Impact of a combined electrode array of a cochlear implant on the current threshold and AP initiation site of the auditory nerve

Abstract

Cochlea-Implantate sind Hörhilfen, die seit den 1960er-Jahren entwickelt und Menschen mit partialler oder vollständiger Taubheit ermöglichen, ihr Hörvermögen bis zu einem bestimmten Grad wieder herzustellen, abhängig von verschiedenen Faktoren. Das Implantat wandelt das akustische Signal in ein elektrisches um, umgeht dabei die zerstörten Haarzellen in der Cochlea und leitet das Signal direkt an die Fasern des Hörnervs (ANFs) weiter. Der Standardfall der Elektrodenpositionen in die Scala Tympani (ST) wurde untersucht, die sich entweder nahe den Enden der ANFs am Corti-Organ ander äußeren Wand der ST oder nahe dem Soma der ANFs, im sogenannten Modiolus, befinden. In einer Simulationsstudie wurde die Erregbarkeit der ANFs für beide Elektrodenpositionen verglichen, zusätzlich zum Aufbau des MED-EL-Implantats, bei dem eine kombinierte Elektrode verwendet wird, deren Stimulationsstrom gleichzeitig an beide Elektrodenpositionen abgegeben wird. Es wurden drei Zustände der ANFs untersucht: gesunde, teilweise degenerierte (dünner peripherer Prozess) und vollständig degenerierte Neuronen (Fehlen des dünnen peripheren Prozesses). In dieser Studie wurde dieHodgkin-Huxley-Kinetik zur Erzeugung von Aktionspotenzialen (APs) und deren Ausbreitung in ANFs mithilfe des Simulationsprogramms NEURON und angepasster Python-Skripte verwendet. Für die extrazelluläre Stimulation in einem homogenen Medium wurden positive oder negative Pulse von 100 μsangewendet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Erregung mit Doppel-elektrodenkontakten einen höheren Schwellenstrom erfordert als die Stimulation mit einer Einzelelektrode. Gesunde oder degenerierte Nervenfasern reagieren empfindlicher auf kathodische Impulse, während anodische Impulse in teilweisedegenerierten Fasern zu einer schnelleren Erregung führen. Der Ort der Aktionspotenzialauslösung sowie die Aktionspotenzialausbreitung hängen vom Zustand der Faser und vom Myelinisierungsgrad der jeweiligen Kompartimente ab.

Cochlear implants are hearing aids developed in the 1960’s and have made it possible for people with even complete deafness to restore their hearing up to a specific level, depending on a variety of circumstances. The implant converges the acoustical signal to an electric one, bypassing the destroyed hair-cells in the cochlea and submitting the signal directly to the auditory nerve fibres (ANFs). The standard electrode implantation in the scala tympani (ST) is investigated, for electrodes close to the ANF’s end, at the organ of Corti at the outer wall of ST or close to ANF’s soma in the so called modiolus.In a computational simulation study ANF’s excitability is compared for both electrode sites, according to the layout of the MED-EL implant, with a combined electrode where the stimulating current is delivered to both electrode sites simultaneously. Three cases of ANFs are studied: healthy, partly degenerated (thin peripheral ANF process) and fully degenerated neurons (lack of the thin peripheral ANF process). In this study the Hodgkin-Huxley kinetics were used for the generation of action potentials (APs) and their propagation in ANFs with the simulating programme NEURON and adapted Python scripts. Positive or negative pulses of 100 μs are applied for the extracellular stimulation in ahomogeneous medium. The results indicated that excitation with double electrode contacts requires higher threshold current than the single electrode stimulation. For the healthy or degenerated nerve fibers excitation with cathodic pulses is more sensitive, whereas anodic pulses lead to faster excitationin partially degenerated fibers. The site of initiation of APs as well as the AP propagation depend on the state of the fiber, as well as on the level of myelination of the respected compartments.