Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchungen zur Plastizität der laminären Dendriten im auditorischen Cortex von akustisch deprivierten sowie chronisch elektrisch intracochleär stimulierten Hauskatzen (Felis domestica)

Rieger, Heike

Cochlear implants (CI) are in the position to achieve hearing sensations up to open speech understanding in patients, whose deafness is caused by a functional loss of hair cells. By directly stimulating the auditory nerve the missing hair cell activity is reconciled. This is the only method for rehabilitating profoundly deaf subjects. In contrast to the rapidly progressing technical improvement of efficient cochlear implants, the investigation into the physiological influences of chronic electric intracochlear stimulation to the central auditory pathway and the auditory cortex is progressing slowly. Therefore more extensive studies on the consequence of acoustic deprivation and chronic stimulation by CI on the neuronal organization of auditory fields are essentially required. These possible effects are examined by means of a descriptive and semiquantitative study of the pattern of dendrites across Laminae I to VI of the anterior, primary and secondary auditory field. To verify indications for a reorganisation and stimulation-depending effects of plasticity is in the centre of attention. To this end, an animal model already established at the ENT department of the Medical School of Hanover was used. Seven cats received a daily subcutaneous injection of the ototoxic aminoglycoside antibiotic Neomycin for a period of 13 to 17 days, starting at the first day of life. The result of the deafening procedure was controlled by brainstem audiometry. In two neonatal deafened cats multichannel electrodes were implanted into the scala tympani of the cochlea bilaterally, in one other animal unilaterally at the age of 11 to 12 weeks. Subsequently, these cats were stimulated with environmental sounds by the “continuous interleaved sampling” strategy over a period of 84 to 112 days 2 dB above hearing threshold. Six normal hearing cats made up the control group. All animals were transcardially perfused under general anaesthesia and the brains were removed. After application of 500 to 800 mm large crystals of the carbocyanine fluorescent dye DiI onto the anterior, primary and secondary auditory field of the right and left cortex, the examinated tissue was incubated in parafomaldehyde for 120 days at 37 °C in absence of light. Following cutting 70 mm thick sections by a vibratome 30 counting areas (5 sections each with 6 areas) with dimensions of 60 to 60 mm were examined in the laminae I to VI from each of the studied auditory fields of both cerebral hemispheres. All dendrites, which laid totally or partially inside these counting areas were counted. Counted dendrites were classified as horizontal, diagonal or vertical by their course in relation to the cortical surface. For statistical evaluation the Goodness-of-fit test and a one-way test of variance with a 95 % level of significance were performed. At the same time a paired data comparison by post hoc test of Bonferroni was carried out. All relevant data sheets were extracted and interpreted. In individual cases it had been necessary to switch to the Kruskal-Wallis test with adjacent post hoc test of Dunn. The evaluation of the diagonal dendrites, which were summarized to merely two data sheets, was performed after testing normal distribution by a t-test with independent variables. In the normal hearing control group a different system across the six cortical layers for the horizontal as well as for the diagonal and vertical dendrites could be recognized. These patterns were also present in the deafened and the stimulated group. On closer examination of the vertical dendrites indications for a reorganisation could be verified. Inside lamina II of the primary auditory field a loss of significant dominance of lamina III by an increase of the percentage of vertical dendrites could be observed. In the group of the chronic electric intracochlear stimulated cats the differences to the normally hearing cats were even greater. In case of the vertical dendrites an increase could be seen inside lamina II of all three auditory fields and inside lamina IV of the anterior auditory field. This caused a loss of significant dominance of lamina III. Additional the horizontal dendrites inside laminae II, V and VI of the secondary auditory field increased causing a loss of dominance of lamina I. This has to be considered as a clear indication of plasticity. These results showed a plasticity of the system of dendrites across the six laminae in the auditory cortex after pharmacologically induced cochlear damage and chronic electrical intracochlear stimulation.

Cochlea-Implantate (CI) sind in der Lage Menschen, deren Taubheit auf einem Funktionsverlust der Haarzellen beruht, durch eine direkte elektrische Stimulation des Hörnerven zu Hörsensationen bis hin zum offenen Sprachverständnis zu verhelfen. Sie bieten damit bei vollständig ertaubten Patienten die einzige Möglichkeit der Rehabilitation. Im Gegensatz zum rapide voranschreitenden technischen Fortschritt in der Entwicklung leistungsfähigerer Innenohrprothesen, schreiten die physiologischen Untersuchungen der Einflüsse einer chronischen elektrischen intracochleären Stimulation auf die Strukturen der Hörrinde nur langsam voran. Weitergehende Untersuchungen über die Auswirkung einer akustischen Deprivation und einer Stimulation mittels CI auf die neuronale Organisation im auditorischen Cortex sind daher dringend erforderlich. Diese Auswirkungen werden in der vorliegenden Studie anhand einer Auswertung der Dendritenverläufe in den Laminae I bis VI des anterioren (AAF), primären (AI) und sekundären (AII) auditorischen Feldes dargestellt. Die Fragestellung dieser Arbeit lautet, inwieweit es bei einer neonatalen Ertaubung sowie einer anschließenden chronischen elektrischen intracochleären Stimulation zu plastischen Veränderungen in den auditorischen Subarealen kommt. Sieben Katzen wurden für diese Studie durch eine tägliche subcutane Injektion des ototoxischen Aminoglycosid-Antibiotikums Neomycin ertaubt. Der Erfolg der Ertaubung wurde mittels Hirnstammaudiometrie nach akustischer Stimulation (Click-Reiz, 100 dB SPL) kontrolliert. Zwei der neonatal ertaubten Tiere wurden im Alter von 11 bis 12 Wochen bilateral, ein weiteres Tier unilateral mit humanen Cochlea-Implantaten versorgt. Über einen Zeitraum von 84 bis 112 Tagen erfolgte eine tägliche mindestens vierstündige Stimulation der Tiere nach der „continuous interleaved sampling“-Strategie 2 dB über der individuellen Hörschwelle. Als Kontrollgruppe dienten 6 normal hörende Tiere. Alle Versuchstiere wurden in Allgemeinanästhesie transcardial perfundiert und der auditorische Cortex präpariert. Nach Applikation von 500 bis 800 mm großen Kristallen des Carbocyanin-Fluoreszenzfarbstoffs DiI auf das AAF, AI und AII beider Hemisphären wurden die Gewebe für 120 Tage in 4 %igem Paraformaldehyd bei 37 °C und Dunkelheit inkubiert. Im Anschluss an die Anfertigung von 70 mm dicken Vibratomschnitten wurden für jedes der Subareale in der Lamina I bis VI jeweils 30 Zählfelder (je 6 in 5 Schnitten) mit einer Größe von 60 x 60 mm betrachtet. Gezählt wurden alle Dendriten, welche ganz oder partiell innerhalb des Zählareals lagen. Diese wurden nach ihrer relativ zur Cortexoberfläche gesehenen Verlaufsrichtung als horizontal, diagonal oder vertikal ziehend eingeordnet. Die statistische Auswertung erfolgte nach Überprüfung auf Normalverteilung mittels one-way ANOVA mit einem Signifikanzniveau von 95 %. Anschließend erfolgte mittels Post Hoc Test nach Bonferroni ein paarweiser Datenvergleich. In Einzelfällen wurde auf den Kruskal-Wallis-Test mit anschließendem Post Hoc Test nach Dunn ausgewichen. Die Auswertung der Ergebnisse der diagonalen Datenverläufe erfolgte nach Prüfung auf Normalverteilung mittels t-Test mit unabhängigen Variablen. Bei der hörenden Kontrollgruppe konnte sowohl für die horizontal und diagonal als auch für die vertikal verlaufenden Dendriten eine voneinander differierende Systematik über die sechs Cortexschichten beobachtet werden. Diese Systematiken waren prinzipiell auch in der neonatal ertaubten sowie der chronisch elektrisch intracochleär stimulierten Versuchsgruppe vorhanden. Es zeigten sich jedoch für die ertaubte Tiergruppe bei Betrachtung der vertikalen Dendritenverläufe im AI Hinweise auf eine stattgefundene Plastizität. Im Verhältnis zur Lamina II trat ein durch einen Anstieg des prozentualen Anteils der vertikal ziehenden Dendriten in dieser Schicht ausgelöster Verlust der signifikant dominierenden Rolle der Lamina III auf. In der Gruppe der stimulierten Tiere zeigten sich im Vergleich zur ertaubten Versuchsgruppe stärker ausgeprägte Unterschiede zur hörenden Kontrollgruppe. In Bezug auf die vertikal ziehenden Dendriten kam es in der Lamina II aller drei auditorischen Felder sowie in der Lamina IV des AAF zu einem einem Verlust der signifikanten Dominanz der Lamina III. Zusätzlich traten bei den horizontalen Dendritenverläufen in den Laminae II, V und VI im AII ebenfalls ein Dominanzverlust der Lamina I auf. Auch hierbei handelt es sich um deutliche, auf eine plastische Veränderung hindeutende, Abweichungen zur Kontrollgruppe. Mit dieser Studie konnte auf Ebene des auditorischen Cortex eine plastische Veränderung der Dendritensystematik über die Laminae I bis VI nach pharmakologisch induzierter Cochlea-schädigung sowie nachgeschalteter chronischer elektrischer intracochleärer Stimulation nach-gewiesen werden. Aufgrund der Parallelen zwischen dem Hörsystemen von Mensch und Katze (FULLERTON et al. 1987; ONG und GAREY 1990) ist eine Übertragung der Versuchsergebnisse auf den Menschen möglich. Inwieweit die hier gezeigten histo-morphologischen Veränderungen an eine Funktionsänderung des auditorischen Cortex gekoppelt sind, bedarf weiterer Untersuchungen.

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Rieger, Heike: Untersuchungen zur Plastizität der laminären Dendriten im auditorischen Cortex von akustisch deprivierten sowie chronisch elektrisch intracochleär stimulierten Hauskatzen (Felis domestica). Hannover 2004. Tierärztliche Hochschule.

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