15. September 2002, NZZ am Sonntag

Töne aus elektronischen Impulsen

Wo Mensch und Maschine verschmelzen: Mit den Hightech-Hörgeräten und Neuroimplantaten dringen Computertechnik und Mikroelektronik in das menschliche Nervensystem ein. Von Andreas Hirstein

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Teil 2:

Cochlear-Implantate

 

Falls die Haarzellen im Innenohr komplett zerstört sind, helfen Hörgeräte nicht mehr. Die Hörfähigkeit kann dann nur noch mit Hilfe von Cochlear-Implantaten teilweise wiederhergestellt werden. Weltweit haben 40 000 Patienten ein solches Gerät erhalten. Viele von ihnen können gesprochene Sprache verstehen, ohne auf simultanes Lippenlesen angewiesen zu sein. Kinder, die das Gerät früh genug erhalten haben, besuchen oft gewöhnliche öffentliche Schulen. Wichtig ist, dass die Operation möglichst früh (ab 12 Monaten) erfolgt, damit sich die Sprachfähigkeit gut entwickeln kann. Auch bei Erwachsenen lohnt sich die Operation, sofern die Patienten vor der Ertaubung sprechen konnten.

Äusserlich ähnelt das Implantat einem Hörgerät. Hinter dem Ohr befindet sich ein Mikrophon, das den Schall an den Sprachprozessor weiterleitet. Dieser analysiert die eingehenden Signale und berechnet ein Reizmuster, das über eine am Hinterkopf befestigte Sendespule an das Implantat weitergeleitet wird. Vom Empfänger, der sich unter der Hinterkopf-Haut befindet, führen elektrische Leitungen direkt ins Innere der Gehörschnecke, wo über 20 Elektroden die Gehörnerven reizen.

Voraussetzung für die Anwendung eines Cochlear-Implantats ist ein intakter Hörnerv. Das ist bei Patienten mit sogenannter Neurofibromatose (NF2) nicht der Fall. Von dieser vererbbaren Krankheit ist einer von 40 000 Menschen betroffen. NF2-Patienten entwickeln Tumoren, die zwar gutartig sind, die aber trotzdem operativ entfernt werden müssen, weil sie das Gehirn durch ihre Grösse schädigen und schliesslich zum Tode führen. Dabei lässt sich in der Regel nicht vermeiden, dass der Hörnerv durchtrennt wird.

Hirnstamm-Implantate

Als letzte Chance bleibt daher nur die Verwendung eines Hirnstamm-Implantats. Wie Cochlear-Implantate besitzen auch diese Geräte rund 20 Elektroden, die vom Operateur direkt in die Schaltzentrale für akustische Signale im Hirnstamm gelegt werden. «Manche Patienten mit intakten Hörnerven glauben, dass Hirnstamm-Implantate bessere Ergebnisse erzielen als Cochlear-Implantate», sagt Norbert Dillier von der Universität Zürich. «Doch diese Vermutung ist falsch Hirnstamm-Implantate kommen nur in Frage, wenn keine andere Möglichkeit mehr besteht», erklärt der Elektroingenieur, der für die Anpassung der Implantate auf die individuellen Bedürfnisse der Patienten zuständig ist.

Dilliers Zurückhaltung hat Gründe: Zum einen ist die Operation sehr viel belastender als die Implantation in die Cochlea. Und zum andern sind die bisher erzielten Ergebnisse, die man bei weltweit bisher 200 operierten Patienten erzielt hat, sehr bescheiden.

Das liegt vor allem daran, dass die von den Elektroden angesteuerten Nervenzellen im Hirnstamm sehr viel schlechter bestimmten Tönen zugeordnet werden können als in der Cochlea. Die Reizung im Hirnstamm ist daher viel weniger selektiv, als für ein gutes Sprachverstehen notwendig wäre. Zudem empfinden viele Patienten bei der Reizung oft gar keine akustischen Signale, sondern ein leichtes Kitzeln auf der Haut, der Zunge oder im Hals.

Solche Elektroden können daher nicht genutzt werden. Die wenigen, die übrig bleiben, reichen aber oft nicht, um die Verständlichkeit gesprochener Sprache zu verbessern. So sind die bisherigen Ergebnisse ernüchternd. Eine im Juni dieses Jahres publizierte Studie («Ear Hear», Bd. 23, S. 170), berichtet, dass nur 2 von 17 Probanden nach der Operation in der Lage waren, gesprochene Sprache ohne Unterstützung durch Lippenlesen zu verstehen. Besonders in Situationen mit Hintergrundgeräuschen bringen bisherige Hirnstamm-Implantate keinen Nutzen, und auch telefonieren ist in der Regel nicht möglich.

Diese Ergebnisse decken sich mit den Erfahrungen von Norbert Dillier: «Von den drei in Zürich operierten Patienten kann keiner telefonieren. Im günstigsten Fall unterstützt das Implantat das Lippenlesen», sagt Dillier.

Trotzdem ist er überzeugt, dass sich weitere Versuche lohnen werden. Das grösste Verbesserungspotenzial sieht Dillier in der Entwicklung neuer Elektroden, die den Hirnstamm nicht mehr nur an der Oberfläche reizen, sondern in tiefere Nervenregionen vordringen. Davon erhofft man sich eine bessere akustische Selektivität. Nachdem Versuche mit Tieren erfolgreich waren, soll noch in diesem Jahr der erste Patient mit einem solchen Implantat versorgt werden.

Weitere Informationen beim Bund Schweizerischer Schwerhörigen-Vereine (BSSV) www.bssv.ch

Integration aus der Not heraus

19. April 2003, Neue Zürcher Zeitung

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***In Arbedo bei Bellinzona steht die Lehrerin Paola vor ihren Zweitklässlern und erklärt gerade mit deutlichen Lippenbewegungen, was die Schüler in ihren Büchlein lesen sollen. Zwei Kinder beobachten Paola ganz genau: Alessandro und Alexandra, beide stark schwerhörig. Die beiden haben verschiedene technische Hilfsmittel zur Verfügung. Alexandra trägt an ihrem Hörgerät einen Empfänger. Dieser verstärkt die Stimme der Lehrerin, die am Revers ihres Jacketts ein kleines Mikrophon und in der Tasche einen Sender trägt. Alessandro hingegen ist vor kurzem in einer Operation ein Cochlear-Implantat eingesetzt worden, das die Geräusche um ihn herum verstärken soll. Paola will nichts beschönigen. «Es war am Anfang sehr schwierig, vor allem mit dem Jungen. Er konnte keine Sekunde stillsitzen und sprach nur schwer verständlich.» Noch vor etwa drei Jahren hatten denn auch Alessandros Ärzte den Besuch einer Regelschule für unmöglich gehalten. Nun sitzt der Zweitklässler konzentriert am Platz und erledigt seine Aufgaben. Möglich war der unerwartet grosse Fortschritt nur dank dem Zusammenwirken von Paola mit der Stützlehrerin und der Audiopädagogin. Die Stützlehrerin ist während 18 Stunden zugegen und erarbeitet den Schulstoff mit den zwei hörbehinderten Kindern jeweils im Voraus. So kennen Alexandra und Alessandro die Elemente der Uhrzeit schon, wenn Paola das Thema in der Klasse einführt, und können dem Unterricht gut folgen. Die Audiopädagogin arbeitet ihrerseits während sieben Wochenstunden gezielt an der Behinderung.***

INTERNATIONALE AKTIENMÄRKTE

23. Oktober 2002, Neue Zürcher Zeitung

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***Laut Händlern führten konjunktursensitive Werte wie News Corp (+2%) oder Cochlear (+13,3%) den Aufwärtstrend an. Der Hersteller von Ohrprothesen Cochlear hatte zuvor prognostiziert, für das erste Halbjahr 2002/03 den Gewinn je Aktie um über 40% zu steigern.***

Hören dank einem Implantat

28. Januar 2004, Neue Zürcher Zeitung

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Hören dank einem Implantat im Hirnstamm

Amerikanische Forscher wagen klinischen Versuch

Seit den 1950er Jahren haben Wissenschafter an der Idee gearbeitet, durch elektrische Stimulation des Hörnervs tauben Menschen zu neuem Hören zu verhelfen. Diese zu Beginn umstrittene Forschung hat in den 1970ern zur Entwicklung des Cochlea-Implantates geführt. Heute sind solche Implantierungen in die menschliche Gehörschnecke (Cochlea) klinische Praxis, und man schätzt, dass weltweit mehr als 60 000 Menschen ein solches Implantat tragen. Diese Implantate erhalten ihre Signale von einem speziellen, unter der Haut liegenden Empfänger, der mit einem Mikrofon und einem Prozessor ausserhalb des Körpers verbunden ist.

Bei gewissen Formen des Hörverlusts können Cochlea-Implantate aber nichts ausrichten. Betroffen sind vor allem Menschen, die an der seltenen genetischen Krankheit Neurofibromatosis Typ 2 leiden, die zu Tumoren im Bereich des Hörnervs führt. Unoperiert können diese Tumore zu schweren Behinderungen oder zum Tod führen, da sie Druck auf den Hirnstamm ausüben. Deshalb müssen sich Betroffene einer Operation unterziehen, die meistens zum Verlust des Hörnervs und damit zur Taubheit führt.

Bereits 1979 wurde von Wissenschaftern des House Ear Institute in Los Angeles der Versuch unternommen, solchen Leuten mit einem Hirnstamm-Implantat zu helfen, indem der sogenannte cochleäre Kern - Endpunkt des Hörnervs und Teil des Hirnstamms - elektrisch gereizt wird. Nach dem cochleären Kern beginnt eine komplexe Verarbeitung des auditiven Signals in weiteren Kernen des Hirnstamms, bis die Information schliesslich den Cortex erreicht. Elektrische Stimulation in diesen Bereichen ist heute nicht Gegenstand der Forschung. Im Jahr 1979 wurde erstmals ein Hirnstamm-Implantat in eine ertaubte Frau verpflanzt; heute haben weltweit etwa 350 Menschen ein solches Implantat. Dieses wird aber nicht direkt in den cochleären Kern, sondern lediglich an dessen Rand verpflanzt, weil chirurgische Operationen im Hirnstamm heikel sind. Um das Risiko zu senken, erfolgen diese Implantationen jeweils während der gleichen Operation, in der die Tumore entfernt werden.

Da der cochleäre Kern eine komplexe innere Struktur aufweist und man ihn deshalb vom Rand aus nicht präzise stimulieren kann, haben die klassischen Hirnstamm-Implantate in den meisten Fällen nur eine rudimentäre Rückgewinnung des Gehörs ermöglicht. Seit 15 Jahren haben deshalb die Forscher des House Ear Institute in Zusammenarbeit mit Fachleuten des Huntington Medical Research Institute und dem australischen Cochlea-Implantat-Hersteller Cochlear versucht, eine den Hirnstamm penetrierende Version des Implantats zu entwickeln. Die Herausforderung bestand darin, Elektroden zu entwickeln, die das Nervengewebe nicht verletzen. Sind sie zu scharf, «erstechen» sie gewissermassen die Zellen, sind sie zu stumpf, werden die Zellen zerdrückt. Nach langwierigen Studien ist es gelungen, ein aus acht Elektroden bestehendes Implantat mit den gewünschten Eigenschaften zu entwickeln.

Vor zwei Jahren erlaubte die amerikanische Zulassungsbehörde FDA klinische Versuche an Menschen mit dem neuen Implantat. Im ersten Halbjahr 2003 wurde einer 19-jährigen Frau ein Exemplar eingepflanzt, im November 2003 folgte ein weiterer Versuch an einer 42-jährigen Frau. Die dabei erzielten Ergebnisse wurden vor kurzem in Los Angeles der Öffentlichkeit vorgestellt. Demnach haben die ersten Versuche noch nicht zum gewünschten Ergebnis geführt. Bei der jüngeren Patientin führt nur die Stimulation einer der acht penetrierenden Elektroden zu einer Hörwahrnehmung. Die mit dem neuen Implantat erreichte Sinnesempfindung entspricht damit jener, die mit den klassischen Implantaten erreicht wird. Die Tests mit der älteren Patientin haben erst kürzlich begonnen, und deren Ergebnisse wurden an der Pressekonferenz noch nicht erläutert.

Nach Ansicht von Norbert Dillier, Leiter der experimentellen Audiologie am Universitätsspital Zürich, ist die Entwicklung penetrierender Hirnstamm-Implantate ein vielversprechendes, aber auch schwieriges Unterfangen. Hauptproblem ist das Finden der richtigen Stimulationsorte im cochleären Kern. Dies wird durch die Tatsache erschwert, dass durch die Tumore am Hörnerv der Kern in seiner anatomischen Struktur verändert werden kann, so dass die Anordnung der Elektroden im Implantat zu einer inadäquaten Stimulation führen kann. Falsch placierte Elektroden könnten dann andere Sinnesempfindungen wie etwa ein Tastgefühl auf der Haut verursachen und müssen abgeschaltet werden. Dennoch erachtet Dillier die Weiterentwicklung der Hirnstamm-Implantate für notwendig, da von Neurofibromatosis Betroffene oft weitere Tumore, etwa im Rückenmark, entwickeln, was in der Folge zu Lähmungen führen kann. Die Fähigkeit zur Kommunikation mit der Umwelt ist für diese Patienten besonders wichtig.

Markus Christen

Ins Glück investieren

Die Gesellschaft lässt sich Lifestyle viel kosten. Wie man als Anleger davon profitiert

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***Beim Thema Gesundheit ist es die Medizinaltechnologie, die nach wie vor als interessanter Markt eingeschätzt wird. Ein Sektor, der durch Schweizer Anbieter wie Straumann oder Phonak den hiesigen Anlegern bereits vertraut ist. Auch die Implantate von Cochlear für verbessertes Hören sind ein Zukunftsmarkt. Diese werden dem Patienten in einem chirurgischen Eingriff eingesetzt und können auch vollständig tauben Menschen teilweise ein Gefühl für Schall verleihen. «Hier laufen im Anfangsstadium auch Entwicklungen für Sehbehinderte», sagt Maria Custer, Healthcare-Analystin der CS. Sie empfiehlt die in Australien kotierte Cochlear zum Kauf.***

Elektronische Rekonstruktion

3. Oktober 2007, Neue Zürcher Zeitung

Elektronische Rekonstruktion der Hörschnecke

Mögliche Grundlage für ein neuartiges Cochlea-Implantat

Zürcher Forscher haben eine elektronische Hörschnecke gebaut, die dem biologischen Original sehr nahe kommt. Nun wird geprüft, ob sich daraus ein neuartiges Cochlea-Implantat entwickeln lässt.

Die menschliche Hörschnecke (Cochlea) ist ein komplexer akustischer Sensor. Sie besteht grob skizziert aus einem aufgerollten und mit Flüssigkeit gefüllten Schlauch, der in der Mitte durch die sogenannte Basilarmembran zweigeteilt wird. In einer ausgefeilten Anordnung sind innere und äussere Haarzellen mit dieser Membran verbunden. Erstere übersetzen das vom Mittelohr kommende Schallsignal in Nervenimpulse und leiten diese an den Hörnerv weiter. Die Biomechanik der Cochlea erlaubt dabei eine Auftrennung des Signals in einzelne Frequenzen an unterschiedlichen Orten der Cochlea (man spricht in diesem Zusammenhang vom tonotopischen Prinzip). Leise Frequenzen werden zudem durch einen Rückkopplungseffekt gezielt verstärkt. Das geschieht unter anderem dadurch, dass die äusseren Haarzellen durch Nervenfasern angesteuert werden, die vom Gehirn über den Hörnerv zurück zur Cochlea führen.

Aufgrund dieser Rückkopplung und einer Reihe weiterer Faktoren ist eine technische Nachbildung der Signalverarbeitung in der Cochlea ein schwieriges Unterfangen. Bisherige Lösungen basierten meist auf sogenannten Filterbänken, die lediglich das tonotopische Prinzip nachbildeten. Einer Forschergruppe am Institut für Neuroinformatik (Universität/ETH Zürich) ist es nun gelungen, eine elektronische Cochlea zu bauen, die dem biologischen Vorbild besser entspricht. So reproduziert der Sensor eine Reihe der am biologischen Original gemessenen nichtlinearen Phänomene (Verstärkungseffekte, Signalschärfung).

Der Sensor beruht auf einem mathematischen Modell der Cochlea, dessen Parameter reale Gegebenheiten des biologischen Vorbilds abbilden. Insbesondere wird die oben angesprochene Rückkopplung zwischen Gehirn und Cochlea durch einen Parameter erfasst, der eine neuartige Steuerung der Cochlea ermöglicht, wie der Leiter der Gruppe, Ruedi Stoop, die Bedeutung der Arbeit kommentierte. In einem nächsten Schritt soll deshalb untersucht werden, ob sich der Sensor als Basis für ein neuartiges Cochlea-Implantat eignet. Dabei handelt es sich um ein Gerät, das eine funktionsunfähige Cochlea ersetzt und den Hörnerv direkt stimuliert. Filiep Vanpouke, der europäische Forschungsleiter des Cochlea-Implantat-Herstellers Advanced Bionics, hält diesen Ansatz für hochinteressant. Die elektronische Cochlea sei das derzeit beste Modell weltweit. Um ihre Vorteile nutzen zu können, müsse allerdings die Stimulation des Hörnervs fünf- bis zehnmal präziser erfolgen als bei heutigen Implantaten.

Die Realisierung der neuronalen Schnittstelle zwischen den Elektroden des Sensors, die das Signal der inneren Haarzellen imitieren, und dem Hörnerv gilt demnach als Hauptschwierigkeit. Bei herkömmlichen Cochlea-Implantaten besteht zwischen Elektroden und Hörnerv rund ein Millimeter Abstand. Dieser muss deutlich verringert werden, was auch die Voraussetzung dafür sei, dass die vom Gehirn zurücklaufenden Signale erfasst und für die Steuerung eines solchen neuen Cochlea-Implantats benutzt werden können, so Vanpouke. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeiten die Zürcher Forscher nun mit Fachleuten für biokompatible Werkstoffe der eidgenössischen Materialprüfungsanstalt (Empa) in St. Gallen zusammen.

Markus Christen

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Netzhautchip lässt Blinden lesen

Nach jahrelanger Forschung und etlichen Rückschläge freuen sich die Tübinger Forscher über den Durchbruch. 

(Bild: Colourbox)

Seit Jahren versuchen Forscher Sehbehinderten durch neuste Technologie das Augenlicht zurückzugeben. Jetzt ist deutschen Wissenschaftlern der Durchbruch gelungen.

Die Wissenschaftler um Eberhart Zrenner von der Universität Tübingen pflanzten in ihrer Pilotstudie drei Blinden einen Netzhautchip ein. Mit Hilfe des Chips konnten die Teilnehmer diverse Sehaufgaben erfüllen, etwa verschiedene Gegenstände auf einem Tisch lokalisieren.

Vor allem ein Patient - Miikka - zeigte in den Sehtests erstaunliche Ergebnisse, berichten die Forscher im Fachmagazin «Proceedings of the Royal Society B». Er konnte nicht nur Gegenstände wie Löffel, Gabel, Tasse und eine Banane orten und beschreiben - es gelang ihm auch 16 verschiedene Buchstaben voneinander zu unterscheiden.

Eine Art Lichtverstärker

Als die Forscher ihm die weissen Lettern «M-I-K-A» auf einen schwarzen Tisch legten, wies er sie darauf hin, dass sein Name falsch geschrieben worden sei.
Der von den Forschern entwickelte Chip ist nur dreimal drei Millimeter klein und hauchdünn. Er wird direkt unter die Netzhaut gesetzt. Wenn Licht auf die 1500 Photodioden des Chips fällt, wird dies über einen Verstärker an die Nervenzellen der Netzhaut geleitet. Im Anschluss werden die Signale zum Sehzentrum geschickt.

Nicht für alle Blinden

Der Netzhaut-Chip ist somit nur für Menschen geeignet, die früher schon einmal sehen konnten - denn die Verarbeitung der Bildinformationen im Gehirn muss bereits gelernt worden sein. Die Technik könnte laut den Forschern dabei helfen, den erblich bedingten Netzhautrückgang (Retinitis pigmentosa) zu heilen.

Studienleiter Zrenner ist Gründer einer Firma für Sehprothesen und Leiter des Forschungsinstituts für Augenheilkunde an der Universität Tübingen. Der Chip soll nach der Beendigung der Hauptstudie mit 25 Patienten marktreif sein. Wie teuer er dann sein wird, ist gemäss Zrenner noch unklar.

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