Elektronische Rekonstruktion der Hörschnecke

Mögliche Grundlage für ein neuartiges Cochlea-Implantat

Zürcher Forscher haben eine elektronische Hörschnecke gebaut, die dem biologischen Original sehr nahe kommt. Nun wird geprüft, ob sich daraus ein neuartiges Cochlea-Implantat entwickeln lässt.

Die menschliche Hörschnecke (Cochlea) ist ein komplexer akustischer Sensor. Sie besteht grob skizziert aus einem aufgerollten und mit Flüssigkeit gefüllten Schlauch, der in der Mitte durch die sogenannte Basilarmembran zweigeteilt wird. In einer ausgefeilten Anordnung sind innere und äussere Haarzellen mit dieser Membran verbunden. Erstere übersetzen das vom Mittelohr kommende Schallsignal in Nervenimpulse und leiten diese an den Hörnerv weiter. Die Biomechanik der Cochlea erlaubt dabei eine Auftrennung des Signals in einzelne Frequenzen an unterschiedlichen Orten der Cochlea (man spricht in diesem Zusammenhang vom tonotopischen Prinzip). Leise Frequenzen werden zudem durch einen Rückkopplungseffekt gezielt verstärkt. Das geschieht unter anderem dadurch, dass die äusseren Haarzellen durch Nervenfasern angesteuert werden, die vom Gehirn über den Hörnerv zurück zur Cochlea führen.

Aufgrund dieser Rückkopplung und einer Reihe weiterer Faktoren ist eine technische Nachbildung der Signalverarbeitung in der Cochlea ein schwieriges Unterfangen. Bisherige Lösungen basierten meist auf sogenannten Filterbänken, die lediglich das tonotopische Prinzip nachbildeten. Einer Forschergruppe am Institut für Neuroinformatik (Universität/ETH Zürich) ist es nun gelungen, eine elektronische Cochlea zu bauen, die dem biologischen Vorbild besser entspricht. So reproduziert der Sensor eine Reihe der am biologischen Original gemessenen nichtlinearen Phänomene (Verstärkungseffekte, Signalschärfung).

Der Sensor beruht auf einem mathematischen Modell der Cochlea, dessen Parameter reale Gegebenheiten des biologischen Vorbilds abbilden. Insbesondere wird die oben angesprochene Rückkopplung zwischen Gehirn und Cochlea durch einen Parameter erfasst, der eine neuartige Steuerung der Cochlea ermöglicht, kommentierte der Leiter der Gruppe, Ruedi Stoop, die Bedeutung der Arbeit. In einem nächsten Schritt soll deshalb untersucht werden, ob sich der Sensor als Basis für ein neuartiges Cochlea-Implantat eignet. Dabei handelt es sich um ein Gerät, das eine funktionsunfähige Cochlea ersetzt und den Hörnerv direkt stimuliert. Filiep Vanpouke, der europäische Forschungsleiter des Cochlea-Implantat-Herstellers Advanced Bionics, hält diesen Ansatz für hochinteressant. Die elektronische Cochlea sei das derzeit beste Modell weltweit. Um ihre Vorteile nutzen zu können, müsse allerdings die Stimulation des Hörnervs fünf bis zehn mal präziser erfolgen als bei heutigen Implantaten.

Die Realisierung der neuronalen Schnittstelle zwischen den Elektroden des Sensors, die das Signal der inneren Haarzellen imitieren, und dem Hörnerv gilt demnach als Hauptschwierigkeit. Bei herkömmlichen Cochlea-Implantaten besteht zwischen Elektroden und Hörnerv rund ein Millimeter Abstand. Dieser muss deutlich verringert werden, was auch die Voraussetzung dafür sei, dass die vom Gehirn zurücklaufende Signale erfasst und für die Steuerung eines solchen neuen Cochlea-Implantats benutzen werden können, so Vanpouke. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeiten die Zürcher Forscher nun mit Fachleuten für biokompatible Werkstoffe der eidgenössischen Materialprüfungsanstalt (Empa) in St. Gallen zusammen.

Markus Christen