointly at BiomedNMR and DPZ, Göttingen

Neurosciences

10/2009 – 06/2013  Graduate student within the Göttingen Graduate School for Neurosciences, Biophysics, and Molecular Biosciences (GGNB), jointly at BiomedNMR, MPIbpc (Prof. Dr. Jens Frahm) and Cognitive Neuroscience Laboratory, German Primate Center (DPZ) (Prof. Dr. Stefan Treue)

The somatosensory system: Exploration of digit-area somatotopy and feature-based attention (Prof. Dr. Jens Frahm, Prof. Dr. Stefan Treue, Prof. Dr. Christiane Thiel)

09/2008 – 08/2009  Neuroscience master’s education within International Max Planck Research School for Neurosciences at Georg-August-Universität Göttingen

Mathematics and Physics

09/2007 – 06/2008  Mathematics master’s education at University of Cambridge, UK, to obtain Master of Advanced Studies (former Certificate of Advanced Studies of Mathematics)

10/2004 – 08/2007  Studies of mathematics and minor subjects theoretical physics and chemistry at Georg-August-Universität Göttingen

Forschungsprojekte

Publikationen

Erstautorenschaften in fett

Markovic, M., Varel, M., Schweisfurth, M.A., Schilling, A.F., Dosen, S., 2020. Closed-Loop Multi-Amplitude Control for Robust and Dexterous Performance of Myoelectric Prosthesis. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 28, 498–507. doi.org/10.1109/TNSRE.2019.2959714

Wilke, M., Hartmann, C., Schimpf, F., Farina, D., Dosen, S., 2019. The interaction between feedback type and learning in routine grasping with myoelectric prostheses. IEEE Trans. Haptics

Wilke, M.A., Niethammer, C., Meyer, B., Farina, D., Dosen, S., 2019. Psychometric characterization of incidental feedback sources during grasping with a hand prosthesis. J. Neuroeng. Rehabil. 16, 1–13.

Schweisfurth M.A., Frahm, J., Farina, D. and Schweizer, R. (2018), Comparison of fMRI digit representations of the dominant and non-dominant hand in the human primary somatosensory cortex, Frontiers in Human Neuroscience

De Nunzio A. M., Schweisfurth, A. M. , Ge, N. , Falla, D., Hahne, J., Petzke, F. , Siebertz, M., Dechent, P., Weiss, T. , Flor, H., , Graimann, B., Aszmann, O.C., Farina, D. (2018), Relieving Phantom Limb Pain with Congruent Multimodal Sensory-Motor Training, Journal of neural engineering, vol. 15, no. 6.

Markovic M., Schweisfurth M. A., Engels L. F., Farina D., and Dosen S. (2018), Myocontrol is closed-loop control: Incidental feedback is sufficient for scaling the prosthesis force in routine grasping, J. Neuroeng. Rehabil., vol. 15, no. 81.

Hahne J. M., Schweisfurth M. A., Koppe M., and Farina D. (2018), Simultaneous control of multiple functions of bionic hand prostheses: Performance and robustness in end users, Sci. Robot., vol. 3, no. 19.

Markovic M., Schweisfurth M. A., Engels L. F., Bentz T., Wüstefeld D., Farina D., and Dosen S.: (2018), The clinical relevance of advanced artificial feedback in the control of a multi-functional myoelectric prosthesis, J. Neuroeng. Rehabil., vol. 15, no. 1, p. 28.

Meike A. Schweisfurth, Marko Markovic, Tashina Bentz, Daniela Wüstefeld, Dario Farina, Strahinja Dosen:

Sensorisches Feedback in der Handprothetik

Orthopädietechnik (2017)

Schweisfurth, M. A., Bentz, T., Došen, S., Ernst, J., Markovi?, M., Felmerer, G., ... & Farina, D. (2017). TMR Improves Performance of Compensatory Tracking Using Myoelectric Control. In Converging Clinical and Engineering Research on Neurorehabilitation II (pp. 661-666). Springer International Publishing.

Alessandro M. De Nunzio, Strahinja Dosen, Sabrina Lemling, Marko Markovic, Meike A. Schweisfurth, Nan Ge, ..., Dario Farina: Tactile feedback is an effective instrument for the training of grasping with a prosthesis at low-and medium-force levels. Experimental Brain Research (2017), 1-13

Meike A. Schweisfurth, Marko Markovic, Strahinja Dosen, Florian Teich, Bernhard Graimann, Dario Farina:Electrotactile EMG feedback improves the control of prosthesis grasping force, Journal of Neural Engineering (2016), 13(5).

Janne Hahne, Meike A. Schweisfurth, Klaus-Robert Müller, Dario Farina: Eine Simultansteuerung für myoelektrische Handprothesen. Orthopädietechnik (2016), 3, pp. 1-6

Meike A. Schweisfurth, Jens Frahm, Renate Schweizer: Individual left-hand and right-hand intra-digit representations in human primary somatosensory cortex. European Journal of Neuroscience (2015), 42(5),  pp. 2155-2163

Meike A. Schweisfurth, Renate Schweizer, Stefan Treue: Feature-based attentional modulation of orientation perception in somatosensation. Frontiers in Human Neuroscience (2014), 8(519), pp.1-8   

Meike A. Schweisfurth, Jens Frahm, Renate Schweizer: Individual fMRI maps of all phalanges and digit bases of all fingers in human primary somatosensory cortex Frontiers in Human Neuroscience (2014), 8 (658), pp. 1-14

Meike A. Schweisfurth: The somatosensory system: Exploration of digit-area somatotopy and feature-based attention. Dissertation (2013), published online at hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0022-60A2-8

Meike A. Schweisfurth, Renate Schweizer, Jens Frahm: Functional MRI indicates consistent intra-digit topographic maps in the little but not the index finger within the human primary somatosensory cortex. NeuroImage (2011), 56 (4), pp. 2138-2143

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