Human cochlear nerve model : data collection and simulation

Abstract

Motivation. Neurone des menschlichen Hörsystems weisen mikroanatomische Besonderheiten auf, welche sie von denen anderer Säugetierarten signifikant unterscheiden. Ihre unmyelinisierten Zellsomata gemeinsam mit ihrem gelegentlichen Auftreten als Cluster mit direktem Zellmembrankontakt führen zu Vermutungen, dass diese die neuronalen Muster bei der Signalweiterleitung erheblich beeinflussen. Des Weiteren wird die Anregbarkeit der Neurone bei extrazellulärer Stimulation mittels Cochlea-Implantate durch den inhomogenen anatomischen Aufbau der Cochlea als auch durch den 3D Verlauf der Neurone selbst, stark beeinflusst. Histologische Methoden, kombiniert mit bildgebenden Verfahren und Visualisierungstechniken wurden in der vorliegenden Arbeit genutzt, um morphometrische Eigenschaften des menschlichen Hörnervs zu eruieren. Diese geometrischen Parameter wurden anschließend in ein Computermodell eines auditiven Neurons implementiert um seine Anregbarkeit sowie sein Feuerungsverhalten bei intra- als auch extrazellulärer Stimulation zu analysieren. Methodik. Die präsentierten anatomischen Ergebnisse basieren auf mehreren menschlichen Hörschnecken und bilden das Fundament für die anschließend durchgeführten Simulationen. Da gesunde und lebende menschliche Hörneurone experimentell nicht zugänglich sind, bilden Computersimulationen eine adäquate Methode um mehr über ihr Verhalten zu erfahren. Immunhistochemische Färbungen in Kombination mit Konfokalmikroskopie ermöglichen die Akquirierung von 3D-Daten von Hörneuronen, um verschiedenste geometrische Parameter systematisch entlang der Cochlea zu quantifizieren. Diese Methode hat jedoch den großen Nachteil, dass die Probe in dünne Schnitte aufgeteilt werden muss, was einerseits zu Informationsverlust, andererseits eine computergestützte Rekonstruktion nahezu unmöglich gestaltet. Deshalb wurde eine menschliche Cochlea in einem hochauflösendem mikroCT gescannt. Datensegmentierung und Visualisierung ermöglichten die 3D-Rekonstruktion von Nervenverläufen. Der CT Datensatz wurde weiters verwendet, um ein anatomisch präzises Finite-Elemente-Modell der menschlichen Cochlea zu entwickeln. Dieses wurde genutzt um die von aktiven Elektroden induzierten elektrischen Potentiale entlang der rekonstruierten Faserverläufe zu bestimmen. Die resultierenden Daten wurden anschließend in das biophysikalische Modell implementiert, um die Anregbarkeit und das zeitliche Verhalten eines Neurons bei verschiedenen Stimulationsstrategien zu testen. Resultate Hierarchische Clusteranalyse an volumetrischen Daten von unmyelinisierten Hörneuronen lieferte Hinweise auf die Existenz von vier verschiedenen Populationen beim Menschen. Die rekonstruierten Volumina variieren erheblich was zu unterschiedlichen Laufzeiten von Aktionspotentialen über das Zellsoma führt. Dies impliziert wiederum unterschiedliche zeitliche Parameter bei der Signalweiterleitung ins zentrale Nervensystem. Die zeitlichen Parameter als auch die Geschwindigkeit der generierten elektrischen Signale sind vor allem vom Durchmesser des peripheren- und zentralen Axons und von der Neuronlänge abhängig. Aufgrund der sich nach oben hin verengenden Anatomie der Hörschnecke, zeigen apikale Neurone einen sehr spiraligen Verlauf und haben signifikant längere periphere Axone verglichen mit Neuronen aus dem mittleren bzw. basalen Bereich. Aus diesem Grund weisen die durchgeführten Finite-Elemente- und Kompartmentmodell Analysen auf unterschiedliche Anregungsprofile bei Neuronen aus verschiedenen Frequenzbereichen hin. Außerdem wurde die Verletzung des tonotopischen Prinzips von aktiven Elektroden, welche sich im mittleren Bereich der Hörschnecke befinden, festgestellt.

Objectives. Human auditory neurons show micro-anatomical peculiarities which differ considerably from other mammalian species. Their unmyelinated cell bodies as well as their appearance in clusters featuring direct cell-to-cell contact, compose unique morphological characteristics rising questions concerning the spiking pattern of these human sensory neurons. Besides, the anatomical composition of the cochlea representing an inhomogeneous structure as well as the three dimensional (3D) pathways of the action potential (AP) transmitting neural parts mainly affect the excitability of neurons to micro-stimulation induced by electrodes of cochlear implants (CI). Histological methods combined with imaging and visualization techniques were used to gain morphometrical features of human cochlear neurons which were subsequently implemented to a computational model of an auditory neuron to test its excitability and spiking pattern to intra- as well as extracellular stimulation. Methods. The anatomical findings presented in this thesis are based on several human cochleae and compose the fundament of the subsequent computer simulations which provide an appropriate method for single cell analysis since vital human auditory neurons are not experimentally accessible. Immunohistochemical staining and confocal laser scanning microscopy enabled to acquire 3D image stacks of cochlear neurons where geometrical parameters were quantified systematically along the cochlear spiral. However, this method requires sectioning of the specimen which causes loss of information of the whole analyzed structure making accurate computational reconstruction virtually impossible. To overcome this limitation, one human inner ear was digitalized using ultra-high resolution micro-CT imaging. Visualization and segmentation of data enabled to reconstruct the 3D pathways of tonotopical aligned cochlear neurons. CT data was subsequently used to develop an anatomical exact finite element model (FEM) of the human cochlea which was deployed to calculate the resulting distribution of electrical potentials induced by electrodes along the reconstructed auditory nerve fibers. Implementation of finite element data to a compartment model of a human cochlear neuron enabled to analyze its excitability and temporal behavior to different stimulation strategies. Results. Hierarchical cluster analysis of acquired volumetric data of unmyelinated human auditory cell somata indicates the existence of four distinct populations of auditory neurons within the human hearing organ. The volume varies enormously resulting in delay differences of the generated AP while passing the somatic region which consequently influences the temporal parameters of signal transduction to the central nervous system. Moreover, these temporal parameters as well as the conduction velocity of APs are additionally depending on peripheral- and central process diameters and process length. Due to the narrowing anatomy of this coiled organ, apical neurons show highly spiral 3D pathways and feature significantly longer peripheral processes compared to middle- or basal turn neurons. As a consequence, finite element- and compartment model analysis suggests varying excitation profiles for nerve fibers originating from different frequency regions and the breach of the tonotopical principle by active electrodes of CIs located in the middle turn region. Conclusion. The combination of biological data collection methods, visualization of their results, mathematical modeling and computer simulation becomes increasingly important in the field of neuroscience or when refining bionic devices. Taking the human anatomical occurrences for CIs into account will tremendously improve the development of new electrode array configurations and stimulation strategies to restore the hearing sense more accurate. However, the results presented in this thesis provide new insights into the morphometrical and anatomical structure of the human cochlea and demonstrate the behavior of cochlear neurons in an anatomically precise computational environment.