Licht hören!

BMBF Projekt entwickelt Hörimplantat auf Basis von LEDs.

Bild 1: Röntgen-tomographisches 3D Modell der Cochlea einer Maus mit eingebrachtem optischem Multikanal-Cochlea-Implantat (rot). © Daniel Keppeler, Tim Salditt, Tobias Moser, InnenOhrLabor, Uni Göttingen

Bild 2: Spitze der Sonde mit 120 LEDs (links) und Größenvergleich mit einer Fingerkuppe (rechts). © Fraunhofer IAF, Freiburg

12.05.14

BMBF-Projekt "Lichthören"

Forschern vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF ist es gelungen, die Zahl der möglichen Frequenzen für sogenannte Cochlea-Implantate zu verzehnfachen. Ein großer Schritt für die zukünftige Versorgung von Hörgeschädigten. Zu Hilfe kommt das junge Forschungsgebiet der Optogenetik.

Mehr als 30.000 gehörlose Menschen in Deutschland und zehnmal so viele weltweit können mit Hilfe von Cochlea-Implantaten (CIs) wieder hören. Ein CI regt die Nervenzellen in der Hörschnecke im Innenohr direkt mit elektrischen Impulsen an. Damit wird ein mit einem externen Mikrophon aufgenommener Schall über einen elektronischen Kanal an das Gehirn weitergeleitet. In der bestehenden CI-Technologie ist eine Reihe von winzigen Elektroden in einem Bändchen aufgereiht, das in die spiralförmig gewundene Hörschnecke (Cochlea) eingeführt wird.

Bei diesen konventionellen CIs ist die Frequenzauflösung mit meist weniger als zehn Kanälen bislang gering, weil sich die elektrischen Impulse räumlich verteilen und alle Nervenzellen über mehr als einem Millimeter entlang der Cochlea-Windung anregen. Ein Lichtsignal könnte auf einen sehr viel engeren Bereich fokussiert werden. Aber wie regt man Hörnerven mit einem Lichtpuls an?

An dieser Stelle hilft die „Optogenetik“ weiter. Bei dieser, vom Nature Magazin zur Methode des Jahres 2010 gekürten Technik, werden Proteine in die Membran von Nervenzellen eingebaut, die als Lichtschalter wirken. Das hier ursprünglich verwendete „Kanal-Rhodopsin-2“, das aus Algen gewonnen wird, reagiert auf geringste Mengen blauen Lichts. Es wurde bereits erfolgreich mit genetischen Methoden in Tiere eingebracht.

Die biomedizinischen Herausforderungen für ein optisches CI liegen darin, Kanal-Rhodopsine in die Nervenzellen der Cochlea einzubauen und nachzuweisen, dass mit einem Lichtimpuls eine frequenzspezifische Hörwahrnehmung generiert werden kann. Die technologische Herausforderung liegt in der Entwicklung eines optischen CIs, einem dünnen Streifen mit mehr als hundert Mikro-LEDs (µLEDs), das in die Cochlea passt und angesteuert werden kann. Zunächst für eine Maus-Cochlea, die sechsmal kleiner ist, als die des Menschen. Dafür darf die Sonde maximal 300 µm breit und etwa 5 mm lang sein – und sie muss extrem flexibel sein.

Insbesondere den technischen Herausforderungen widmete sich das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt „Lichthören“ am Fraunhofer IAF (Prof. Schwarz) in Freiburg. Das Projekt ist innerhalb der Maßnahme „Wissenschaftliche Vorprojekte“ im Rahmen des Programms „Photonik Forschung Deutschland“ entstanden und wurde nun nach zwei Jahren abgeschlossen.

Für die innovative Kombination von Materialien und Technologien mussten neue Prozessschritte und –folgen entwickelt werden. Das auf Polyimid (PI) basierende flexible Substrat wurde am Lehrstuhl für Materialien der Mikrosystemtechnik (Dr. Ruther, IMTEK, Uni Freiburg) entwickelt. Es ist biokompatibel und ermöglicht zugleich, metallische Leiterbahnen zur Kontaktierung der µLEDs darauf zu prozessieren.

Um die winzigen LEDs auf das Substrat zu montieren, wurde eine spezielle „Laser-Lift-Off“ Methode verwendet. Das Ergebnis sind Sonden mit µLEDs, die eine Kantenlänge von nur 50 µm aufweisen, insgesamt nicht dicker als 15 µm sind (dünner als ein menschliches Haar) und zu einer „Lichterkette“ von 120 LEDs verschaltet werden können (Bild 2). Erste vielversprechende in-vivo Experimente zeigen, dass das optische CI in die Cochlea einer Maus passt (Bild 1).

Diese wurden beim Kooperationspartner Prof. Moser im InnenOhrLabor der Universitätsmedizin Göttingen durchgeführt, welches innerhalb des Bernstein Fokus Neurotechnologie ebenfalls vom BMBF gefördert wird. Dort stehen nun, nach bereits erfolgreicher optischer Einkanal-Stimulation, erste Funktionstests mit optischen Multikanal-CIs in Nagetieren an.

Anschließend sind Untersuchungen zur Bestimmung der Frequenzauflösung, sowie Untersuchungen zur Langzeitstabilität und biologischen Sicherheit des Verfahrens geplant, um eine mögliche klinische Anwendung vorzubereiten. Unternehmen aus dem Bereich der Medizintechnik haben bereits Interesse an einem Verbundprojekt zur weiteren Entwicklung des Verfahrens bekundet.

Der hier erzielte Durchbruch kann aber auch unabhängig von den Hörimplantaten zu einem Technologiesprung auf dem Gebiet der Optogenetik führen. Dabei geht es grundlegend um die Funktion des Gehirns. Wie werden Informationen in der Hirnrinde (Cortex) abgespeichert und wieder abgerufen? Wie funktioniert Erinnerung? Für diese und ähnlich komplexe und grundlegende neuronale Fragestellungen werden Sonden benötigt, die Informationen in eine große Anzahl von Nervenzellen schreiben und auslesen können.

Die hier erforschte Technologie, könnte die notwendige Bandbreite bereitstellen, die bislang nicht erzielt werden kann, um die die Aktivität einzelner Nervenzellen zu registrieren. Mit diesem zukunftsweisenden Ansatz, der in Zusammenarbeit mit der Universität Freiburg im Exzellenz-Cluster „BrainLinks-BrainTools“ weiterverfolgt wird, werden die Lichtquellen miniaturisiert, in die Sonden integriert und als Einheit implantiert.

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Projekt „Lichthören“ (PDF)

Kontakt / Projektkoordinator

Prof. Dr. Ulrich T. Schwarz
Fraunhofer IAP
Tullastrasse 72
79108 Freiburg

Tel.: +49 (0)761 5159-513
E-Mail: ulrich.schwarz@iaf.fraunhofer.de

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