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Carsten Thierfelder

• Die kongenital gehörlose Katze (CDC, congenitally deaf cat) stellt ein geeignetes Tiermodell für angeborene Gehörlosigkeit dar [Heid et al., 1998]. Ihr fehlen jegliche auditorischen Eingänge, das zentrale Hörsystem ist naiv. Doch die Hörnervenfasern bleiben erhalten und sind elektrisch stimulierbar. Zur chronischen Elektrostimulation des Hörsystems werden den Tieren im Alter von etwa zwölf Wochen Stimulationselektroden in die Cochlea implantiert. Nach der Operation erhalten die Tiere einen speziell für sie entwickelten Signalprozessor, der Umgebungsgeräusche über ein Mikrofon aufnimmt und in geeigneter Weise an die Stimulationselektroden weiterleitet. Von diesem Zeitpunkt an werden die CDCs 24h pro Tag mit Schallsignalen versorgt. Das anfangs naive Hörsystem durchläuft von da an eine Reifung, die die CDCs schließlich zu komplexerer Schallanalyse als Leistung des zentralen Hörsystems befähigt [Klinke et al., 1999b]. Neurophysiologische Experimente können die angesprochene Reifung des Hörsystems nur zu einem festen Zeitpunkt darstellen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Methode, mit der sich diese Reifungsprozesse der CDC im zeitlichen Verlauf verfolgen lassen. Die funktionelle Kernspin- oder Magnet-Resonanz-Tomographie (functional magnetic resonance imaging, fMRI) ist ein geeignetes Untersuchungsverfahren, das die Darstellung cerebraler Aktivierungen zu verschiedenen Zeitpunkten der Entwicklung erlaubt, allerdings ist das in der Humanmedizin gängige Verfahren bislang nicht an kleinen Säugetieren anwendbar gewesen. Im Rahmen dieses Dissertationsprojektes wurde ein solches, für die fMRI an Katzen geeignetes Meß- und Stimulationssystems völlig neu entwickelt und erfolgreich zur Untersuchung der Kortexaktivierung unter elektrischer Stimulation der Katzen-Cochlea eingesetzt [Thierfelder et al., 2000]. Zunächst wurde gezeigt, daß die speziell für die chronische Implantation bei der CDC entwickelten Stimulationselektroden [Behrendt, 1999] sowohl mit der anatomischen wie auch der funktionellen MR-Bildgebung kompatibel sind. Zur Signalübertragung während der funktionellen Untersuchungen wurde eine elektro-optische Übertragungsstrecke aufgebaut, mittels der der Stimulus vom Signalgenerator zum Implantat geleitet wird. Im Gegensatz zu einer rein elektrischen Signalübertragung verhindert hierbei ein optisch isolierter Signalpfad die Einstreuung von externen Hoch-frequenzen aus dem Radioband. In Korporation mit der Firma Siemens wurde eine speziell an die Anatomie der Katze angepaßte Sende-/Empfangsspule entworfen und optimiert. Durch die dabei erzielte Minimierung des Probenvolumens wurde ein Gewinn von 80% des Signal-zu-Rausch- Verhältnisses gegenüber einer bis dahin verwendeten Oberflächenspule zur Untersuchung des Handgelenks erreicht. Um die Überlagerung des elektrischen Stimulus mit Störsignalen des MRT im Bereich des eigentlichen Implantats zu verhindern, wurde ein Triggermodul für die Übertragungsstrecke konzipiert und erfolgreich implementiert. Solche Störspannungen können in jeder Leiterschleife durch Spinanregungs- und Schichtauslese-Pulse induziert werden. Deshalb wurden die zur fMRI verwendeten Sequenzen so geändert, daß sie unmittelbar vor der Akquisition der zu untersuchenden Tomogramme ein Stimulations-Stop-Signal ausgeben. Dieses Stop-Signal wird von einer selbstentwickelten Controller-Einheit verwaltet, die den Umschaltvorgang von der Ruhe- auf die Stimulationsphase bzw. umgekehrt steuert. Auf der Basis theoretischer Abschätzungen und eigener Messungen erwies sich die gleichzeitige Durchführung von elektrischen Stimulationen der CDCs unter Cochlea-Implantat-typischen Bedingungen und Standard-fMRI-Untersuchungen als unbedenklich. Elektrische, thermische oder toxische Beeinträchtigungen konnten ausgeschlossen werden. Zur Untersuchung kortikaler Reifung naiver Hörsysteme wurde die kortikale Aktivität für ein Einzelexperiment an einem ertaubten Tier und im Rahmen von Verlaufsstudien an zwei chronisch stimulierten CDCs untersucht. Zunächst wurde durch fMRI nachgewiesen, daß evozierte Aktivierungen im auditorischen Kortex reliabel dargestellt werden können. Als Korrelat elektrisch evozierter Aktivität wurde die Anzahl aktiver Voxel bestimmt. Die Abhängigkeit der Aktivität von der elektrischen Stimulationsintensität wurde relativ durch den Kontralateralitätsindex KL ausgewertet, um die Ergebnisse mit ähnlichen Untersuchungen bei akustischer Stimulation am Menschen zu vergleichen. KL beschreibt das Verhältnis aus kontralateraler Aktivität und der Summe aus kontralateraler und ipsilateraler Aktivität. Analog zum KL-Anstieg mit Anwachsen der akustischen Stimulationsintensität beim Menschen [Hart et al., 2001] nimmt auch bei elektrischer Stimulation der Katze der KL-Index signifikant zu. Die Steigungen beider Regressionsgeraden stimmen etwa überein, wenn man die für elektrische (1.37dB%) und akustische (0.37)(%SPLdB) Stimulationen des Hörnerven unterschiedlichen Dynamikbereiche berücksichtigt (10dBel vs. 40dBak SPL) [Raggio und Schreiner, 1994]. Denn die Steigung der Regressionsgerade, genauer die über weite Intensitätsbereiche als linear anzunehmende KL-Änderung fällt um so geringer aus, je größer der Dynamikbereich des informationsverarbeitenden Systems ist. Nach Klinke et al. [Klinke et al., 1999b] wachsen sowohl die Amplituden als auch die Flächen von aus dem primären auditorischen Kortex abgeleiteten Feldpotentialen mit der Dauer der chronischen, elektrischen Cochlea-Stimulation von CDCs. Weiterhin fällt nach Kral et al. [Kral, 2001, Kral et al., 2002] dieser Amplituden- und Flächenzuwachs um so größer aus, je früher die Implantation erfolgte. Aus den Aktivierungsumfängen wurden zur Untersuchung kortikaler Reifungsprozesse für ein früh (3.5m) und ein adult (6m) implantiertes Tier die KL-Werte berechnet. Für beide Tiere ist KL der ersten, naiven Messung nahezu gleich (KLjung≅0.0 vs. KLadult≅0.3). Mit der Dauer der chronischen Elektrostimulation (58d vs. 76d) wächst der Wert für das früh implantierte deutlich (KLadult≅1.0), während er sich für die adult implantierte Katze nicht verändert (KLadult≅0.15). Die Ergebnisse aus den fMRI-Messungen decken sich also mit neurophysiologischen Daten. Die hier entwickelte fMRI-Methode ist demnach für Verlaufsbeobachtungen an cochleaimplantierten Katzen brauchbar.
• Longitudinal fMRI studies in cochlear implanted congenitally deaf cats (CDCs) To study electrically evoked activations in the auditory cortex of cochlear implanted CDCs by functional magnet resonance imaging (fMRI) we developed a special stimulation system as well as a volume optimized coil for the cat head [Thierfelder et al., 2000]. Cortical activity of chronically stimulated animals was investigated in given intervals to follow up the cortical maturation of a naïve auditory system. Mean spatial deviation of the center of activation was 2.4+/-0.2 (SD) mm in the hori-zontal plane and 4.2+/-2.8 (SD) mm in the vertical plane. Given an area of 10x20mm2, the auditory cortex of CDCs can unambiguously be identified. As a correlate of the electrically evoked, auditory activation, the number of active voxels was determined. Contralaterality index (CL = contralateral activity / [contralateral + ipsilateral activity]) allows the relative evaluation of activity. Similar to results from acoustical stimulation in humans [Hart et al., ARO 2001, 655], also electrical stimulation in cats shows significant increase in CL with intensity levels. Different slopes of the regression lines (CL vs. intensity level) between electrical (1.37%/dB) and acoustical (0.37%/dB) stimulation may be explained by different dynamic ranges in the auditory nerve for both types of stimulation (10dB and 40dB, respectively) [Raggio and Schreiner, 1994]. Response amplitudes and surface areas of field potentials in CDC primary auditory cortex increase with the duration of chronic, electrical cochlear stimulation [Klinke et al., 1999b]. This increase is the larger, the earlier stimulation was initiated [Kral, 2001, Kral et al., 2002]. To study these effects of maturation, we evaluate CL in a young (3.5mo) and an adult (6mo) implanted cat. First naive measurements in these animals demonstrate very small CL-values (0.0 and 0.3, resp.). With duration of chronic stimulation (58d and 76d, resp.), in the young cat CL clearly increased (1.0), whereas no changes were found in the adult (0.15). Assuming that the contralateral auditory cortex becomes more important than the ipsi-lateral during maturation of CDCs auditory system, these results speak for an early implantation.