Role of electrode placement in cochlear implants for fiber excitation according to the tonotopic principle

Abstract

Das Cochleaimplantat (CI) ist ein Beispiel für die erfolgreiche funktionelle Elektrostimula- tion des Hörnervs. Ein wichtiger Bestandteil des CIs ist der Elektrodenträger, der in die Scala Tympani der Cochlea implantiert wird. Gewöhnlicherweise imitieren CIs das tonotopische Prin- zip der Cochlea; das heißt, hohe Frequenzen führen zu einer Stimulation von basalen Fasern, niedrige Frequenzen dagegen zu einer Stimulation von apikalen Fasern.<br />Diese Diplomarbeit basiert auf einer Computersimulation zur Elektrostimulation der Spiral- ganglionzellen (SGZ) des Hörnervs. In diesem Modell konnte mit Hilfe eines µCT einer mensch- lichen Cochlea die realistische Geometrie einer Cochlea und der tatsächliche Verlauf einer Auswahl von dreißig SGZ berücksichtigt werden. Auch die verschiedenen Leitfähigkeiten des Gewebes in der Cochlea wurden miteinbezogen. Das durch die Elektroden generierte elektri- sche Potential wurde mit Hilfe der FEM berechnet; für die Fasern wurde das Hodgkin-Huxley- Kompartment-Modell verwendet.<br />Der zentrale Aspekt dieser Diplomarbeit war, die elektrische Stimulation der apikalen SGZ zu untersuchen. Normalerweise haben die SGZ in der Cochlea einen planaren Verlauf. Die api- kalen SGZ dieses Modells jedoch spiralisieren zum Teil. Hierbei weisen gerade die zwei am weitesten apikal gelegenen SGZ eine deutliche Spiralität in ihren peripheren Axonen auf. Be- ginnend im Apex wurden einige Elektroden in die Scala Tympani mit einem Abstand von 30° positioniert; Elektrodenträger von heutigen CIs reichen allerdings nicht bis zum Apex.<br />Die spiralisierenden Dendriten der zwei apikalsten SGZ sorgen dafür, dass diese Fasern ent- lang ihrer Länge einen relativ geringen Abstand zu mehren Elektroden haben. Ideale planare SGZ dagegen nähern sich nur einer Elektrode an. Auf Grund der Inhomogenität des Gewebes in der Cochlea hängen der Abstand zu einer Elektrode und das elektrische Potential nicht li- near zusammen; dennoch sind nähere SGZ in der Regel mit weniger Strom erregbar als weiter entfernte.<br />Es hat sich herausgestellt, dass es für Elektroden zwischen 720° und 810° in der Cochlea und einem gewissen Strombereich möglich ist, gleichzeitig die eigentlich nächste SGZ und eine (oder beide) der in ihren Dendriten spiralisierenden SGZ anzuregen.<br />Somit werden tonotopisch nicht benachbarte Fasern gleichzeitig stimuliert. In anderen Worten, das tonotopische Prinzip wird bei der Elektrostimulation des Apex der Cochlea verletzt.<br />

The cochlear implant (CI) is an example for successful functional electrical nerve stimula- tion. An important CI component is the electrode array implanted in the scala tympani of the cochlea. Usually CIs mimic the tonotopic principle of the cochlea, which means high frequen- cies lead to a stimulation of basal fibers and low frequencies to a stimulation of apical fibers.<br />This thesis bases on a computer simulation of the electrical stimulation of the spiral gan- glion cells (SGCs) which are the elements of the cochlear nerve. For this model, the cochlear geometry and the pathway of a selection of thirty SGCs were gathered from a µCT of a human cochlea. Also the different conductances of the tissue in the cochlea were considered. The ex- ternal potential generated by an electrode in the cochlea was computed by applying the FEM; the fibers were modeled by a Hodgkin-Huxley compartment model.<br />The main topic of this thesis was to focus on the electrical stimulation of apical SGCs.<br />Usually the SGCs are assumed to be more or less planar. However, the apical SGCs described in this thesis show a spirality. For the two most apically arising SGCs this spiral structure is very prominent in the distal axons. Beginning in the apex, several electrodes with a distance of 30° were placed in the cochlea; actually electrode arrays of present CIs don¿t reach up to the apex of the cochlea.<br />The spirality in the dendrites of the two most apical SGCs results in a quite low distance towards multiple electrodes along their length - in contrast to the ideal planar SGC, which is only near towards one electrode. Actually the distance towards an electrode and the external potential at this point do not correspond linearly due to the inhomogeneity of the cochlear tissue; but still nearer SGCs are generally stimulated with lower current than SGCs, which are farer away.<br />So it was investigated, that for electrodes between 720° and 810° and a small range of current it is possible to stimulate simultaneously only the SGC which is actually the closest, as well as one (or both) of the SGCs spiraling in their peripheral axons and coming quite near to the electrode. This means, a subpopulation of tonotopically non-neighboring fibers is stimulated.<br />With other words, the tonotopic principle is disturbed by electrical stimulation of the apex.