Licht hören

Warum Licht hören?

Die Schwerhörigkeit ist die häufigste Erkrankung der menschlichen Sinne. Wenn Hörgeräte nicht mehr helfen, können Hörsignale durch Cochlea Implantate elektrisch direkt, an der Störung im Innenohr vorbei, in Nervenimpulse im Hörnerv übersetzt werden. Diese in den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelte „Hörprothese“ wird weltweit bereits von mehr als 500.000 Schwerhörigen genutzt und gilt als erfolgreichste Neuroprothese. Dabei wird der Schall durch ein Mikrophon aufgenommen und in Echtzeit elektronisch verarbeitet, wobei er in nach Frequenz sortierte Signale zerlegt wird. Danach übertragen diese Signale die Information über die Schallintensität im jeweiligen Frequenzband über 12-24 Elektrodenkontakte entlang der Frequenzachse der Hörschnecke an die Hörnervenzellen. Cochlea Implantate ermöglichen es den meisten Patienten, Sprache zu verstehen. Leider ist die Qualität des Hörens aber gering, da durch die massive Ausbreitung des elektrischen Stroms von jedem der Elektroden-Kontakte stets zu viele Hörnervenzellen im Umkreis des Kontakts mitangeregt werden (Abb. 1). Daher ist die Zahl der unabhängig nutzbaren „Stimulationskanäle“ sehr gering und die Unterscheidung von Tonhöhen und Lautstärken beim Hören mit Cochlea Implantaten im Vergleich zum normalen Hören stark eingeschränkt.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Funktion von Cochlea Implantaten
Oben: gegenwärtiges elektrisches Implantat in der Hörschnecke mit breiter Ausdehnung des elektrischen Reizes vom jedem der 12 Elektrodenkontakte in der Hörschnecke.
Unten: zukünftiges optisches Implantat mit zahlreichen Emittlern, deren Licht fokussiert auf die Hörnervenzellen trifft.


Weil Licht wesentlich besser gebündelt werden kann, könnte dieses grundsätzliche Problem gelöst werden, wenn Licht anstelle von Strom zur Stimulation der Nervenzellen verwendet wird. Jede Lichtquelle regt dabei eine im Vergleich zum „elektrischen“ Hören kleinere Hörnervenzell-Gruppe an (Abb. 1). Wenn auch hier der Schall durch elektronische Verarbeitung in nach Frequenz sortierte Signale zerlegt wird, könnten diese in zukünftigen optischen Cochlea Implantaten mit bis zu hundert Lichtquellen in vielen unabhängigen Stimulationskanälen Information über den Schall an die Hörnervenzellen übertragen. Diese Neuerung verspricht eine deutliche Verbesserung der Unterscheidbarkeit von Tonhöhen und Lautstärken und so einen bahnbrechenden Fortschritt bei der Wiederherstellung des Hörens bei schwerhörigen Menschen.


Wie können Nervenzellen Licht hören?

Nervenzellen sind in der Regel nicht lichtempfindlich. In der biophysikalischen Grundlagenforschung wurden durch Ernst Bamberg und Georg Nagel vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt und Peter Hegemann von der Humboldt-Universität Berlin jedoch lichtempfindliche Proteine aus Algen, sogenannte Kanalrhodopsine, isoliert und charakterisiert, die auf genetischem Wege als lichtgesteuerte Schalter in Nervenzellen verwendet werden können (Optogenetik). Dazu werden etwa Viren als „Genfähren“ verwendet, die durch molekulare Veränderungen für den aufnehmenden Organismus ungefährlich sind und in der Augenheilkunde bereits innerhalb klinischer Studien zur Behandlung von genetisch bedingter Blindheit verwendet werden. In einer ersten optogenetischen Studie am Ohr von Nagetieren konnten wir bereits die Machbarkeit der optischen Stimulation der Hörschnecke demonstrieren. Mit Hilfe der Optogenetik der Hörschnecke konnte mit zunächst einkanaliger Stimulation auch in tauben Tieren eine Aktivierung des Hörsystems erreicht werden, die durch licht-evozierte elektrische Hirnstammpotentiale messbar war. Zudem konnte gezeigt werden, dass mit Licht im Vergleich zu elektrischem Strom tatsächlich kleinere Abschnitte der Hörschnecke aktiviert werden können.


Wie geht's weiter?

Wie muss diese Methode weiterentwickelt werden, um schließlich in der Klinik eingesetzt werden zu können? In Zusammenarbeit mit Optogenetikern werden für die Anwendung im Ohr geeignete Kanalrhodopsine entwickelt, die eine möglichst physiologische Reizung der Hörnervenzellen mit geringer Lichtstärke erlauben. Im Göttinger Institut für auditorische Neurowissenschaft werden nun im Rahmen des durch den European Research Council geförderten Projekts „OptoHear“ effiziente und sichere Wege für den Gentransfer in die Hörnervenzellen von Tieren entwickelt, die für die Behandlung schwerhöriger Menschen geeignet sein sollen und in späteren klinischen Studien getestet werden müssen. In dem vom BMBF geförderten Projekt „Optical_CI“ werden innovative flexible Mikro-LED-Cochlea Implantate entwickelt, die selbst in den Hörschnecken von kleinen Nagetieren eine Stimulation mit über 100 Stimulationskanälen ermöglichen sollen. Ziel ist es, für die Anwendung am Menschen Cochlea Implantate mit bis zu hundert Mikro-LEDs zu realisieren. Diese Sonden müssen dann hermetisch verkapselt werden und ihre Einbringung, Funktion und Stabilität zunächst in Tieren erprobt werden. In funktionellen Studien soll dann die Zeit-, Frequenz- und Intensitätsauflösung der Schallkodierung mit optischen Mehrkanal-Implantaten gemessen und mit dem normalen und „elektrischen“ Hören verglichen werden. Im Anschluss an die funktionellen Untersuchungen werden dann zusammen mit Göttinger Röntgenphysikern um Tim Salditt höchstauflösende Röntgenuntersuchungen durchgeführt, um die Lage der optische Implantate und ihrer Lichtquellen in der Hörschnecke zu erfassen (Abb. 2). Zudem müssen zukünftige mikroskopische Gewebeuntersuchungen durchgeführt werden, um die eventuellen Gewebeschäden durch Genfähren, Fremdprotein und Lichtstimulation zu erfassen.

Abbildung 2: Optisches Cochlea Implantat in der Hörschnecke der Ratte
Rekonstruktion der Hörschnecke der Ratte basierend auf einer Röntgen-Phasenkontrast-Tomographie. Ein ca. 300 µm messendes verkapseltes µLED-Implantat (blau) wurde in die Scala tympani (Paukentreppe) der Hörschnecke (grau) einer Ratte eingebracht (Insertionstiefe ca. 0.75 Windungen). Die grüne Struktur stellt die Basilarmembran mit dem sensorischen Corti Organ dar, die nicht über den gesamten Verlauf rekonstruiert werden konnte.




Demonstration der Funktionsweise eines optischen Cochlea Implantats, entwickelt vom Cochlea-Optogenetik Programm am Göttingen Campus.