Streifen mit MicroLEDs in vergrößerter Ansicht

Cochlea-Implantate mit Licht

Cochlea-Implantate übernehmen die Aufgabe des Innenohrs, damit viele stark schwerhörige oder sogar taube Menschen wieder Töne wahrnehmen können. Für unseren Podcast sprach Lisa Leander mit Tobias Moser von der Universitätsmedizin Göttingen, der an neuen Implantaten forscht, die die Nervenzellen mit Licht statt wie bisher mit Strom reizen. Hier finden Sie den Beitrag zum Nachlesen.

Grafik der menschlichen HörschneckeDas Innenohr
Hören und die Aufgabe des Innenohrs

Damit wir Töne hören können, müssen Schallwellen, also Druckwellen in der Luft, in elektrische Signale umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt unser Innenohr, auch Cochlea oder Hörschnecke genannt. Wenn ein Schallsignal dort ankommt, beginnt die Flüssigkeit im Innenohr zu schwingen und mit ihr die Haarzellen, die den Reiz umwandeln und über den Hörnerv an das Gehirn leiten. Doch wenn die Haarzellen zerstört wurden – zum Beispiel durch Lärm – oder schon von Geburt an fehlen, verliert der Mensch sein Hörvermögen. Einigen Patienten, die deswegen stark schwerhörig oder taub sind, können Mediziner mit einem Cochlea-Implantat helfen. Zu dem Implantat gehört ein Sprachprozessor, den der Patient hinter dem Ohr trägt. Er nimmt den Schall über ein Mikrofon auf und wandelt die Information direkt in elektrische Signale um. 

„Dann gibt es den inneren Teil, das wirkliche Implantat, das im Knochen hinter dem Ohr sitzt und dessen Elektrode direkt in die Hörschnecke eingebracht wird. Der äußere Teil, also der Sprachprozessor, überträgt Signal und Energie über eine Induktionsspule auf das Cochlea-Implantat, und von dort werden die einzelnen Nervenzellen in der Hörschnecke angesprochen und mit kurzen Stromimpulsen gereizt.“

Grafik  mit Cochlea-Implantat am menschlichen OhrHören mit CI
Hören mit Cochlea-Implantat

So erklärt Tobias Moser, Leiter des Innenohr-Labors der Universitätsmedizin Göttingen, die Funktionsweise. Mit dem Implantat und einem intensiven Hörtraining erlangen die Patienten meist einen so guten Höreindruck, dass sie sich im Alltag zurechtfinden und mit ihren Mitmenschen unterhalten können. Da die Sinneszellen für hohe Frequenzen am Eingang des Innenohrs liegen und für tiefe Frequenzen weiter innen, verfügt die Elektrode des Implantats über mehrere Kanäle, die die Zellen an der entsprechenden Stelle reizen – je nachdem, ob der Patient einen hohen oder tiefen Ton hören soll.

„Eins der großen Probleme der eigentlich sehr erfolgreichen elektrischen Cochlea- Implantate ist, dass sich der Strom sehr weit ausbreitet in diesem mit Elektrolyt gefüllten Innenraum der Hörschnecke. Das heißt also, es ist eigentlich nicht möglich, viele Frequenzbänder zeitgleich in der Cochlea anzuregen, weil ein Übersprechen von Kontakt zu Kontakt passiert.“

Das Implantat ist rund, flach und mehrer Zentimeter lang, es besteht aus Metall und Kunststoff. Es hat zwei lange Fortsätze, an einem davon sind die Kanäle als kleine Metallplättchen zu erkennen, die mit etwas Abstand nebeneinander sitzen.
Cochlea-Implantat mit mehreren Kanälen

Um das Problem zu umgehen, arbeiten Forscher daran, die Nervenzellen nicht mit Strom, sondern mit Lichtpulsen anzuregen.

„Da gibt es zwei prinzipielle Wege: Der eine ist schon etwas länger bekannt und betrifft die infrarote Reizung von Nervenzellen. Da hat man inzwischen herausgefunden, dass es offensichtlich ein optothermischer Effekt ist, der sich im Wesentlichen über die Zusammensetzung der Oberflächenladung der Membran ereignet.“

Die Wärme, die durch das Infrarotlicht übertragen wird, löst also eine chemische Reaktion an der Membran der Zelle aus, durch die letztlich ein Nervenreiz entsteht. Doch diese Technik verbraucht zurzeit noch deutlich mehr Energie als die elektrischen Implantate. Moser und seine Kollegen haben deshalb den anderen Weg gewählt: Sie arbeiten an Implantaten mit optischem Licht. Normalerweise reagieren menschliche Nervenzellen nicht auf Wellenlängen in diesem Spektralbereich. Die Forscher verwenden deshalb eine Methode aus der Optogenetik, mit der es bereits gelang, geschädigte Zellen in der Netzhaut des menschlichen Auges zu reparieren. Sie bringen dafür Gene von lichtempfindlichen Algen in die schadhaften Zellen ein, indem sie das Erbgut in ungefährliche Viren verpacken.

„In der Cochlea muss man sich das so vorstellen, dass Viren entweder über das Mittelohr einbracht werden und dort über ein Reservoir in die Hörschnecke hinein diffundieren. Die andere Möglichkeit ist, dass man wie beim Auge auch eine Injektion in das Innenohr vornimmt, sodass die Viren sich dort ausbreiten und in die Nervenzellen eindringen.“

Auf einer Art Folie sind Metallplättchen und LEDs aufgebracht, eine davon leuchtet hell auf, weil zwei Metallspitzen sie mit Strom anschließen.
Leuchtende Dünnschicht-LEDs

Aufgrund der genetischen Manipulation ist dieses Verfahren zwar aufwendiger als die Reizung mit Infrarotlicht. Doch mithilfe der Algengene lässt sich eine deutlich höhere Empfindlichkeit der Sinneszellen erreichen. Das optische Licht, mit dem hierbei ein Reiz ausgelöst wird, liefern vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik entwickelte Dünnschicht-Leuchtdioden. Diese Dioden sind extrem flach und besitzen eine starke Leuchtkraft.

„Wir waren sehr glücklich, dass wir die Kollegen am Fraunhofer-Institut kennengelernt haben, die Erfahrung mit der Entwicklung von Dünnschicht-LEDs oder Galliumnitrid-LEDs haben. Wir können nun tatsächlich Implantate erhalten, die die richtigen Dimensionen – also nicht größer als etwa 100 Mikrometer – haben und vor allem auf einem flexiblen Träger verankert sind.“

Damit der Patient Töne in möglichst vielen Frequenzen wahrnehmen kann, muss eine ganze Reihe von Dioden auf dem Träger in der Hörschnecke sitzen. 

„Momentan arbeiten die Kollegen an einem Prototyp, in dem fünf LEDs einzeln ansteuerbar sein sollen, sodass wir zunächst im Tiermodell die örtlich getrennte Anregung nachweisen oder überprüfen können. Dann in der Zukunft, und da ist weitere Technologieentwicklung notwendig, wünschen wir natürlich, dass wir ein Implantat haben, das diese Funktionalität auf viele LEDs in der Cochlea überträgt.“

Vergrößerte Aufnahme eines Streifens mit LEDs. Zwei davon sind unter Strom gesetzt und leuchten violett auf. Ein eingezeichneter Maßstab zeigt an, dass sie kaum mehr als 200 Mikrometer breit snd.
Größe der Dünnschicht-LEDs

Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Energieverbrauch. Ein Cochlea-Implantat wird über eine Batterie gespeist, die mindestens acht Stunden halten sollte. Obwohl die Dünnschicht-LEDs stromsparender arbeiten als Lösungen mit Infrarotlicht, muss das fertige Implantat auch die Effizienz der bisherigen Geräte erreichen.

„Es ist schon extrem schwer, die Sachen zu vergleichen, denn wir werden mit einer deutlich geringeren Rate die Nervenzellen stimulieren, als es zurzeit elektrisch passiert. Elektrisch verwendet man Reizraten im Bereich von Kilohertz und wir hoffen, dass wir in den Bereich von etwa 200 bis 300 Hertz Nervenzellstimulation kommen. Da liegt eine Größenordnung dazwischen, mit der wir den jetzt vielleicht noch größeren Energieverbrauch pro Puls in unserem Verfahren gegenüber der elektrischen Stimulation wettmachen können. Ich glaube, wir müssen diese Kenngrößen im Auge behalten. Wenn wir dann zu Mehrkanalstimulationen kommen, gilt es, immer wieder zu berechnen, wie viel Strom tatsächlich reingeht im Vergleich zum elektrischen Implantat.“

Ein Patient mit Cochlea-Implantat am rechten Ohr sitzt einer Frau gegenüber, die einen kleinen Schirm vor ihre Lippen hält und mit dem Patienten spricht.
Hörtraining mit Cochlea-Implantat

Mittlerweile konnten die Forscher an Mäusen zeigen, dass sie mit ihrer Technik eine Hörempfindung auslösen können. Als nächstes werden sie den ersten Prototyp eines Implantats einsetzen. Dabei wollen sie unter anderem testen, ob sich das Licht der LEDs genügend fokussieren lässt, um die Nervenzellen gezielt anzuregen. Außerdem müssen Moser und seine Kollegen zeigen, dass sich die Viren über viele Monate hinweg nicht unerwünscht ausbreiten und dass die Nervenzellen trotz Genveränderung genauso lange leben wie bisher. Daher wird es noch einige Jahre dauern, bis die Wissenschaftler mit klinischen Studien am Menschen beginnen können. Am Ende soll ein verbessertes Implantat für klareres Hören stehen.

„Die Erfahrung sagt, dass man nicht mehr als vier bis acht Frequenzkanäle in solch einem Implantat wirklich benutzen kann. Wir träumen davon, dass es Dutzende von voneinander unabhängigen Frequenzkanälen in einem optogenetischen Implantat sein können. Ich denke, für den einzelnen Patienten könnte es insbesondere ein Gewinn für das Sprachverständnis im Störschall sein und andersherum – auch für viele Leute wichtig – vielleicht eine bessere Musikwahrnehmung ermöglichen als mit den derzeitigen elektrischen Implantaten.“