Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Investigation of novel auditory implants of the inferior colliculus

Calixto, Roger

The most successful neuroprosthetic to date is the cochlear implant (CI), with over 150,000 implants worldwide as of 2010. However, there are cases in which cochlear implantation is not possible (malformation of the cochlea, trauma to the auditory nerve or cochlea, etc ). In these cases the only alternative is a brain implant. For this purpose the auditory midbrain implant (AMI) was developed, targeting the inferior colliculus central nucleus (ICC) for stimulation. Although these patients receive daily benefits from their implants (spatial awareness, enhanced speech understanding, etc.), they have yet to achieve speech performance levels comparable to CI. To address this issue I investigated, in animal models, possible modifications to the implant that might improve patient performance. In the first study we looked at location effects and the effect of different pulse durations on cortical activity. We concluded that there are different regions of the ICC that present different functional capabilities and this suggests the need for much more complex stimulation paradigms for the AMI. Therefore we decided to investigate a double shank implant and evaluate the benefit of stimulating a frequency region from multiple locations. During this second study we discovered that the cortical response to stimulation of multiple regions was essentially the same as stimulation of the same region repeatedly. Consequently this information must be converging in the collicular-cortical pathway. Furthermore we discovered an enhancement of cortical activity if stimuli are presented within 6ms (or less) of each other. Finally I investigated the effect of reducing the electrode size. I found that smaller electrodes did not have a reduced threshold which leads to a reduced “safe” dynamic range. However, there appears to be a distinct mechanism of action for smaller sites that suggests they may elicit different percepts. If this were the case then high density electrodes (hundreds of sites) may present benefits over current technologies, even with the reduced dynamic range due to high current densities.

Im Jahre 2010 ist das Cochleaimplantat (CI) bei weltweit über 150.000 implantierten Patienten die erfolgreichste neuronale Prothese. Es gibt jedoch Fälle, bei denen eine Cochleaimplantation nicht möglich ist (z.B. durch eine Verformung der Cochlea oder Verletzung des Hörnervs oder der Cochlea). Die einzige Alternative ist in diesem Fall ein Hirnimplantat. Aus diesem Grund wurde das auditorische Mittelhirnimplantat (AMI) entwickelt, welches den zentralen Kern des Colliculus Inferiores (ICC) als Stimulationsort nutzt. Obwohl Patienten im Alltag schon von diesem Implantat profitieren können (räumliche Wahrnehmung, verbessertes Sprachverständnis usw.), reichen ihre Ergebnisse bisher nicht an jene von CI Trägern heran. Um diesem Problem auf den Grund zu gehen habe ich in Tierversuchen mögliche Änderungen am Implantat untersucht, welche die Ergebnisse für die Patienten verbessern könnten. In der ersten Studie haben wir die Effekte des Stimulationsortes und der Pulsbreite auf die kortikale Aktivität hin betrachtet. Infolgedessen fanden wir in verschiedene Regionen des ICC verschiedene funktionale Fähigkeiten, was die Notwendigkeit komplexerer Stimulationsmuster für das AMI nahelegt. Wir haben uns daher zur Untersuchung eines doppelschenkligen AMI entschieden um den Nutzen der Stimulation an verschiedenen Orten einer Frequenzregion abschätzen zu können. Während dieser zweiten Studie fanden wir heraus, dass die kortikale Antwort auf Stimulation mehrerer Regionen im Wesentlichen denen einer wiederholten Stimulation immer der gleichen Region entspricht. Als Schlussfolgerung müssen die Informationen auf der colliculär-kortikalen Bahn konvergieren. Des Weiteren fanden wir erhöhte kortikale Aktivität, wenn die verwendeten Pulse einen Abstand von 6 ms (oder weniger) von einander hatten. Als letzten Schritt untersuchte ich den Einfluss einer reduzierten Elektrodenfläche. Ich erfuhr, dass kleinere Elektroden keine Reduktion der Schwellwerte hervorrufen, was einen verringerten „sicheren“ Dynamikbereich mit sich führt. Jedoch scheint es als gäbe es für kleinere Stimulationsflächen ausgeprägte Aktionsmechanismen, was unterschiedliche Empfindungen auslösen könnte. Wäre dies der Fall, könnte eine hohe Elektrodendichte (hunderte von Stimulationsorten) trotz eines verringerten Dynamikbereichs durch hohe Stromdichte einen Vorteil gegenüber gängigen Techniken darstellen.

Zitieren

Zitierform:

Calixto, Roger: Investigation of novel auditory implants of the inferior colliculus. Hannover 2011. Tierärztliche Hochschule.

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export