Gapless Mensch:Maschine Interface für das Innenohr

Mehr als 5% der Weltbevölkerung, 360 Millionen Menschen, leiden unter Hörverlust. In schweren Formen kann die Hörfunktion durch ein Cochlea Implantat (CI), eine Neuroprothese, wieder hergestellt werden. Das CI reizt die Hörnervenfasern durch direkte elektrische Stimulation und ersetzt funktionell verloren gegangene Sinneszellen. Trotz des großen Erfolgs dieser Geräte bleiben einige Einschränkungen, wie eine geringe Tonhöhenauflösung und dem hohem Energieverbrauch. Diese Einschränkungen sind hauptsächlich auf die räumliche Distanz zwischen der implantierten Elektrode in der Cochlea und den auditorischen Neuronen zurückzuführen. In einem kürzlich abgeschlossenen Projekt (EU FP7, www.nanoci.org), konnte ein proof of concept für die Überwindung der räumliche Distanz durch ein induziertes gezieltes Wachstum von Hörnervenfasern in Richtung der Elektrodenanordnung in vivo erbracht werden. Zusätzliche in vitro Experimente zeigten eine potentielle Reduzierung des Reizstroms um einen Faktor fünf, da der Abstand zwischen den Neuronen von der Elektrode reduziert wurde. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts wollen wir die Schnittstelle Elektrode:Nerv durch eine Nervenwachstumsfaktor Zugabe in Kombination mit chronischer elektrischer Stimulation optimieren. Die Charakterisierung von neu gesprossten auditorischen Neuronen soll in vitro und in vivo durch morphologische, molekulare und elektrophysiologische Analysen erfolgen. Aus nativen Stammzellen und von Spendern gewonnene humane Cochlea-Neuronen sollen in vitro für die Validierung verwendet werden. Das Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, das Potential der Schnittstelle Elektrode:Nerv zwischen Cochlea Implantat und den auditorischen Neuronen durch chronische elektrische Stimulation in vivo voll auszuschöpfen. Wenn dies gelingt, kann das vorgeschlagene Projekt zu energieeffizienten CI Systemen mit höheren auditorischen Auflösung und einer verbesserte Klangqualität führen.

Gapless Mensch:Maschine Interface für das Innenohr In schweren Formen von Hörverlust oder Gehörlosigkeit kann die Hörfunktion durch ein Cochlea Implantat wieder hergestellt werden. Diese Neuroprothese reizt die Hörnervenfasern durch direkte elektrische Stimulation und ersetzt funktionell verloren gegangene Sinneszellen. Ein Audio-Prozessor mit Mikrophon wandelt Schall in elektrische Signale für das Implantat um. Trotz des großen Erfolgs dieser Geräte bleiben einige Einschränkungen, wie eine geringe Tonhöhenauflösung und dem hohem Energieverbrauch. Diese Einschränkungen sind hauptsächlich auf die räumliche Distanz zwischen der implantierten Elektrode in der Cochlea und den auditorischen Neuronen zurückzuführen. Ein multinationales Projekt zwischen den Universitäten Genf, Tübingen und Innsbruck setzte sich zum Ziel, die Lücke zu schließen und zwar durch ein induziertes gezieltes Wachstum von Hörnervenfasern in Richtung der Elektroden. Es konnte auch von unseren Forschergruppen früher gezeigt werden, dass Nervenwachstumsfaktoren diese Aufgabe erfüllen. Diese kleinen Proteine docken an Nervenzellen and und regen die Bildung und Verlängerung von Nervenzellen an. Im Projekt nutzten wir neue selbst entwickelte Zellkulturen vom Hörnerv und Neuronen Explantate, um optimale Konzentration und Mischung verschiedener Nervenwachstumsfaktoren zu ermitteln. Verschiedene Arten von elektrischer Stimulation wurden während der Auswuchsphase unter Kulturbedingungen angeboten, um festzustellen ob elektrische Stimulation hier einen positiven Einfluss ausübt. In einem abschließenden Schritt wurden taube Meerschweinchen mit einer Tierelektrode implantiert und der optimale Nervenwachstumscocktail als Gel appliziert, um unsere in-vitro Ergebnisse zu validieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die gewählten Nervenwachstumsfaktoren den Faserauswuchs deutlich erhöhen und im Tierexperiment voll ausgereifte Nervenfasern bilden. Ein Gerüst aus Bindegewebszellen und Fasern ist aber unbedingt notwendig und fungiert als "Straße" für wachsende Nervenfasern. Die optimalen Konzentrationen und Mischungen an Nervenwachstumsfaktoren konnte wir finden. Glücklicherweise sind die wirksamen Konzentrationsbereiche über einen so großen Bereich gestreut, dass der generell ungleichmäßigen Verteilung von Pharmazeutika im Innenohr sehr zugute kommt. Elektrische Stimulation während der Auswuchsphase wirkt meist hemmend und sollte daher unterbleiben. Die Erhaltung eines lockeren Zell-Faser-Gerüstes um die Elektrode über lange Zeiträume, ohne Verdichtung oder Umwandlung in Knochen ist eine Aufgabe, die noch weitere Forschungsarbeit benötigt. Dem Projekt ist es gelungen, dem Ziel der Optimierung der Schnittstelle Elektrode:Nerv zwischen Cochlea Implantat und den auditorischen Neuronen ein gutes Stück näher zu kommen und konnte wichtige Optimierungsarbeit leisten. Die Möglichkeit, hunderte unabhängige Stimulationskanäle von Cochlea Implantaten zu nutzen, kann die Qualität des "elektrischen" Hörens um ein Vielfaches steigern.