Elektrische Stimulation des menschlichen Hörnerven

Cochlea Implantate (CIs) sind mit über 500.000 implantierten Geräten die erfolgreichsten Neuroprothesen. Sie ermöglichen ertaubten Patienten wieder lautsprachlich zu kommunizieren, indem sie die im Innenohr überlebenden Hörnervenfasern mit elektrischen Impulsen erregen. Obwohl die meisten mit CIs versorgten Patienten wieder Sprache verstehen können, gibt es große individuelle Unterschiede in der Performanz. Zumindest ein Teil dieser Unterschiede ist vermutlich in der elektrischen Ankopplung des Hörnerven an die Implantatelektrode begründet. Diese Ankopplung ist nur unzureichend erforscht, vor allem weil die bekannten Tiermodelle fundamentale Unterschiede zeigen (z.B. gegensätzliche Empfindlichkeit für kathodische oder anodische Strompulse). Aus diesem Grund sind Computermodelle der menschlichen Cochlea unabdingbar, um die genauen Mechanismen der elektrischen Erregung des Hörnerven zu ergründen, bestehende Einschränkungen zu verstehen und Strategien zur weiteren Verbesserung der CI Systeme zu entwickeln. Das Ziel dieses Projektes ist daher, zum ersten Mal anhand von 25 mikro-Computer Tomografie Scans eine Sammlung präzise segmentierter Innenohren zu erstellen und den Verlauf der noch vorhandenen auditorischen Nervenfasern zu rekonstruieren. Da nicht nur die Anzahl sondern auch die genaue Verteilung der Hörnervenfasern entscheidend ist, werden wir auch den Verlust von inneren- und äußeren Haarsinneszellen, der afferenten Synapsen und des Zustandes der Hörnervenfasern mit einer korrelierenden transmissions-elektronenmikroskopischen Untersuchung dokumentieren. Diese Daten können dann mit den klinisch belegten Audiogrammen der Spender (soweit in ausgewählten Fällen vorhanden) ausgewertet werden. In einem nächsten Schritt werden wir aus den dreidimensionalen Strukturdaten für jedes Innenohr mit einer virtuell implantierten CI-Elektrode ein finite-Elemente- Modell erstellen, mit dessen Hilfe das elektrische Potential entlang der Hörnervenfasern berechnet werden kann. Mit diesen detaillierten Daten hoffen wir die spezifischen Details der Auslösung von Aktionspotentialen in den Nervenfasern zu verstehen sowie die Auswirkungen individueller Variationen der Cochlea Anatomie sowie typischer neuronaler Degenerationsmuster des Hörnerven zu quantifizieren. Für den Erfolg dieses Projektes ist die interdisziplinäre Zusammenarbeit der Gruppen mit unterschiedlichem Forschungsschwerpunkt (Innsbruck: Anatomie und Segmentierung / München: Mathematische Modellierung) entscheidend. Das Langzeit Ziel dieser Studie ist die Erstellung von patientenspezifischen Modellen, welche die spezifischen Unterschiede bei der elektrischen Erregung der Hörnervenfasern im Menschen und die Auswirkungen individueller anatomischer Variationen der Cochlea erfassen. Ein detailliertes Verständnis des variablen Erfolgs nach CI Implantation ermöglicht gezielte technische Verbesserungen der Elektroden und deren Implantation in schwierigen Fällen sowie Verbesserung der gesamten CI Technologie, die am Ende die Lebensqualität der CI Nutzer verbessert. Von den in diesem Projekt entwickelten Techniken und dem großen Erfahrungsschatz im Bereich CIs werden auch andere Neuroimplantate profitieren.

Cochlea Implantate (CIs) sind mit über 500.000 implantierten Geräten die erfolgreichsten Neuroprothesen. Sie ermöglichen ertaubten Patienten wieder lautsprachlich zu kommunizieren, indem sie die im Innenohr überlebenden Hörnervenfasern mit elektrischen Impulsen erregen. Obwohl die meisten mit CIs versorgten Patienten wieder Sprache verstehen können, gibt es große individuelle Unterschiede in der Leistungsfähigkeit. Zumindest ein Teil dieser Unterschiede ist in der elektrischen Ankopplung des Hörnerven an die Implantatelektrode begründet. Diese Ankopplung ist nur unzureichend erforscht, vor allem, weil die bekannten Tiermodelle fundamentale Unterschiede zeigen (z.B. gegensätzliche Empfindlichkeit für kathodische oder anodische Strompulse). Aus diesem Grund sind Computermodelle der menschlichen Cochlea unabdingbar, um die genauen Mechanismen der elektrischen Erregung des Hörnerven zu ergründen, bestehende Einschränkungen zu verstehen und Strategien zur weiteren Verbesserung der CI Systeme zu entwickeln. Anhand von 12 mikro-Computertomografie Scans wurde eine Sammlung präzise segmentierter Innenohrmodelle erstellt und den Verlauf der noch vorhandenen auditorischen Nervenfasern zu rekonstruieren. Histologische Daten von humanen Typ I Hörneuronen verschiedener Altersstufen wurden mit Degenerationserscheinungen des Hörnerv und Hörmessungen korreliert, und ein realistisches finite-Elemente Computer Simulationsmodell wurde erstellt und virtuelle implantierten CI-Elektrode eingefügt. Das elektrische Potential entlang der Hörnervenfasern und Vorhersage der Elektrostimulation kann dadurch berechnet werden. Ort und Zeit der Auslösung von Aktionspotentialen kann so berechnet werden. Für den Erfolg dieses Projektes war die interdisziplinäre Zusammenarbeit der Gruppen mit unterschiedlichen Forschungsschwerpunkten (Innsbruck: Anatomie und Segmentierung / München: Mathematische Modellierung) entscheidend. Unsere Daten ermöglichen individuelle Modelle der elektrischen Erregung der Hörnervenfasern zu erstellen, die es erlauben gezielten technische Verbesserungen der Next-Generation Cochlea zu entwickeln, die am Ende die Lebensqualität der CI Nutzer verbessert.