Feintuning für Cochlea-Implantate

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Autor: Michael Krassnitzer

An der Meduni Innsbruck werden Computermodelle entwickelt, mit denen die elektrische Stimulation des Hörnervs durch ein Implantat simuliert werden kann. Das Projekt ist ein Beispiel für grenzüberschreitende, interdisziplinäre und vor allem erfolgreiche Forschung.

Der Mensch besitzt 3.500 Haarsinneszellen im Innenohr, die Schall wahrnehmen. Das ist wenig. Schon der Verlust einer einzigen der Sinneszellen führt zu einer Einschränkung des Hörvermögens. Seit den 1970er Jahren werden Hörimplantate eingesetzt, um das Hörvermögen und Sprachverstehen von ertaubten und hochgradig schwerhörigen Patienten wiederherzustellen. Dabei wird eine Elektrode in die Hörschnecke (Cochlea) eingeführt. Auf diese Weise werden akustische Signale in elektrische Impulse umgewandelt, die den Hörnerv stimulieren. Das Implantat ersetzt die Funktion der reizwahrnehmenden Haarsinneszellen. Weltweit wurden Cochlea-Implantate bereits über eine Million Mal eingesetzt.

Allerdings kam es in den letzten 30 Jahren kaum zu wesentlichen technischen Verbesserungen. Auch der Therapieerfolg bei Patienten variiert immer noch stark. Wenn tausende Haarsinneszellen durch zwölf bis 22 elektronische Kontakte ersetzt werden, kommt es zu einer starken Reduktion der Information, die im Hörzentrum des Gehirns ankommt. Manche Patienten kommen gut damit zurecht, andere weniger. Langes Herumprobieren ist den Patienten nicht zumutbar und verbietet sich aus ethischen Gründen. Man kann auch nicht einfach elektrische Messungen im Innenohr durchführen. „Das Innenohr liegt inmitten eines massiven Knochens und ist nicht zugänglich“, erläutert Rudolf Glückert vom Innenohrlabor der Universitätsklinik für Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde der Medizinischen Universität Innsbruck. Für die Weiterentwicklung von Cochlea-Implantaten sind Computermodelle notwendig, die präzise genug sind, die elektrische Stimulation des Hörnervs punktgenau zu simulieren.

Schnecke im Ohr. Cochlea-Implantate ersetzen die Funktion der reizwahrnehmenden Haarsinneszellen. Ein österreichisch-deutsches Projekt will den Therapieerfolg der Implantate durch feindifferenzierte Simulationen deutlich steigern.

Kleinste Details im Innenohr

Genau daran arbeitet der Innsbrucker Forscher. Gemeinsam mit dem Munich Institute of Biomedical Engineering (MIBE) an der TU München entwickelt er Computermodelle, mit denen sich voraussagen lässt, welche Reaktion ein bestimmtes Stimulationsmuster im Innenohr auslösen wird. Glückert und sein Team vermessen dazu die Innenohren von realen Patienten bis ins kleinste Detail. Mittels zahlreicher hochauflösender computertomografischer Bilder werden die individuellen Unterschiede der Hörschnecke erfasst. Es wird genauestens untersucht, welche Nervenfasern noch vorhanden sind, in welchem Zustand diese Nervenfasern sind oder ob es sich um einen bestimmten Typ von Neuronen handelt, der verloren gegangen ist. Bei Kindern mit angeborener Gehörlosigkeit sollte die Implantation möglichst früh stattfinden, weil die Plastizität des Gehirns noch größer ist und sich das Kind leichter an die neue Sinneswahrnehmung gewöhnt.

Simulationsmodelle für Cochlea-Implantate gibt es bereits, aber sie sind noch nicht sehr ausgefeilt. Die Innsbrucker Forscher arbeiten nun am Feintuning: „Wir werden tief in die Mikroanatomie des menschlichen Hörnervs blicken“, bekräftigt Glückert. So wird die Verteilung der Ionenkanäle entlang der Verbindungswege zwischen Nervenfasern und Zellkörper quantifiziert. Diese sind für die Auslösung und Verarbeitung elektrischer Signale verantwortlich. Alle neuen Erkenntnisse und Daten werden schließlich in Simulationen der Stromausbreitung und Reizantwort des Hörnervs fließen und mit realen Messungen von Cochlea-Implantat-Nutzern verglichen. Je präziser die Daten von einzelnen Nervenfasern und Nervenzellen sind, desto genauer können die Simulationen programmiert werden.

Gehört gehört. Rudolf Glückert ist Teil des Innsbrucker Forschungsteams, das gemeinsam mit der TU München die seit Jahrzehnten unveränderte Therapie der Cochlea-Implantate weiterentwickeln will.

Technik vorantreiben

Das Forschungsprojekt hat zwei Ziele: Zum einen soll das Simulationsmodell ermöglichen, ein konkretes Cochlea-Implantat an einen individuellen Patienten optimal anzupassen. Zum anderen soll das Simulationsmodell die technische Entwicklung vorantreiben. „Wir können ganz neue Muster der elektrischen Stimulation testen und Impulse für verbesserte, individualisierte Cochlea-Implantate liefern“, betont Glückert. Bislang waren die Hersteller von Cochlea-Implantaten sehr vorsichtig mit der Implementierung neuer Stimulationsmuster. Denn würde ein Hersteller gröbere Änderungen an seinem Medizinprodukt vornehmen, so müsste dieses neu zugelassen werden. Eine Neuzulassung nach der neuen Medizinprodukterichtlinie MDR bedeutet einen Riesenaufwand. Das Ergebnis des langwierigen und teuren Zulassungsverfahrens ist nicht abzusehen (die ÖKZ berichtet regelmäßig). „Kein Hersteller möchte ein System, das gut funktioniert, gefährden“, meint der Innsbrucker Forscher.

Grenzüberschreitende Kooperation

Während die Forscher an der Medizinischen Universität Innsbruck die Daten erheben und die Modelle erstellen, werden am MIBE in München die Simulationen durchgeführt. Wenn die beteiligten Fachdisziplinen ein derart weites Spektrum umfassen – in diesem Fall von der Grundlagenforschung der Innenohrbiologie bis hin zu Computersimulationen –, ist die Zusammenarbeit mehrerer Einrichtungen unumgänglich. „In der Forschung geht es heute nur gemeinsam“, bekräftigt Glückert. Und dazu bedarf es auch entsprechender Fördermodelle. „Ohne gezielte Förderung ist ein solches interdisziplinäres Projekt kaum möglich.“ Gefördert wird das Forschungsprojekt vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen eines Kooperationsprogrammes, das speziell ausgelegt ist für grenzüberschreitende interdisziplinäre Forschungsprojekte. Dabei reicht der „Leadpartner“ das Gesamtprojekt in seinem Land ein. Die Fördereinrichtung stimmt sich dann mit den Fördergebern in den Ländern der anderen beteiligten Projektpartner ab.

Die Chemie muss stimmen

Natürlich werden derartige Kooperationen von den Projektpartnern im Vorfeld gemeinsam ausgearbeitet. Glückert beschäftigt sich mit dem Thema Simulationsmodelle für Cochlea-Implantate seit 15 Jahren: „Da lernt man automatisch die Spezialisten kennen, die in diesem Bereich arbeiten.“ Man stößt auf deren Namen in Fachzeitschriften, man begegnet sich auf Kongressen. Auf diese Weise hat er auch die Kollegen aus München kennengelernt. Es ist nicht das erste Projekt in Zusammenarbeit mit dem MIBE: Die aktuellen Forschungen bauen auf einem gemeinsamen Vorgängerprojekt auf. Letztlich aber ist es nicht nur die Fachexpertise, sondern auch die persönliche Chemie, die ausschlaggebend dafür ist, eine Forschungskooperation einzugehen. Glückert: „Mit manchen kann man besser, mit manchen weniger gut. Das ist in jedem Job so – und natürlich auch in der Wissenschaft.“

Die räumliche Distanz zwischen den Kooperationspartnern ist dabei kein Problem. „Eine länder- und fächerübergreifende Zusammenarbeit ist heutzutage selbstverständlich“, stellt Glückert klar. Die Entfernung zwischen Innsbruck und München ist allerdings gar nicht so groß. Mit dem Zug braucht man gerade einmal zwei Stunden. Da sind regelmäßige persönliche Treffen leicht zu organisieren. 

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