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Hintergrund: Die Leistung unseres Hörsystems sowie die von Cochlea-Implantaten (CI) lassen sich oft nur mithilfe von Computermodellen bewerten. Unsere Modelle basieren auf hochauflösenden μCT-Scans menschlicher Felsenbeine und biophysikalischen Neuronenmodellen. In diesem Beitrag visualisieren wir die neuronale Erregung des auditorischen Nervs bei akustischer und elektrischer Stimulation, um beide Modalitäten vergleichen zu können.

Methoden: Hochaufgelöste μCT-Scans von menschlichen Schläfenbeinproben wurden sorgfältig segmentiert, um anatomisch realistische dreidimensionale Modelle des menschlichen Innenohres zu generieren. CI-Elektrodenarrays wurden virtuell eingefügt und die elektrische Stromausbreitung im Innenohr wurde mittels der Finite-Elemente-Methode (FE) berechnet. Weiterhin wurde der Verlauf von 400 Spiralganglienneuronen rekonstruiert und die extrazellulären Potenziale an den Ranvier-Knoten berechnet. Mit einem biophysikalischen Multikompartment-Modell mit spannungsabhängigen Ionenkanälen wurden die Erregungsmuster der Hörnervenfasern entlang der Cochlea berechnet. Erregungsmuster des intakten Innenohres wurden anhand bereits publizierter Innenohrmodelle berechnet. Mithilfe des Grafik-Tools Blender und der Python-API wurden die Anatomie des Innenohres sowie die neuronalen Erregungsmuster dreidimensional visualisiert.

Ergebnisse: In diesem Beitrag wird die Feuerrate der Hörnervenfasern in Echtzeit mit 60 Frames/s synchron zum akustischen Stimulus visualisiert. Für die Visualisierung der Nervenaktivität wurde ein Effekt gewählt, der Objekte zum Leuchten (Emission). Da Lichtblitze elektrischen Entladungen ähneln, bot dieser Effekt eine intuitive Darstellung der neuronalen Aktivität. Zusätzlich wurde die Jet-Farbkarte ausgewählt, um die Unterscheidbarkeit der Aktivierung zu erhöhen. Die Kombination aus Farbe und Leuchten verstärkte die Unterschiede im Dynamikbereich der neuronalen Erregungsintensität und durch weitere Effekte konnte so eine sehr eindringliche Animation erreicht werden.

Schlussfolgerung: Die gewählten Animationseffekte führten zu einer klaren und ansprechenden visuellen Darstellung der neuronalen Aktivierung im Innenohr. Bei der Analyse der Unterschiede zwischen natürlicher und elektrischer Stimulation in den Videos konnte unsere Visualisierung sowohl die Stärken als auch die derzeitigen Einschränkungen von CI hervorheben.