Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Alexander Rettenmaier

Optoakustische Stimulation der Cochlea –Einzelzelluntersuchungen an Modell- sowie Spiralganglienzellen

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-105183

title (engl.)

Optoacoustic stimulation of the cochlea - single cell measurements on model cells and spiral ganglion neurons

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2014

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/rettenmaiera_ss14.pdf

abstract (deutsch)

Patienten, die an einer sensorischen Schwerhörigkeit und damit an einer Schädigung der Haarzellen in der Cochlea leiden, kann mittels eines Cochlea Implantats geholfen werden. Dieses stimuliert elektrisch die Spiralganglienzellen des Hörnervs und überbrückt so die nicht mehr funktionstüchtigen Haarzellen, wodurch zuvor hochgradig Schwerhörige wieder hören können. Das Hörvermögen ist jedoch stark abhängig von den Umgebungsbedingungen. Unter lauten Umgebungsgeräuschen verschlechtert sich insbesondere das Verständnis von Sprache deutlich. Als eine Ursache dafür gilt die geringe räumliche Auflösung der elektrischen Stimulation, da sich das elektrische Feld über einen großen Bereich im Gewebe ausdehnt und so, aufgrund der Tonotopie der Cochlea, keine frequenzselektive Stimulation möglich ist.
Im Gegensatz dazu ist für die optische Stimulation mittels Laserbestrahlung eine präzise und selektive Wahl des Stimulationsortes möglich, was eine höhere Frequenzselektivität und damit ein verbessertes Hörvermögen verspricht. Daher wurde in den letzten Jahren in etlichen in-vivo-Experimenten die optische Stimulation der Cochlea untersucht. Während die prinzipielle Machbarkeit gezeigt werden konnte, herrscht über den zugrunde liegenden Mechanismus noch immer keine Einigkeit. In-vitro-Untersuchungen der Reaktion von über einen weiten Wellenlängenbereich bestrahlten Spiralganglienzellen, die Aufschluss über den Mechanismus der optischen Stimulation der Cochlea geben könnten, lagen bisher noch nicht vor.
In dieser Studie wurden daher Einzelzelluntersuchungen mittels der Patch-Clamp-Technik an Spiralganglienzellen und Modellzellen vorgenommen, die über einen Wellenlängenbereich von 420 nm bis 1950 nm mit Laserpulsen von 5 ns Dauer bestrahlt wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die Bestrahlung unterschiedlicher Zelltypen mit Laserlicht sehr ähnliche elektrophysiologische Antworten auslöst. Die laserinduzierten Antworten bestanden beim Ruhemembranpotential aus Einwärtsströmen, die linear abhängig von der Pulsenergie des Laserlichts und des Absorptionskoeffizienten von Wasser waren. Die beobachteten Zellreaktionen stimmen mit der Annahme überein, dass ihnen ein allgemeiner Mechanismus zugrunde liegt, basierend auf der Änderung der Kapazität der Zellmembran durch eine laserinduzierte Temperaturänderung oder einen laserinduzierten Druckpuls.
Für Spiralganglienzellen konnte weiterhin gezeigt werden, dass die optische Stimulation zu einer geringfügigen Depolarisation führte, welche nicht ausreichte, um Aktionspotentiale zu generieren. Da in dieser Studie deutlich höhere Bestrahlungen eingesetzt wurden als in vergleichbaren in-vivo-Untersuchungen, weisen die Ergebnisse darauf hin, dass bei einer Bestrahlung mit Pulsdauern im Nanosekundenbereich die direkte Stimulation der Spiralganglienzellen nicht die hauptsächliche Ursache der optischen Stimulation der Cochlea darstellt. Vielmehr unterstützen die Ergebnisse die Theorie, dass die optische Stimulation der Cochlea für die untersuchten Laserparameter auf einem optoakustischen Effekt beruht, also der Ausbildung von Druckwellen aufgrund der Absorption des Laserpulses in der Cochlea, welche schließlich zur Stimulation von noch intakten inneren Haarzellen führen. Ein optisches Cochlea Implantat könnte damit als Ersatz für zerstörte äußere Haarzellen bzw. deren frequenzselektiver Verstärkung dienen, benötigt aber für seinen Einsatz das Vorhandensein von inneren Haarzellen, wodurch seine Funktion der eines Hörgerätes entspräche. 

abstract (englisch)

For patients suffering from sensorineural hearing loss due to damaged hair cells of the cochlea, a cochlear implant can restore auditory function. It electrically stimulates the spiral ganglion neurons of the auditory nerve, bypassing the no longer functioning hair cells. However, hearing performance is strongly dependent on the ambient conditions. In noisy environments, especially the capability to understand speech deteriorates significantly. This has been partially attributed to the low spatial precision of the electric stimulation since the electric field extends over a large area in tissue. Due to the tonotopy of the cochlea, low spatial specificity corresponds to low frequency selectivity.
In contrast, laser light can stimulate tissue very site-specific promising higher frequency selectivity and thus an improved hearing performance. Therefore, the optical stimulation of the cochlea was investigated in the last years in a number of in vivo experiments. Although the feasibility of the optical stimulation of the cochlea was demonstrated, the stimulation mechanism is still unclear. Although they could provide insight into the mechanism of optical stimulation of the cochlea, in vitro studies concerning the reaction of spiral ganglion neurons to irradiation over a broad wavelength range are yet not available.
Therefore, in this study single cell measurements on spiral ganglion neurons and model cells, which were irradiated over a wavelength range of 420 nm to 1950 nm with laser pulses of 5 ns duration, were performed using the patch clamp technique. It could be demonstrated that irradiation with laser light produces similar electrophysiological responses in different cell types. The laser-induced inward current responses at resting potential were linearly dependent on the pulse energy of the laser light and the absorption coefficient of water. The observed cell responses are consistent with the assumption that they are based on a common underlying mechanism which relies on a change in the capacitance of the cell membrane generated by a laser-induced temperature change or a laser-induced pressure pulse.
Furthermore, for spiral ganglion neurons it could be shown that optical stimulation resulted in a slight depolarization which was not sufficient to generate action potentials. Since in this investigation much higher radiant exposures were used than in comparable in vivo studies, the results indicate that in a stimulation paradigm with nanosecond-pulses, direct stimulation of spiral ganglion neurons is not the main cause of optical cochlea stimulation. The results rather support the theory that the optical stimulation of the cochlea is based on an optoacoustic effect for the investigated laser parameters. Thus, the absorption of the laser pulse in the cochlea would lead to the generation of pressure waves that finally stimulate the still intact inner hair cells. Therefore, an optical cochlear implant may substitute damaged outer hair cells, respectively their frequency selective gain, but requires, similar to conventional hearing aids, the presence of inner hair cells.
 

 

keywords

Cochlea, optoakustisch, Laserstimulation,Cochlea, optoacoustic, laser stimulation 

kb

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