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Bessere Implantate für die Cochlea

Digitalisierung
Computer-Modell für bessere Cochlea-Implantate

Cochlea Implantat TU München Computermodell
Mit hochaufgelöster CT erstelltes 3-D-Abbild des Innenohrs samt Cochlea-Implantatelektrode - violett sind die Fasern des Hörnervs (Bild: Siwei Bai / TUM)
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Um Implantate für die Cochlea zu optimieren, entwickeln Forschende ein Computermodell, mit dem sich die vom Implantat erzeugten neuronalen Erregungsmuster im Hörnerv vorhersagen lassen. Als Grundlage diente eine hochaufgelöste Darstellung des menschlichen Innenohres.

Dank eines Cochlea-Implantats können eigentlich gehörlose Menschen wieder hören. Die Geräte nehmen über ein externes Mikrofon die Schallinformation aus der Luft auf und leiten sie zu im Innenohr implantierten Elektroden. Mit Stromimpulsen reizen sie dort unmittelbar die Hörnerven und lösen so bei dem Patienten einen Höreindruck aus.

Inhaltsverzeichnis

1. Bisher Anzahl der Elektroden beschränkt
2. Hochauflösende Bilder der Cochlea
3. Implantate optimieren

Durch die spezielle Konstruktion des Innenohres sind die Hörsinneszellen an verschiedenen Stellen der Hörschnecke für verschiedene Frequenzen (Töne) empfindlich. Auch die Elektroden eines Cochlea-Implantats sind an verschiedenen Stellen entlang der Hörschnecke positioniert. Trifft Schall einer bestimmten Frequenz auf das Mikrofon des Implantats, sendet eine spezifische Elektrode elektrische Signale aus.

Bisher Anzahl der Elektroden beschränkt

Eine Elektrode erregt aber nicht nur die Nervenfasern in ihrer unmittelbaren Nähe, sondern wegen der breiten Stromausbreitung im mit Salzwasser gefüllten Innenohr auch Nervenfasern in weiter entfernten Bereichen der Hörschnecke. Signale von Elektroden, die sich zu nah nebeneinander befinden, können daher nicht unterschieden werden. Dieser Effekt beschränkt die Anzahl der Elektroden beim Bau der Implantate.

Um zu verstehen, wie die Elektrodenkontakte am günstigsten platziert werden können, entwickelten Werner Hemmert, Professor für Bioanaloge Informationsverarbeitung an der Technischen Universität München (TUM), und sein Team ein Computer-Modell, mit dem sich die Ausbreitung der elektrischen Signale im Innenohr präzise berechnen lässt.

Hochauflösende Bilder der Cochlea

Als Grundlage haben sie mit Hilfe eines Computertomografen zunächst eine hochaufgelöste dreidimensionale Abbildung des Knochens erzeugt, der die Hörschnecke beinhaltet – selbst die feinen Poren sind darin sichtbar, durch die die Faserbündel des Hörnervs verlaufen. Mithilfe eines speziellen Algorithmus konnte anhand der 3D-Mikrostruktur dieser Poren der Verlauf einzelner Nervenfasern rekonstruiert werden – von der Hörschnecke durch den Knochen bis in den Hirnstamm.

„Wir waren überrascht, wie ungleichmäßig die Nervenfasern auf die elektrischen Signale des Implantats reagieren,“ erläutert Hemmert. „Manche sind sehr empfindlich und werden von fast allen Elektroden leicht erregt. Andere sind unempfindlicher und werden hauptsächlich von den ihnen am nächsten liegenden Elektroden stimuliert.“ Das liege an feinen anatomischen Unterschieden und dem genauen Verlauf der Hörnervenfasern. Diese neuen Erkenntnisse zeigen, wie wichtig es ist, von einer präzisen Darstellung des doch unregelmäßigen Knochens und Hörnervs auszugehen.

Implantate optimieren

In einem nächsten Schritt wollen die Forschenden in ihrem Modell auch die genaue Struktur der einzelnen Nervenfasern berücksichtigen. Dann werden sie zusätzlich bestimmen können, unter welchen Voraussetzungen und wo genau die elektrischen Pulse entlang des Nervs ausgelöst werden und wie sich diese zum Gehirn ausbreiten. „All diese Ergebnisse werden dann in die Entwicklung von neuen Implantaten einfließen, welche die Qualität der Stimulation, damit das Sprachverstehen und letztlich die Lebensqualität der Betroffenen verbessern wird“, betont Hemmert.

Kontakt:
Technische Universität München
Arcisstr. 21
80333 München
Tel.: +49 (0)89-289-01
Website: www.tum.de

https://dx.doi.org/10.3389/fnins.2019.01312

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