Cochlea Implantate der Zukunft: Hören durch Licht

Menschen, die durch die elektrische Hörprothese Cochlea Implantat hören, wissen: es hat Grenzen. Wird der Hörnerv allerdings mit Licht statt mit Strom angeregt, könnte das dem akustischen Hören sehr nahe kommen. Die Ergebnisse einer Studie zum Thema Hören durch Licht. 

Schallwellen Simulation © iStock
(Göttingen – 08.05.2019) Eine Oper oder ein Kaffee auf dem Marktplatz – für Menschen, die die Hörprothese Cochlea Implantat tragen, ist Musik oder das Zuhören in einer Umgebung mit vielen Hintergrundgeräuschen immer noch schwierig. Göttinger Hörforscher konnten jetzt nachweisen, dass sich die Qualität des künstlichen Hörens maßgeblich verbessern kann, wenn die Hörbahn mittels Licht statt mit elektrischem Strom stimuliert wird. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Der Vergleich: optisches versus elektrisches Hören

Forscher der Universitätsmedizin Göttingen und des Deutschen Primatenzentrums – Leibniz-Institut für Primatenforschung haben das Auflösungsvermögen für Tonhöhen beim natürlichen sowie künstlichen Hören gemessen und bestimmt. Im Tiermodell verglichen sie die Anregung des Hörnervs mittels Licht (optogenetische Anregung) mit natürlichem Hören und dem Hören mit Hilfe des elektrischen Cochlea-Implantats. Über die Untersuchung der Nervenaktivität im Mittelhirn gewannen die Wissenschaftler vergleichbare Daten über das Auflösungsvermögen für Tonhöhen (Frequenz) bei akustischem, optischem und elektrischem Hören.

Im Hörsystem werden unterschiedliche Frequenzen an verschiedenen Orten verarbeitet. Über eine aktivitätsbasierte Analyse der Anregungsbreite – dies bedeutet in etwa, wie viele Nervenzellen, die verschiedene Frequenzen verarbeiten, gleichzeitig aktiv sind – kann die Frequenzauflösung der verschiedenen Anregungsmodi bestimmt werden.

Feiner Hören mit Licht

Es zeigte sich, dass die Frequenzauflösung künstlichen Hörens durch optische im Vergleich zu elektrischer Stimulation wesentlich verbessert werden kann. Der Grund: Die Anregung durch Licht ermöglicht eine wesentlich höhere Auflösung als die Anregung durch Strom. Bei niedrigen Stimuationsintensitäten konnte sogar eine natürliche Hörqualität erreicht werden. Hier war die Frequenzauflösung der optogenetischen Anregung nicht von der akustischer Anregung zu unterscheiden.

„Unsere Ergebnisse zeigen erstmals, dass die Frequenzauflösung optogenetischer Stimulation des Hörnervs in feineren Stufen erfolgen kann, als mit der bisher in der Klinik verwendeten elektrischen Stimulation in Cochlea-Implantaten erreicht wird“, sagt Alexander Dieter, Doktorand am Institut für Auditorische Neurowissenschaften und Erstautor der Studie. Diese neuen Erkenntnisse lassen hoffen, dass es mit künftigen optischen Cochlea-Implantaten gelingen könnte, das Hörvermögen von Schwerhörigen besser wiederherzustellen.

Hören durch Licht: die nächsten Schritte

„Ein logischer nächster Schritt ist für uns nun, die Stimulation auf mehr Kanäle zu erweitern. In den bisherigen Untersuchungen haben wir die Einkanalstimulation eingesetzt. Nun wollen wir mittels Mikroleuchtdioden-Arrays über mehrere Kanäle stimulieren“, sagt Dr. Marcus Jeschke, Nachwuchsgruppenleiter am Deutschen Primatenzentrum – Leibniz-Institut für Primatenforschung und am Institut für Auditorische Neurowissenschaften der Universitätsmedizin Göttingen. „So möchten wir untersuchen, ob die Aktivierungen nahe beieinander liegender LEDs unterschieden werden können und wie und ob die Aktivierungen der einzelnen LEDs interagieren“, so Dr. Jeschke. „Wenn künftige Tierversuche unsere Ergebnisse bestätigen, und die Biosicherheit unserer Technologie nachgewiesen wird, haben wir Hoffnung, dass optische Cochlea-Implantate künftig auch bei Menschen eingesetzt werden können“.

Hintergrund: Grenzen des elektrischen Cochlea Implantats

Hochgradig schwerhörige oder taube Menschen können mithilfe einer Hörprothese, dem sogenannten Cochlea-Implantat, wieder hören. Es wird in die Hörschnecke eingesetzt und regt den Hörnerv mittels elektrischen Stroms an. Cochlea-Implantate vermitteln weltweit mehr als 500.000 Menschen einen künstlichen Höreindruck, in der Mehrzahl der Fälle ermöglicht dieser ein Sprachverstehen. Limitiert sind die bisher verwendeten Hörprothesen jedoch in der genauen Übertragung feiner Abstufungen der Tonhöhe (Frequenz). Das heißt, Betroffene haben Schwierigkeiten in Umgebungen mit vielen Hintergrundgeräuschen und/oder können bestimmte Musik und Melodien nicht hören.

Ursache der limitierten Frequenzauflösung heutiger Cochlea-Implantate ist, dass sich der elektrische Strom in der Cochlea relativ weit ausbreitet. Deshalb werden große Abschnitte des Hörnervs gleichzeitig aktiviert und die Darstellung verschiedener Tonhöhen beim künstlichen Hören unpräzise. Bildlich vorstellen kann man sich dies am Beispiel eines Klaviers: „Während das natürliche Hören dem Anschlagen einzelner Tasten folgen kann, ist die Klangwahrnehmung mittels Cochlea-Implantat eher mit dem gleichzeitigen Anschlagen vieler Klaviertasten vergleichbar. Um ein natürlicheres Hörvermögen wiederherzustellen, müssten einzelne Tonhöhen besser unterschieden werden können“, sagt Prof. Dr. Tobias Moser, Senior-Autor der Publikation. „Dies wäre durch Anregung des Hörnervs mit Licht denkbar. Da Licht besser gebündelt werden kann als elektrischer Strom, erlaubt es eine präzisere Anregung des Hörnervs“.

Hören durch Licht: Wie es funktioniert

Da der Hörnerv nicht lichtempfindlich ist, müssen funktionelle, genetisch kodierte Lichtsensoren in die Nervenzellen des Hörnervs eingebracht werden. Dieser Ansatz wird als „Optogenetik“ bezeichnet. Die optogenetische Anregung der Hörbahn wurde vor einiger Zeit an ertaubten Nagetieren entwickelt. Die Frage nach der Frequenzauflösung blieb allerdings bislang weitgehend ungeklärt.
Hören: Grundlage menschlicher Kommunikation
Hören ist mehr als nur die Wahrnehmung akustischer Signale aus der Umgebung, die uns die tägliche Orientierung im Alltag erleichtern. Hören ist vielmehr die Grundlage für wechselseitige Kommunikation. Es ermöglicht uns den Informationsaustausch mit unseren Mitmenschen und die aktive Teilnahme am gesellschaftlichen Leben. Eine Einschränkung des Hörvermögens durch Schwerhörigkeit oder gar Taubheit bedeutet für viele der weltweit etwa 460 Millionen Betroffenen also nicht nur die Unfähigkeit, akustische Signale wahrzunehmen. Nicht-Hören-Können kann auch soziale Isolation und dadurch resultierende Einschränkungen der Lebensqualität bedeuten. Oft wird Taubheit durch den Verlust der Haarzellen in der Hörschnecke des Innenohrs – der Cochlea – bedingt, die bei normal hörenden Menschen die Schallwellen akustischer Signale in elektrische Signale umwandeln, welche dann über den Hörnerv an das Gehirn gesendet und dort ausgewertet werden.
Autoren und Quellen Aktualisiert: 08.05.2019
  • Autor/in: vitanet.de; Kristina Wagenlehner
  • Quellen: Pressemitteilung der Universitätsmedizin Göttingen vom 29.04.2019: Wie künstliches Hören durch Licht natürlicher werden könnte
  • Originalveröffentlichung: Dieter A, Duque-Afonso CJ, Rankovic V, Jeschke M, Moser T (2019): Near physiological spectral selectivity of cochlear optogenetics. Nature Communications
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