Menschliches Cochleanervenmodell

Projektziel ist die Erfassung neuer detaillierter anatomischer und morphometrischer Daten des afferenten Teils des menschlichen Cochlearnervs (Spiralganglion), um mit einem daraus entwickelten Computermodel das Übertragungsverhalten (input-output) des akustisch wie auch des elektrisch stimulierten Ohres zu analysieren. Zusätzlich werden die Bahnen der Spiralganglienzellen untersucht. Die erzielten Ergebnisse sind von besonderem Interesse für die Cochlearimplantatsforschung, etwa zur besseren Spracherkennung bei Störgeräuschen. Die neuronalen Elemente für die Signalübertragung von der Cochlea zum Gehirn unterscheiden sich wesentlich zwischen Menschen und Säugetierspezies. Dies führt zu noch unbewiesenen Hypothesen über funktionelle Konsequenzen. Die Signalverarbeitung für Cochlearimplantate basiert gegenwärtig hauptsächlich auf Messungen von Aktionspotenzialen im Katzenohr, sodass wegen fehlendem Wissen über die neuronalen Elemente der menschlichen Cochlarnerven sogar die neuesten Strategien der Signalverarbeitung für Cochlearimplantatträger de facto für die Katze anstatt für den Menschen entwickelt wurden. Die Einzigartigkeit der menschlichen Spiralganglienzellen besteht in der Somaregion, typischer Weise mit wenig Isolierung durch Myelinschichten und durch Clusterbildung mehrerer Zellkörper. Um das Wissen über die relevante Ultrastruktur wesentlich zu erweitern, sollen die menschlichen Eigenheiten mit Hilfe von vorhandenem Equipment und Material (Menschen und Primaten) spezifiziert werden. Der Vergleich mit Primaten soll auch Aufschluss über die Entwicklung der speziellen humanen Morphologie geben. Als Alternative zu Ableitungen aus einzelnen Nervenfasern, die für den Menschen nicht verfügbar sind, wird ein allgemeines biophysikalisches Model der Cochlearneuronen inklusive Clustereigenschaften entwickelt, um die funktionellen Konsequenzen der menschlichen Sonderstellung zu erforschen. Damit wird der Einfluss relevanter elektrischer und geometrischer Parameter analysiert. Mit diesem neuen Model soll untersucht werden wie die drei (i-iii) Hauptprinzipien der Codierung im Hörnerv des Menschen mit der spezifischen menschlichen Anatomie und Morphometrie zusammenhängen und welche Konsequenzen für Cochlear-implantatträger zu erwarten sind bzgl. (i) tonotopischer Organisation: Verschiebung der Frequenzzuordnung von distalen Faserenden, die dem Cortischen Organ entspringen (fast 2 Windungen) zur Somaregion im Rosenthalkanal (1 Windungen) (ii) temporaler Feinstruktur des neuronalen Codes: a) für kurze Interspikeintervalle in den distalen Axonen gibt es einen möglichen Verlust von Signalen in der Somaregion und b) im Fall von elektrischer Stimulation: eine konfuse bimodale Verteilung von Verzögerungszeiten als Konsequenz von verschiedenen Regionen der Spikeentstehung (iii) Spontanaktivität: das ist ein Verstärkungsmechanismus für akustische Signale an der Hörschwelle woraus eine Mischung von Spikes mit und ohne temporaler Information über das akustische Eingangssignal resultiert; Cluster mit einigen eingeschlossenen Zellkörpern könnten als Filterelemente dienen und damit die erste Stufe der neuronalen Informationsübertragung bedeuten.

Projektziel war die Erfassung neuer detaillierter anatomischer und morphometrischer Daten des afferenten Teils des menschlichen Hörnervs (Spiralganglion), um mit einem daraus entwickelten Computermodel das Übertragungsverhalten (input-output) des akustisch wie auch des elektrisch stimulierten Ohres zu analysieren. Zusätzlich wurden die Bahnen der Spiralganglienzellen untersucht. Die erzielten Ergebnisse sind von besonderem Interesse für die Cochleaimplantatforschung, etwa zur besseren Spracherkennung bei Störgeräuschen.Die neuronalen Elemente für die Signalübertragung von der Cochlea zum Gehirn unterscheiden sich wesentlich zwischen Menschen und Säugetierspezies was zu überraschenden funktionellen Konsequenzen führt. Die Signalverarbeitung für Cochleaimplantate basiert gegenwärtig hauptsächlich auf Messungen von Aktionspotenzialen im Katzenohr, sodass wegen fehlendem Wissen über die neuronalen Elemente der menschlichen Hörnervs sogar die neuesten Strategien der Signalverarbeitung für Cochleaimplantatträger de facto für die Katze anstatt für den Menschen entwickelt wurden.Die Einzigartigkeit der menschlichen Spiralganglienzellen besteht in der Zellkörperregion, typischer Weise mit wenig Isolierung durch Myelinschichten und durch Clusterbildung mehrerer Zellkörper. Es wurde gezeigt, dass die Zellkörper kleiner sind als ursprünglich angenommen, dass beim Menschen die Nervenfasern vor dem Zellkörper genau halb so dick sind wie im zentralen Bereich und dass die Clusterbildung sehr häufig vorkommt. Alle drei Beobachtungen sind konträr zu den Verhältnissen bei Katzen. Ferner wurde ein spiralförmiger Verlauf der Nervenfasern im Tieftonbereich festgestellt, der für weit in die Cochlea eindringende Implantate die Verletzung der Frequenzzuordnung bedeutet, weil jede dieser Fasern zu mehreren frequenzspezifischen Elektroden kurze Abstände hat. Bei der Analyse der Signalübertragung des Hörnervens von den Rezeptorzellen (innere Haarzellen) zum Stammhirn wurde folgendes für den Humanfall festgestellt. Das synaptische Anregungssignal ist ca. 15mal stärker als notwendig. Diese scheinbare Energieverschwendung bringt eine Beschleunigung der Signalübertragung und damit der Wahrnehmung von einer halben Millisekunde. Die durchmesserabhängige Weiterleitungsgeschwindigkeit in den Fasern deckt sich mit denen peripherer Nerven, liefert aber einen Wert der zu einer neuen Interpretation der so genannten auditory brainstem response (ABR) führt. ABR ist eine Messtechnik, die zur Interpretation von Fehlern in der Signalweiterleitung klinisch eingesetzt wird. Hier gibt es in der Fachliteratur widersprüchliche Interpretationen darüber welche neuronalen Elemente die Generatoren der 7 gemessenen Wellen sind. Wir fanden, dass der erste Maximalwert im ABR Signal dann entsteht wenn das Nervensignal den Zellkörper passiert.Die geometrische Form der Strukturen in der Cochlea wurde durch Mikro-CT datenmäßig erfasst und mit einem Finite Elemente Programm ausgewertet, um damit ein Analysewerkzeug für die elektrische Anregung mit Cochlea Implantaten zur Verfügung zu stellen.