France

Hörprothesen Chochlea-Implantat bringt Licht ins Ohr

Quelle: Pressemitteilung Max-Planck-Gesellschaft

Anbieter zum Thema

Optische Cochlea-Implantate sollen Menschen mit Hörproblemen neue Klangwelten zugänglich machen. Die Schallinformation wird dabei nicht elektrisch, sondern durch Licht übertragen. Sprache und Musik könnten so natürlicher und nuancenreicher übertragen werden.

Ein optogenetisches Cochlea-Implantat übersetzt akustische Reize in Lichtpulse. Feine lichtleitende Fasern (blau) leiten die Pulse ins Innenohr: hohe Töne an die Basis, tiefere Töne weiter an die Spitze der Hörschnecke. Mit molekularen Lichtsensoren ausgestattete Nervenzellen des Hörnervs wandeln die Lichtpulse in elektrische Signale um und leiten sie zur weiteren Verarbeitung ins Gehirn.
Ein optogenetisches Cochlea-Implantat übersetzt akustische Reize in Lichtpulse. Feine lichtleitende Fasern (blau) leiten die Pulse ins Innenohr: hohe Töne an die Basis, tiefere Töne weiter an die Spitze der Hörschnecke. Mit molekularen Lichtsensoren ausgestattete Nervenzellen des Hörnervs wandeln die Lichtpulse in elektrische Signale um und leiten sie zur weiteren Verarbeitung ins Gehirn.
(Bild: GCO nach Moser/ Institute for Auditory Neuroscience)

Im Freundeskreis diskutieren, ein Konzert genießen, bei Straßenlärm telefonieren – Menschen mit Hörproblemen bleiben alltägliche Höreindrücke oft verwehrt. In Deutschland leben rund 16 Millionen schwerhörige und 80.000 gehörlose Menschen. Etwa zwei von tausend Kindern werden mit einer bislang noch unheilbaren Hörstörung geboren, weitere werden in den ersten Lebensjahren schwerhörig.

Cochlea-Implantate sind Hörprothesen. Sie werden nicht nur taub geborenen Kindern, sondern zunehmend auch schwersthörigen Erwachsenen eingesetzt. Die Implantate übernehmen die Funktion der Hörschnecke und umgehen die Sinneszellen. Sie reizen die Nervenzellen des Hörnervs also direkt. Bei der Implantation werden ein Elektrodenträger mit – je nach Modell – 12 bis 24 Elektroden in die Hörschnecke geschoben und ein elektrischer Stimulator nebst Empfangsspule und Magnetkopplung hinter der Ohrmuschel im Schädelknochen platziert. Ein daran gekoppelter Sprachprozessor zerlegt Schall in seine Frequenzen und überträgt die Frequenz-, Zeit- und Lautstärkeinformation an den Stimulator. Nach dem Einsetzen elektrischer Cochlea-Implantate müssen die Patienten das Hören wieder neu lernen, denn die geringe Anzahl an Elektroden schränkt die Wahrnehmung unterschiedlicher Tonhöhen stark ein.

„Am Anfang sprechen viele Patienten von einem rauschigen und metallischen Klang. Sprache ist häufig schwer oder gar nicht zu verstehen“, beschreibt Tobias Moser, Neurowissenschaftler, Hals-Nasen-Ohren-Arzt und Leiter einer Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften in Göttingen und des Instituts für Auditorische Neurowissenschaften der Universitätsmedizin Göttingen. Besonders Berufsmusiker verzweifeln an der Situation.

Optische Cochlea-Implantate übertragen Schall durch Licht

Die Hoffnung des Wissenschaftlers ruht deshalb auf so genannten optischen Cochlea-Implantaten, an denen Mosers Team seit 2007 forscht. Die Idee: Die Schallinformation wird nicht elektrisch, sondern durch Licht übertragen. Wenn es funktioniert, wäre das ein Meilenstein. Der Klang von Sprache und Musik könnte dadurch sehr viel natürlicher und nuancenreicher werden.

Wie beim herkömmlichen elektrischen Cochlea-Implantat wird der Schall in Frequenzbänder zerlegt, nun aber in viel mehr und feinere: 64 den Frequenzbändern zugeordnete Lichtleiter leiten Licht ins Innenohr – hohe Frequenzen an die Basis der Cochlea, niedrige immer weiter die Windungen der Schnecke entlang bis zu deren Spitze. „Das Gehirn weiß, dass aktive Nervenzellen an der Basis der Cochlea hohe Töne bedeuten, aktive Zellen am Ende für ein tiefes Brummen stehen. Wir müssen also nur dafür sorgen, dass die Lichtleiter zu den richtigen Stellen an der Cochlea führen und die zum Ton passenden Nervenzellen aktivieren“, erklärt Moser. Die Implantate vermitteln so selbst dann einen Höreindruck, wenn keine Sinneszellen mehr intakt sind.

Lichtempfindliche Ionenkanäle in Grünalgen bilden die Basis

Den Grundstein dieser Technik haben Forschende in den 1970er-Jahren am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried gelegt. Dieter Oesterhelt und sein Team haben damals in der Zellmembran von Bakterien Ionenpumpen entdeckt, die von Licht aktiviert werden. Um die Jahrtausendwende fanden Peter Hegemann von der Universität Regensburg (heute: Humboldt-Universität zu Berlin) gemeinsam mit Georg Nagel (jetzt: Universität Würzburg) und Ernst Bamberg am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt lichtempfindliche Ionenkanäle in Grünalgen. Diese Kanäle bilden die Basis für das neue Forschungsfeld der Optogenetik, das Wissenschaftlern dabei hilft, die Funktionsweise von Zellen und Organen zu entschlüsseln. Insbesondere die Neurowissenschaften nutzen die Optogenetik.

Damit eine Zelle des Hörnervs Lichtpulse wahrnehmen und die darin steckende Information über einen Höreindruck weitergeben kann, wird sie gentechnisch so verändert, dass sie lichtempfindliche Ionenkanäle produziert und in ihre Zellmembran einbaut. Die Kanäle lassen elektrisch geladene Atome hindurchströmen, wenn sie belichtet werden. Die einfließenden Ionen führen zur Bildung eines elektrischen Signals, das die Nervenzelle ins Gehirn weiterleitet.
Damit eine Zelle des Hörnervs Lichtpulse wahrnehmen und die darin steckende Information über einen Höreindruck weitergeben kann, wird sie gentechnisch so verändert, dass sie lichtempfindliche Ionenkanäle produziert und in ihre Zellmembran einbaut. Die Kanäle lassen elektrisch geladene Atome hindurchströmen, wenn sie belichtet werden. Die einfließenden Ionen führen zur Bildung eines elektrischen Signals, das die Nervenzelle ins Gehirn weiterleitet.
(Bild: GCO nach Moser/ Institute for Auditory Neuroscience)

Nervenzellen sind außerhalb des Auges lichtunempfindlich. Damit man sie mit Licht aktivieren kann, müssen die Zellen erst einmal mit einem entsprechenden Sensor ausgestattet werden. Dazu dienen die ursprünglich aus Algenzellen stammenden, lichtempfindlichen Ionenkanäle. Zunächst bringen die Forscher den genetischen Bauplan dieser Proteine mittels Gentherapie in die Nervenzellen des Hörnervs ein. Als Genfähre dienen harmlose, vermehrungsunfähige Viren, welche ausschließlich an die Nervenzellen im Hörnerv binden und das Gen für das Kanalprotein im Zellkern der Nervenzelle platzieren. Die Nervenzellen bauen den Lichtsensor dann in ihre Membran ein. Sobald er Licht erhält, öffnet er seine Schleusen, Ionen strömen ein, und die Zelle wird elektrisch aktiv.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

Computer- und Tierversuche zeigen vielversprechende Ergebnisse

Erste Tests mit Computersimulationen und Nagetieren zeigen, dass die Technik funktioniert. Für schwache und mittlere Lautstärken ist die Unterscheidung von Tonhöhen vom normalen Hören kaum zu unterscheiden. Mosers Team will die neuen Implantate nun am Göttinger Primatenzentrum an Weißbüschelaffen testen. Die Tiere sind echte Plaudertaschen und in dieser Hinsicht dem Menschen sehr ähnlich. Die Forschenden machen sich das zunutze, indem sie den Affen aus einem Lautsprecher derzeit Rufe vorspielen, die nur so viele Frequenzen besitzen wie ein optisches Cochlea-Implantat. „Die Tiere erkennen die Rufe trotz der wenigen Frequenzen und antworten darauf. Das lässt darauf schließen, dass die neuen Implantate auch unsere Sprache verständlich transportieren könnten“, erklärt Moser. Als Nächstes wollen die Forschenden um den Göttinger Nachwuchsgruppenleiter Marcus Jeschke den Affen optische Cochlea-Implantate einsetzen und herausfinden, ob sie die Rufe ihrer Artgenossen dann immer noch erkennen.

Bevor 2026 die erste klinische Studie am Menschen beginnen kann, müssen Moser und sein Team noch an der Technik feilen. Der Energieverbrauch der Implantate darf nicht zu hoch sein, und die Zeit- und Frequenzauflösung sollen optimiert werden.

So funktioniert hören

Die elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt, warum die Cochlea auch als Hörschnecke bezeichnet wird. In ihren Windungen sitzen die Hörsinneszellen (orange;  infolge des Präparationsverfahrens für diese Aufnahme sind die Membranen, welche die Cochlea-Gänge umgeben, teilweise zerrissen)
Die elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt, warum die Cochlea auch als Hörschnecke bezeichnet wird. In ihren Windungen sitzen die Hörsinneszellen (orange; infolge des Präparationsverfahrens für diese Aufnahme sind die Membranen, welche die Cochlea-Gänge umgeben, teilweise zerrissen)
(Bild: Science Photo Library / Furness, Dr. David)

Schallwellen werden von der Ohrmuschel in den äußeren Gehörgang bis zum Trommelfell geleitet, wo sie von den Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel des Mittelohrs aufgenommen und an das Innenohr weitergegeben werden. Die spiralförmige Hörschnecke des Innenohrs – auch Cochlea genannt – trägt vier Reihen von Haarsinneszellen, die mit ihren Haarbündeln in den flüssigkeitsgefüllten Innenraum der Cochlea ragen. Von den Gehörknöchelchen auf die Cochlea übertragene mechanische Schwingungen versetzen das Sinnesgewebe in Bewegung. Dies verbiegt die Haarbündel der Sinneszellen um winzigste Bruchteile von Millimetern. Das reicht aus, um die Haarsinneszellen zu aktivieren. Die äußeren drei Reihen der Haarsinneszellen verstärken diese mechanischen Schwingungen bei leisen Tönen. Die innere Reihe überträgt die Schallinformation von ihren Synapsen an die Zellen des Hörnervs, welche die Information als Nervenimpuls ans Gehirn leiten.

Jeder Mensch wird mit einer bestimmten Anzahl von Haarsinnes- und Hörnervenzellen geboren. Diese müssen ein Leben lang halten, denn es bilden sich keine nach.

Weitere Artikel zur Zukunft der Medizintechnik finden Sie in unserem Themenkanal Forschung.

(ID:49017268)