Human cochlear nerve model

Abstract

Das menschliche Hörsystem zeigt im Vergleich zu anderen Säugetieren einige Besonderheiten. Die Somata der Cochlearneuronen sind unmyeliniert und bilden auch gelegentlich funktionelle Einheiten, die von gemeinsamen Satellitenzellen umgeben sind. Man vermutet, dass beide Einzigartigkeiten die neuronalen Muster wesentlich beeinflussen. Nachdem vitale humane Spiralganglien nicht experimentell zugänglich sind, müssen Modelle der elektrischen Aktivität eines Neurons Abhilfe leisten, die speziell an die menschlichen Besonderheiten angepasst sind. Bis heute bleiben einige Ungeklärtheiten bezüglich der physiologisch spezifischen Hörleistung und der humanen akustischen Signalcodierung.<br />Um die Entstehung und Weiterleitung eines Nervenimpulses zu untersuchen, wird die elektrische Aktivität der Neuronen mit Differentialgleichungen beschrieben, implementiert in MatLab 2011a (MathWorks, Natick, MS, USA).<br />Angepasst an die neuesten Daten über Morphologie und Anatomie der menschlichen Cochlearneuronen (teilweise bereitgestellt von der Medizinischen Universität Innsbruck) wurde ein Modell entwickelt um sowohl die natürliche Nervenübertragung als auch die Erregbarkeit bei elektrischer Stimulation zu simulieren. Die unmyelinierte Somaregion reduziert den Sicherheitsfaktor für erfolgreiche AP Weiterleitung, wobei kleine Änderungen von gewissen sensitiven Parametern unterschiedliche Erregungsprofile erzeugen. Das Clustering der Spiralganglien hat zwei Konsequenzen. Bei erfolgreicher ephaptischer Erregung kommt es zur Synchronisierung der berührenden Neuronen. Allerdings können wegen dem großen Stromverlust am Soma auch inhibitorsche Effekte beobachtet werden. Messungen der Reizempfindlichkeit von humanen Hörnerven unter elektrischer Stimulation konnten mit einem 2D Modell bestätigt werden. Die ersten Resultate mit einem neuen 3D Modell verdeutlichen die Unterschiede der Erregung von Neuronen unterschiedlicher Cochlearregionen.<br />Mathematische Modellbildung und Computer Simulation sind wichtige Instrumente zur Weiterentwicklung von elektrischen Neuroprothesen.<br />Erhobene Resultate tragen dazu bei die Hörleistung von Cochlear Implantat Patienten zu verbessern. Die Resultate der Dissertation verdeutlichen, dass es für zukünftige Studien unumgänglich ist, die menschlichen Besonderheiten bei der Modellierung zu berücksichtigen.<br />

The human auditory system certainly differs from other species, e.g., human spiral ganglion cell bodies are unmyelinated and often arranged in functional units covered by common satellite glial cells.<br />This unique morphology has often been speculated to affect excitability and spiking pattern of cochlear neurons. Since vital human spiral ganglion cells are not experimentally accessible, theoretical analysis concerning single neuron response has to be performed with consideration of fundamental anatomical data. Nonetheless the physiology of hearing is not fully understood, e.g., complex coding strategies as speech recognition and perception in noisy environment, attenuation effects and the temporal fine structure of the neural pattern. The electrical activity of neurons can be deduced from solving systems of differential equations which will enhance our understanding of action potential initiation and propagation of nerve impulses. Using MatLab 2011a (MathWorks, Natick, MS, USA) new anatomical and histological findings (partly provided by Medical University of Innsbruck) will be incorporated in a new model approach for simulating the natural spiking behavior of human cochlear neurons as well as their excitability to microstimulation by electrodes.<br />The unmyelinated soma region reduces the safety factor of AP transmission whereas certain sensitive parameter can be identified leading to divergent excitation profiles. The clustering of human cochlear neurons has two basic consequences. For successful ephaptic stimulation the spikes of adjacent neurons get synchronized. Some inhibiting effects can also be observed due to large current loss on the sensitive human soma region. Previously reported sensitivity pattern of human auditory fibers to electrical stimulation could be replicated with a 2D model neuron. Furthermore the findings with 3D data suggest highly diverging excitation pattern of tonotopically aligned neurons.<br />Mathematical modeling and computer simulation have become important and decisive tools for many clinical and medical applications. Especially further development for electrical prosthesis leading to better implant user performance is achieved by adapting stimulation strategies according to results obtained by computer simulation. Still, the results of the thesis predict that contemporary models shall be adapted according to the unique human in order to improve pending studies.<br />