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27. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Audiologie
und Arbeitstagung der Arbeitsgemeinschaft Deutschsprachiger Audiologen, Neurootologen und Otologen

Deutsche Gesellschaft für Audiologie e. V. und ADANO

19. - 21.03.2025, Göttingen

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Ultrahochauflösende Modelle neuronaler Aktivität im menschlichen Innenohr

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  • presenting/speaker Werner Hemmert - Technische Universität München, Munich Institute of Biomedical Engineering, München, Deutschland
  • Albert Croner - Technische Universität München, Munich Institute of Biomedical Engineering, München, Deutschland
  • Alissa Breit - Technische Universität München, Munich Institute of Biomedical Engineering, München, Deutschland
  • Johannes Melcher - Technische Universität München, Munich Institute of Biomedical Engineering, München, Deutschland
  • Mahdi Fallahtaherpazir - Medizinische Universität Innsbruck, Department of Otolaryngology, Innsbruck, Österreich
  • Martin Dierolf - Technische Universität München, Munich Institute of Biomedical Engineering, München, Deutschland
  • Klaus Achterhold - Technische Universität München, Munich Institute of Biomedical Engineering, München, Deutschland
  • Julia Herzen - Technische Universität München, Munich Institute of Biomedical Engineering, München, Deutschland
  • Franz Pfeiffer - Technische Universität München, Munich Institute of Biomedical Engineering, München, Deutschland
  • Rudolf Glueckert - Medizinische Universität Innsbruck, Department of Otolaryngology, Innsbruck, Österreich
  • Anneliese Schrott-Fischer - Medizinische Universität Innsbruck, Department of Otolaryngology, Innsbruck, Österreich
  • Siwei Bai - Technische Universität München, Munich Institute of Biomedical Engineering, München, Deutschland

Deutsche Gesellschaft für Audiologie e. V. und ADANO. 27. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Audiologie und Arbeitstagung der Arbeitsgemeinschaft Deutschsprachiger Audiologen, Neurootologen und Otologen. Göttingen, 19.-21.03.2025. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2025. Doc128

doi: 10.3205/25dga128, urn:nbn:de:0183-25dga1282

Published: March 18, 2025

© 2025 Hemmert et al.
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Hintergrund: Die Leistung von Cochlea-Implantaten (CI) wird von vielen Faktoren beeinflusst, die oft nur mit Computermodellen bewertet werden können. Um realistische Modelle zu entwickeln, basieren unsere Analysen auf hochauflösenden μCT-Scans menschlicher Felsenbeine. Dabei untersuchen wir die anatomischen Unterschiede zwischen den Cochleae und deren Einfluss auf die elektrische Erregung.

Methoden: Aus hochauflösenden μCT-Scans von acht menschlichen Schläfenbeinproben, die mit Osmiumtetroxid gefärbt wurden, erstellten wir anatomisch realistische Modelle. CI-Elektrodenarrays wurden virtuell eingefügt und die elektrische Stromausbreitung wurde mittels der Finite-Elemente-Methode (FE) berechnet. Der Verlauf von 500 Spiralganglienneuronen wurde rekonstruiert die extrazellulären Potenziale an den Ranvier-Knoten berechnet. Mit einem biophysikalischen Mehrkompartimentmodell, das spannungsabhängige Ionenkanäle einbezog, konnten wir die Erregungsmuster der Hörnervenfasern entlang der Cochlea ableiten und visualisieren, wie Aktionspotenziale erzeugt und zum Hirnstamm geleitet werden.

Im nächsten Schritt nutzten wir die Munich Compact Light Source (MuCLS), ein Phasenkontrast-CT-System, um 11 Proben mit einer Voxelauflösung von 6 µm zu scannen. Diese Auflösung ermöglichte es, die Cochlea präziser zu segmentieren und den Hörnerv detailliert darzustellen.

Ergebnisse: Die MuCLS-Scans zeigten einen verbesserten Kontrast im Vergleich zu μCT-Scans. Strukturen wie den Modiolus, die Reissner-Membran, die Basilarmembran und der Hörnerv konnten präzise identifiziert werden. Elektrisch ausgelöste Erregungsmuster zeigten Unregelmäßigkeiten wie Queranregungen. Zudem sagten die Modelle realistische Unterschiede zwischen Cochleae voraus, die mit den Schwellenwerten von CI-Nutzern vergleichbar sind.

Schlussfolgerung: Unsere Ergebnisse verbessern das Verständnis der elektrischen Erregung großer Neuronenpopulationen im Innenohr und sind für elektrische sowie optogenetische Stimulationsmethoden relevant. Sie ermöglichen die Entwicklung zukünftiger CIs und Kodierungsstrategien. Die Visualisierungen bieten zudem eindrucksvolle Einblicke in die Funktion des menschlichen Innenohrs.