Neuronale Aktivität im Colliculus inferior induziert durch

11. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Audiologie
Neuronale Aktivität im Colliculus inferior induziert durch
optische Anregung der Cochlea
Wenzel G. I.¹, Lim H. H.¹, Massow O.², Zhang K.², R eich U.¹, Balster S.¹, Ertmer W.³,
Lenarz T.¹, Reuter G.¹
¹ Klinik und Poliklinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Medizinische Hochschule Hannover, CarlNeuberg-Strasse 1, 30625 Hannover
² Laser Zentrum Hannover e.V., Medizintechnik, Hollerithallee 8, 30419 Hannover
³ Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover, Welfengarten 1, 30167 Hannover
Einleitung
Ca. 10 – 12 % der Bevölkerung in Industrienationen leiden unter einer behandlungsbedürftigen
Schwerhörigkeit, die Mehrzahl davon weist eine Innenohrschwerhörigkeit auf. Ursächlich ist eine Schädigung
der äußeren, bei höhergradigem Hörverlust auch der inneren Haarzellen [1]. Mit konventionellen und
implantierbaren Hörgeräten mit Ankopplung an die Gehörknöchelchenkette oder die Perilymphe gelingt es nur
unvollständig, durch Vorverarbeitung und Verstärkung des akustischen Eingangssignals diese funktionellen
Ausfälle zu kompensieren, da die Verstärker- und Filterfunktion der äußeren Haarzellen dadurch nicht ersetzt
werden können [2]. Eine Alternative zu den mechanischen und elektrischen Stimulationsstrategien, ist die
Aktivierung, des peripheren Hörorgans, mittels einer hohen Anzahl von intracochleären optischen Faserbündel.
Erste Versuche zur Stimulation das Innenohr mit laserinduzierten mechanischen Pulsen wurden von der
Arbeitsgruppe Fridberger et al. (2005) durchgeführt [3]. Mit Hilfe eines 1,3 W Diodenlaser, 813nm Wellenlänge,
wurde die Cochlea stimuliert und die induzierten Effekte sowohl elektrophysiologisch (Cochlear microphonics)
als auch durch die direkte Messung der Basilarmembranschwingungen mittels Laserinterferometrie objektiviert.
Izzo und Mitarbeiter (2006) berichten über die Evozierung von Compound-Action-Potentials (CAP) des
Hörnervens durch Laserpulse, die auch nach Zerstörung der äußeren Haarzellen noch zu erhalten waren. Sie
erklären dies durch eine direkte laserinduzierte Anregung der Spiralganglienzellen [4].
Eine frequenzspezifische Stimulation kann jedoch mit cochlären Aktionspotentialen nicht optimal getestet
werden. Somit, war Ziel unserer Experimente, die weiter zentralere Ableitung neuronaler Aktivierung nach
optischer Anregung der Cochlea, zu überprüfen.
Material und Methoden
BFA Meerschweinchen (Charles River), männlich, 350-600g wurden mit Ketamin und Xylazin narkotisiert.
Die Hörschwelle wurde präoperativ durch frühe akustisch evozierte Potentiale (FAEP) (Stimulus: 1-40 kHz, 080 dB SPL in 10dB Schritte) getestet. Nach Eröffnung der Bulla wurde ein Lichtleiter mit Durchmesser von 120
µm durch die Rundfester-Membran Richtung Basilarmembran positioniert. Durch diesen wurden Laser-Pulse
(532nm, 10 ns, 1P/s, 0,6-30µJ/cm2) mit einem NdYag Laser (Quantel Brilliant BW, Frankreich) appliziert. Die
Reaktion auf den Stimulus wurde durch Aktionspotentiale im Colliculus inferior (ICC) mittels
Mehrkanalelektroden (3 mm lang; 16 Iridium-Kontakt,100 µm; Impedanz:1-2 MΩ, NeuroNexus-Tech, Ann
Arbor, Michigan, USA), abgeleitet. Sowohl die Ableitungen der FAEP als auch die der lokalen Feldpotentialen
im ICC erfolgten mit einem Tucker Davis System (Alachua, FL), Programm von HH Lim.
Ergebnisse
Unter akustischer Kontrolle erfolgte die Insertion der Michigan Probe im ICC. Lokale Feldpotentiale auf
akustischen Stimuli (70 dB) wurden als Kontroll-Messung (Fig. 1A) entlang der tonotopen Schichten des ICC
abgeleitet.
Nach Stimulation der Cochlea durch das Runde Fenster mit 8µJ/cm2 Laser-Pulse konnten lokale Feldpotentiale
im gesamten Spektrum des ICC abgeleitet werden (Fig. 1B). Die Aktivierung des Colliculus inferior konnte bei
Stimulation mit Pulsintensitäten von 3 bis 30µJ/cm2 wiederholbar evoziert und registriert werden (Fig. 2). Die
Amplitude der evozierten Signale stieg mit steigender Pulsintensität. Eine Sättigung konnte ab ca. 12 µJ/cm2
registriert werden. Die maximal applizierte Intensität war 30µJ/cm2. Die Amplituden der lokalen Feldpotentiale
im ICC auf Stimulation der Cochlea mit 6µJ/cm² Laser-Pulse vor und nach Stimulierung mit 30 µJ/cm² LaserPulse, zeigten keine objektivierbare Verminderung.
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Fig.1 A. Tuningkurve und lokale Feldpotentiale (1.B) im ICC nach akustischer Stimulation, der Cochlea mit 8µJ/cm2 LaserPulse (Mittelung von je 40 Wiederholungen)
Fig. 2. Ableitung der lokalen Feldpotentiale im ICC nach unterschiedlichen Pulsintensitäten (Mittelung von je 30
Wiederholungen).
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Diskussionen
Die von uns ermittelte Stimulationsschwelle bei 3 µJ/cm² ist vergleichbar mit den Ergebnissen der
Arbeitsgruppe Izzo et al. (2006). Durch die völlig unterschiedliche angewendete Wellenlänge kann man jedoch
keine Ruckschlüsse betreffend des Stimulationsmechanismus ziehen. Patch-Clamp Untersuchungen sowie LaserDoppler Messungen werden zur weiteren Aufklärung dieser Fragen in unserem Labor erfolgen.
Die akute Stimulation mit 30 µJ/cm² erwies sich als nicht destruktiv (keine objektivierbare Verminderung der
Amplituden auf 6µJ/cm² vor und nach Stimulierung mit 30 µJ/cm² bei Applikation von je 30 Pulsen/getestete
Intensität). Die Folgen bzw. Effekte nach Langzeitstimulation mit 30 µJ/cm² Lasr-Pulse sowie höherer
Energien werden elektrophysiologisch als auch histologisch untersucht.
Schlussfolgerungen
Die Aktivierung der zentralen auditorischen Bahnen durch Stimulation der Cochlea mittels 532 nm NdYag
Laser-Pulse ist möglich. Welche Wellenlängen und Energien die optimale Stimulationsstrategie für ein LaserCochlea-Implantat bietet, ist Gegenstand unserer weiter geplanten Arbeiten.
Danksagung
Vielen Dank der Deutschen Forschungsgesellschaft für die Finanzierung des SFB: Transregio 37.
Literatur
Lehnhardt E., Laszig R. u.a.; Praxis der Audiometrie, Thieme Georg Verlag; Auflage: 7. überarb. u. erw. Aufl.
1996 ISBN: 3133690078
Lenarz T et al. DACS - A new implantable hearing device for MHL”, 2005, The 5th Asia Pacific Symposium on
Cochlear Implant and Related Sciences, 26-28 November 2005, Hong Kong (Session on 28th November)
Fridberger A, Ren T. Local mechanical stimulation of the hearing organ by laser irradiation. Neuroreport. 2006
Jan 2317(1):33-7.
Izzo AD, Suh E, Pathria J, Walsh JT, Whitlon DS, Richter CP. Selectivity of neural stimulation in the auditory
system: a comparison of optic and electric stimuli. J Biomed Opt. 2007 Mar-Apr12(2):021008.
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