Schnelle Lichtkanäle befeuern das Hören

(mpi/umg) Künstliche Hörhilfen – sogenannte Cochlea-Implantate – stimulieren den Hörnerv mittels kleiner Elektroden und können so zumindest einen Teil des Hörvermögens wiederherstellen. Allerdings ist das Hörvermögen der Betroffenen mit diesen Cochlea-Implantaten durch die reduzierte Information über die angebotenen Tonhöhen eingeschränkt. Eine Alternative zu den herkömmlichen Implantaten könnten in Zukunft optogenetische Implantate sein, wie sie derzeit am Göttingen Campus entwickelt werden. Dabei müssen den Hörnervenzellen im Ohr „molekulare Lichtschalter“ – sogenannte Kanalrhodopsine – eingesetzt werden.

Ein Forscherteam aus Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt a.M., des Göttingen Campus (Institut für Auditorische Neurowissenschaften der Universitätsmedizin Göttingen, Deutsches Primatenzentrum Göttingen und Max-Planck-Institut für Experimentelle Medizin) und des Frankfurter Max-Planck Instituts für Hirnforschung hat Kanalrhodopsine mit besonders kurzen Öffnungszeiten entwickelt und diese in Neuronen des Gehirns und des Ohrs von Mäusen eingesetzt. Besonderes Augenmerk wurde auf die rote Wellenlänge des anregenden Lichts gelegt, um eine möglichst hohe Gewebedurchlässigkeit zu gewährleisten. Damit gelang es den Forschern, das Feuern von Nervenimpulsen in verschiedenen Nervenzelltypen mit roten Lichtpulsen bis nahe an das physiologische Limit der jeweiligen Zellen „zu treiben“. Die Kanäle wurden mittels Genfähren gezielt in den Hörnerv des Ohrs eingebracht – eine wichtige Voraussetzung für die verbesserte Verarbeitung von Tonfrequenzen in zukünftigen optogenetischen Cochlea-Implantaten.

Optogenetische Cochlea-Implantate könnten schwersthörigen Menschen damit eines Tages sogar den Genuss von Musik ermöglichen.

FORSCHUNGSHINTERGRUND

Ein Gespräch auf der Straße, der Besuch eines Konzertes – alltägliche Dinge sind für Menschen mit Hörbehinderung häufig nicht mehr möglich. Ursache ist in den meisten Fällen ein Verlust der Sinneszellen in der Hörschnecke (Cochlea) des Ohres. Die Zellen wandeln den akustischen Reiz wahr in elektrische Signale um. Diese werden dann durch die Hörnerven an das Gehirn weitergeleitet. Die Cochlea kann man sich vereinfacht wie eine Wendeltreppe vorstellen, wobei jede Treppenstufe einer Tonhöhe entspricht – zusammen etwa 3000 „Stufen“ von ganz hoch am Eingang bis ganz tief an der Spitze. Die Hörnervenzellen repräsentieren jeweils eine Tonhöhe und zusammen den ganzen hörbaren Frequenzbereich.

Herkömmliche Cochlea-Implantate (CIs) reizen die Hörnervenzellen in der Cochlea mittels 12-24 Elektroden und umgehen so die defekten oder verlorenen Sinneszellen. Obwohl die Elektroden der Implantate klein sind, stimuliert jede von ihnen einen großen Frequenzbereich. Mit dem Bild der Wendeltreppe gesprochen: einen ganzen Treppenabsatz beim elektrischen Hören statt einzelner Treppenstufen beim normalen Hören. Dies erschwert es dem Gehirn jedoch, akustische Signale mit ähnlichem Frequenzgehalt voneinander zu unterscheiden. CI-Nutzer können daher zwar in der Regel Sprache verstehen, dies gelingt aber nur in ruhiger Umgebung. Die Melodien in Sprache und Musik sind CI-Nutzern kaum zugänglich. Wenn es gelänge, die Hörnervenzellen räumlich präziser zu stimulieren und damit die Unterscheidung von Frequenzen zu erleichtern, ließe sich das Hörvermögen erheblich verbessern.

OPTOGENETIK – EIN INNOVATIVER ANSATZ

Das relativ junge Gebiet der Optogenetik erlaubt es Neurowissenschaftlern seit einigen Jahren, Nervenzellen mit sehr hoher Ortsauflösung zellspezifisch mittels Licht gezielt an- und auszuschalten. Zum Einschalten der Zellen wird der ursprünglich aus einzelligen Algen stammende lichtempfindliche Ionenkanal – das sogenannte Kanalrhodopsine – in die Zellmembran via einer viralen Genfähre eingebracht.

In einer ersten Studie zum optogenetischen CI hatten Prof. Dr. Tobias Moser (Direktor des Instituts für Auditorische Neurowissenschaften, Universitätsmedizin Göttingen), Prof. Dr. Ernst Bamberg (Max-Planck Institut für Biophysik) und ihre Kollegen im Jahr 2014 herausgefunden, dass die verfügbaren Kanalrhodopsine wahrscheinlich „zu langsam für das Hören“ sind – ein gravierendes Hindernis auf dem Weg zum optogenetischen CI. Daher haben Ernst Bamberg und seine Mitarbeiter auf der Grundlage der Kanalrhodopsin-Struktur des Channelrhodopsins mehrere Kanalrhodopsin-Typen zielgerichtet durch geeignete Punktmutationen zu besonders schnellen „molekularen Lichtschaltern“ umgewandelt. D.h. je schneller die Schaltgeschwindigkeit, desto größer die Rate, mit der Nervenzellen lichtinduziert elektrische Nervenimpulse abfeuern können. Diese schnellen Lichtschalter haben großes Potential für das „Hören mit Licht“, aber auch für die Nutzung in anderen Bereichen des Nervensystems, so etwa für besonders schnell operierende hemmende Neurone, die von Dr. Johannes Letzkus, Forschungsgruppenleiter am Frankfurter Max-Planck-Institut für Hirnforschung, untersucht werden.

Einige der von den Forschern entwickelten Kanäle wurden zunächst in verschiedenen neuronalen Zellkulturen auf ihre Eignung für schnell feuernde Nervenzellen überprüft. Zwei Varianten, die durch rotes Licht angeregt werden und die sich durch besonders große Schaltgeschwindigkeit auszeichneten, wurden für die weiteren Versuche im Innenohr der Maus ausgewählt. Anders als die durch blaues Licht aktivierbaren Kanäle werden die als f(fast)-Chrimson bezeichneten Kanäle durch rotes Licht aktiviert – eine wichtige Eigenschaft: Denn rotes Licht durchdringt lebendes Gewebe auf Grund der geringen Lichtstreuung besonders gut und mit weniger Verbreitung durch Streuung. Zudem ist rotes Licht weniger zellschädigend als blaues Licht.

„Unsere Versuche mit Nervenzellen des Gehirns und des Hörnervs von Mäusen zeigen, dass die Kanäle elektrische Impulse mit einer Frequenz von bis zu 600 Hertz auslösen können. Das entspricht in etwa der maximalen natürlichen Erregungsrate – und das bei geringer Lichtintensität“, sagt Prof. Bamberg.

Da Nervenzellen die Kanalrhodopsine nicht natürlicherweise produzieren, müssen die Wissenschaftler einen molekularbiologischen Trick anwenden. Die Forscher nutzen dafür harmlose Viren als Genfähren, um das Gen in die Nervenzellen zu bringen. Die Göttinger Forscher konnten zeigen, dass Zellen des Hörnervs nach einer Virusinjektion in die Hörschnecke von Mäusen große Mengen der Kanalproteine produzieren. Laserblitze, die durch eine 50 Mikrometer dicke Glasfaser in die Hörschnecke geleitet wurden, lösten daraufhin elektrische Impulse im Hörnerv und im Hirnstamm der Tiere aus. Auch in alten Tieren mit verringertem Hörvermögen konnten die Forscher mit den Laserblitzen eine Antwort des Hörsystems mit guter zeitlicher Auflösung nachweisen.

Durch die zeitlich präzise Stimulation der Nervenzellen und höhere Frequenzauflösung versprechen optogenetische Cochlea-Implantate im Vergleich zu elektrischen eine deutlich verbesserte Hörqualität. Stark schwerhörige Patienten könnten damit vermutlich Sprache in lauter Umgebung verstehen und Musik genießen. „Bis optogenetische Implantate in der Praxis eingesetzt werden können, sind jedoch noch weitere Studien nötig“, erklärt der Göttinger Hörforscher Prof. Tobias Moser, der die Entwicklung des optischen Cochlea Implantats am Göttingen Campus leitet.

FAZIT

Welches Potenzial optogenetische Methoden für die Medizin haben, zeigt neben dieser Studie vor allem ihr Einsatz in der Netzhaut des Auges. Derzeit wird eine Behandlung mit Kanalrhodopsinen an Patienten getestet, die an einer fortschreitenden Zerstörung der Lichtsinneszellen der Netzhaut leiden, der sogenannten Retinitis pigmentosa. „Erste Ergebnisse zeigen, dass die Patienten wieder auf Lichtreize reagieren können“, sagt Bamberg.

„Die vorgelegte Studie ist ein schönes Beispiel, wie die fächerübergreifende Zusammenarbeit von Biophysikern, Neurophysiologen und Biomedizinern zum Erfolg eines komplexen Projektes erfolgreich durchgeführt werden kann“, sind sich die drei Projektleiter Bamberg, Moser und Letzkus einig.

Originalveröffentlichung:

High frequency neural spiking and auditory signaling by ultrafast red-shifted optogenetics. Thomas Mager, David Lopez de la Morena, Verena Senn, Johannes Schlotte, Anna D´Errico, Katrin Feldbauer, Christian Wrobel, Sangyong Jung, Kai Bodensiek, Vladan Rankovic, Lorcan Browne, Antoine Huet, Josephine Jüttner, Phillip G. Wood, Johannes J. Letzkus, Tobias Moser & Ernst Bamberg; Nature Communications; 1. Mai 2018 (DOI: 10.1038/s41467-018-04146-3)

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