Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Vergleichende Untersuchungen der Hörbahn nach akustischer und elektrischer Stimulation durch ein Mittelhirnimplantat bei der Katze

Marquardt, Nadine

With the midbrain electrode (AMI) an implant was developed to enable electrical stimulation of the auditory pathway central to the auditory nerve. The inferior colliculus (IC) was chosen as the site of implantation due to its tonotopic organization and central position. The aim of this study was to investigate the midbrain electrode concerning its possible field of application and its potential risks as an implant in the central auditory pathway. The acoustically and electrically evoked potentials were measured and analysed on the basis of different parameters, such as latency, inter-peak-latency and amplitude. After acoustical stimulation early auditory evoked potentials (EAEPs) could be recorded with subcutaneously placed needle electrodes at the skull. The latencies, inter-peak-latencies and amplitudes were evaluated in dependence of stimulus level and time of measurement. No influence in regard to the implantation of the midbrain electrode into the IC and only a minor influence of different anaesthesia conditions could be established. The latencies showed a decrease with increasing stimulus level, the amplitudes an increase. After implantation of the midbrain electrode into the IC, acoustically evoked potentials, PI-PV, could be measured. The acoustical stimulation was carried out using different frequencies in the range of 1-16 kHz. No frequency-specific dependence of the latencies, inter-peak-latencies and amplitudes could be determined. Nine acoustically evoked potentials could be recorded at the auditory cortex, PI-PV, A, B, P0, Pa. The latencies showed no frequency dependence.  The investigation of the cortical potentials after acoustical stimulation with regard to amplitude reflected the tonotopic organization of the auditory cortex. Analogous results in terms of tonotopic structure of the auditory pathway were made after electrical stimulation with regard to the site of stimulation in the IC. Four Potentials, A, B, P0, and Pa, could be recorded during electrical stimulation in the IC. These potentials were investigated in dependence of stimulus intensity and pulse width. For both parameters the latencies showed a decrease with increased stimulus intensity and pulse width, respectively. The amplitudes of the electrically evoked potentials increased with increased stimulus intensity. The comparison of the acoustically and electrically evoked potentials was carried out under identical conditions in terms of localization and type of electrodes. The potentials A, B, P0 and Pa could be measured cortically after acoustical as well as electrical stimulation in the IC. It is possible to evoke potentials with electrical stimulation in the IC that show strong similarity in terms of latency and morphology with potentials evoked by acoustical stimulation. The comparability of the parameters investigated shows that the acoustically and electrically evoked potentials A, B, P0 and Pa represent similar mechanisms of processing within the central auditory pathway. Deficits in motor skills, neurological deficits or pain reactions were not observed at any time after implantation of the midbrain electrode during the ongoing experiment of chronically investigated cats. Impedance of the midbrain electrode was measured at regular intervals throughout the course of the investigation. At different times during the experiment radiographic images were obtained in several cats in order to control the position of the midbrain electrode in the IC. No change in position of the electrode was found. Due to the similarities between the auditory system of humans and cats it is possible to transfer findings of this investigation towards humans. No risks associated with implantation of the midbrain electrode or with acute or chronic stimulation could be detected in this study.

Mit der Mittelhirnelektrode (AMI) wurde ein Implantat entwickelt, dass die elektrische Stimulation der Hörbahn zentral des Hörnervs ermöglicht. Aufgrund seiner tonotopen Organisation und seiner zentralen Stellung im Bereich der Hörbahn wurde der Colliculus inferior (IC) als Implantationsort gewählt. Ziel dieser Studie war es, diese Mittelhirnelektrode hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten und Risiken als Implantat im Bereich der zentralen Hörbahn zu untersuchen. Dazu wurden akustisch und elektrisch evozierte Potentiale gemessen und anhand verschiedener Parameter wie Latenz, Interpotentiallatenz und Amplitude analysiert. Nach akustischer Stimulation konnten FAEPs über subcutan am Schädel befindliche Nadelelektroden abgeleitet werden. Die Latenzen, Interpotentiallatenzen und Amplituden wurden in Abhängigkeit vom Schalldruckpegel und vom Messzeitpunkt untersucht. Dabei konnte kein Einfluss der Implantation der Mittelhirnelektrode in den Colliculus inferior (IC) und nur eine geringer Einfluss unterschiedlicher Narkosebedingungen auf die abgeleiteten Potentiale festgestellt werden. Die Latenzen zeigten eine Abnahme mit ansteigendem Schalldruckpegel, die Amplituden eine Zunahme. Nach der Implantation der Mittelhirnelektrode konnten im IC akustisch evozierte Potentiale, P I – P-V, gemessen werden. Die akustische Stimulation erfolgte mit unterschiedlichen Frequenzen im Bereich von 1-16 kHz. Es wurde keine frequenzspezifische Abhängigkeit der Latenzen, Interpotentiallatenzen und Amplituden festgestellt. Am auditorischen Cortex konnten nach akustischer Stimulation neun Potentiale abgeleitet werden, P I – P V, A, B, P0, Pa. Die Latenzen zeigten keinen frequenzabhängigen Einfluss. Die Untersuchung der corticalen Potentiale nach akustischer Stimulation bezüglich der Amplitudenhöhe spiegelte die tonotope Organisation des auditorischen Cortex wieder. Analoge Ergebnisse hinsichtlich der tonotopen Struktur der Hörbahn konnten nach elektrischer Stimulation in Abhängigkeit vom Stimulationsort im IC gezeigt werden. Bei Potentialmessungen nach elektrischer Stimulation im IC konnten cortical vier Potentiale, A, B, P0, Pa abgeleitet werden. Die Potentiale wurden in Abhängigkeit von der Stromstärke und der Pulsbreite des Stimulus untersucht. Für beide Parameter ergaben sich Latenzabnahmen mit zunehmender Stromstärke bzw. Pulsbreite. Die Amplituden der elektrisch evozierten Potentiale vergrößerten sich mit ansteigender Stromstärke. Der Vergleich der akustisch und elektrisch evozierten Potentiale erfolgte bei identischen Ableitbedingungen. Die Potentiale A, B, P0 und Pa konnten sowohl nach akustischer Stimulation als auch nach elektrischer Stimulation im IC cortical gemessen werden. Mittels elektrischer Stimulation ist es möglich Potentiale im IC hervorzurufen, die mit annährend gleicher Latenz und Morphologie ebenso bei akustischer Stimulation auftreten. Die Vergleichbarkeit der untersuchten Parameter zeigt, dass die akustisch und elektrisch evozierten Potentiale A, B, P0 und Pa ähnliche Verarbeitungsprozesse innerhalb der zentralen Hörbahn repräsentieren. In den chronischen Experimenten konnten zu keinem Zeitpunkt nach der Implantation der Mittelhirnelektrode motorische bzw. neurologische Ausfallerscheinungen oder Schmerzreaktionen bei den Katzen festgestellt werden. Über die gesamte Versuchsdauer wurden regelmäßig die Impedanzen der Mittelhirnelektrode ermittelt. In Röntgenuntersuchungen wurde zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Versuch bei mehreren Tieren die Position der Mittelhirnelektrode im IC kontrolliert. Dabei konnte keine Veränderung in der Lage der Elektrode im IC festgestellt werden. Aufgrund der Parallelen zwischen dem auditorischen System von Mensch und Katze ist eine Übertragung der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit auf den Menschen möglich. In dieser Arbeit konnten keine Risiken aufgezeigt werden, die mit der Implantation der Mittelhirnelektrode oder mit der akuten bzw. chronischen Stimulation in Zusammenhang stehen.

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Marquardt, Nadine: Vergleichende Untersuchungen der Hörbahn nach akustischer und elektrischer Stimulation durch ein Mittelhirnimplantat bei der Katze. Hannover 2006. Tierärztliche Hochschule.

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