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Auditorische Neurowissenschaften und Optogenetik

Optisches CI im Vergleich zum elektrischen.

Wir untersuchen, wie das auditorische System akustische Information beim normalen Hören und beim Hören mit Cochlea-Implantaten verarbeitet. Für diese Forschung arbeiten wir mit Weißbüschelaffen, die ein reiches vokales Kommunikationsvermögen aufweisen. Unser Ziel ist die Verbesserung der Frequenzauflösung der Kodierung akustischer Signale in Cochlea-Implantaten mittels optogenetischer Methoden.

Die Forschungsgruppe „Auditorische Neurowissenschaften und Optogenetik” untersucht, wie das auditorische System akustische Information beim normalen Hören und beim Hören mit Cochlea-Implantaten verarbeitet. Dabei interessiert uns die für die vokale Kommunikation erforderliche Frequenzauflösung der Schallkodierung im Innenohr. Für diese Forschung arbeiten wir mit Weißbüschelaffen, die ein reiches und in einigen Aspekten ein dem menschlichen Verhalten ähnliches vokales Kommunikationsvermögen aufweisen. Unsere Arbeit wird von der Motivation angetrieben, die Rehabilitation des Hörens bei menschlicher Schwerhörigkeit durch das Cochlea-Implantat weiter zu verbessern.

Das Cochlea-Implantat gilt als die erfolgreichste Neuroprothese, die den meisten der weltweit mehr als 500.000 Nutzern ein offenes Sprachverständnis ermöglicht. Es verbleiben jedoch Defizite, die sich besonders als schlechtes Sprachverstehen im Störgeräusch manifestieren. Auch haben Träger von Cochlea-Implantaten in der Regel wenig Freude an Musik. Dies liegt vor allem an der schlechten Frequenz- und Intensitätsauflösung, die von der weiten Stromausbreitung von jedem der 12 bis 24 Elektrodenkontakte bedingt wird (siehe Abbildung oben: Electrical Cochlear Implant). Da sich Licht besser fokussieren lässt, verspricht die optogenetische Stimulation der Spiralganglionneurone der Cochlea (siehe Abbildung oben: Optical Cochlear Implant) eine bahnbrechende Verbesserung der Frequenz- und Intensitätsauflösung der Kodierung mit Implantaten.  

Das Prinzip beruht auf der Expression von lichtempfindlichen Ionenkanälen, den sogenannten Kanalrhodopsinen, in den Spiralganglionneuronen, um sie lichtempfindlich zu machen. Wenn nun anstelle eines Elektrodenarrays ein linearer Array von Lichtemittern ((Gossler et al.), siehe Abbildung 1) in die Cochlea eingebracht wird, könnte eine wirkliche Vielkanalstimulation mit dutzenden unabhängigen Informationskanälen zu den Neuronen möglich werden. Aufbauend auf unseren an der Universitätsmedizin durchgeführten Arbeiten zur optogenetischen Stimulation der Nagercochlea (Hernandez et al., 2014, siehe Abbildung 2), setzen wir in der Forschung am DPZ den Weißbüschelaffen ein, um die Machbarkeit der optogenetischen Cochlea-Stimulation vor der klinischen Translation im Primatenmodell zu prüfen und mit psychophysischen Methoden Einsichten in die Frequenz- und Intensitätsauflösung der optogenetischen Kodierung im Vergleich zur akustischen und elektrischen Stimulation zu gewinnen. 

Unsere Arbeit wird vom Europäischen Forschungsrat (ERC) durch den Advanced Grant OptoHear, vom Leibniz-Programm der DFG sowie von der Universitätsmedizin Göttingen und dem Land Niedersachsen gefördert.

Abb. 1. Linearer Array von Mikroleuchtdioden, die von Freiburger Wissenschaftlern entwickelt wurden. Abbildung: Christian Gossler
Abb. 1. Linearer Array von Mikroleuchtdioden, die von Freiburger Wissenschaftlern entwickelt wurden. Abbildung: Christian Gossler
Abb. 2. Vergrößertes, 3D-gedrucktes Modell der Mauscochlea, basierend auf Röntgentomographie Daten. Foto: Tobias MoserFoto: Daniel Keppeler
Abb. 2. Vergrößertes, 3D-gedrucktes Modell der Mauscochlea, basierend auf Röntgentomographie Daten. Foto: Daniel Keppeler

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Literatur

Gossler, C., Bierbrauer, C., Moser, R., Kunzer, M., Holc, K., Koehler, K., Wagner, J., Schwaerzle, M., Ruther, P., Paul, O., et al. (2014) GaN-based micro-LED arrays on flexible substrates for optical cochlear implants. Journal of Physics D: Appl. Phys. 47 205401 doi:10.1088/0022-3727/47/20/205401

Hernandez, V.H., Gehrt, A., Reuter, K., Jing, Z., Jeschke, M., Mendoza Schulz, A., Hoch, G., Bartels, M., Vogt, G., Garnham, C.W., et al. (2014). Optogenetic stimulation of the auditory pathway. J. Clin. Invest. 124, 1114–1129. http://www.jci.org/articles/view/69050

Hernandez VH, Gehrt A, Jing Z, Hoch G, Jeschke M, Strenzke N, Moser T. Optogenetic stimulation of the auditory nerve. J Vis Exp. 2014 Oct 8;(92):e52069. doi: 10.3791/52069. PMID: 25350571  

Jeschke M, Moser T. Considering optogenetic stimulation for cochlear implants. Hear Res. 2015 Apr;322:224-234. doi: 10.1016/j.heares.2015.01.005. Epub 2015 Jan 16. Review. PMID: 25601298 

Moser T. Optogenetic stimulation of the auditory pathway for research and future prosthetics. Curr Opin Neurobiol. 2015 Jan 28;34C:29-36. doi: 10.1016/j.conb.2015.01.004. [Epub ahead of print] Review. PMID: 25637880

Moser T, Vogl C. New insights into cochlear sound encoding [version 1; referees: 2 approved]. F1000Research 2016, 5(F1000 Faculty Rev):2081 (doi: 10.12688/f1000research.8924.1

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