Wisst ihr, was ein Cochlea-Implantat ist? Das ist so eine Art Hörgerät, könnte man sagen, aber tief in der Gehörschnecke drinnen angebracht. Und damit können Menschen mit schwerem Hörverlust wieder Zugang zu Sprache bekommen. Aber die Geräte kommen noch relativ schnell an ihre Grenzen, sage ich mal, gerade dann, wenn viele Geräusche gleichzeitig auftreten. Und Forschende arbeiten deshalb an einer radikalen Alternative. Und um die geht es heute bei uns hier im Spektrum-Podcast. Mein Name ist Max Zimmer. Schön, dass ihr dabei seid.
Vielleicht kennt ihr das, wenn man in so einem vollen Restaurant zum Beispiel sitzt. Und um euch herum klappern die Teller, da unterhalten sich viele Leute gleichzeitig. Irgendwo im Hintergrund läuft vielleicht auch noch Musik. Bei meinem Opa ist es so, der hat ein Hörgerät und sagt in solchen Situationen dann immer gerne: „Jetzt ist Schluss, jetzt klappt hier nichts mehr.“ Da kann selbst die beste Technik quasi nicht mehr helfen. Und dann schaltet er das irgendwann einfach ab und guckt sich die Szenerie dann so an. Also man kann sich das, glaube ich, vorstellen. Selbst uns ohne Höreinschränkungen fällt es ja schon schwer, in so einer Situation dann wirklich alles so zu filtern. Und es ist extrem anstrengend, diese ganzen Geräusche irgendwie zuzuordnen. Und das ist auch für Menschen mit einem sogenannten Cochlea-Implantat so. Also auch für die sind solche Situationen eine echte Herausforderung.
Cochlea-Implantate und ihre Grenzen
Cochlea, so heißt die Gehörschnecke im Lateinischen, und genau da stecken eben diese Implantate drin. Die sind eine der erfolgreichsten Neuroprothesen, so sagt man, überhaupt. Mehr als eine Million Menschen weltweit profitieren bereits von diesen Implantaten. Und die Geräte können sogar Menschen, die vorher wirklich taub waren, nach einem längeren Hörtraining dann ermöglichen, Widersprache zu verstehen. Aber das Ganze hat eben Grenzen. Zum Beispiel in Situationen wie eben beschrieben im Restaurant. Untersuchen Forschende jetzt mit Hochdruck nach Lösungen. Und eine, die funktioniert, basiert auf Licht. Und wenn ihr jetzt sagt: „Licht und Hören, wie passt das denn zusammen?“ Genau darüber wollen wir heute sprechen. Und zwar mit Anna Lorenzen. Die ist Redakteurin bei Spektrum der Wissenschaft und heute mein Gast. Hallo Anna! Hallo Max!
Ursachen für Hörverlust
Anna, warum können Menschen überhaupt ihr Gehör verlieren? Das würde ich, glaube ich, gerne erstmal kurz verstehen. Also, was passiert da im Ohr? Ja, also der ganze Lärm im Lauf unseres Lebens setzt den super feinen Strukturen im Innenohr einfach immens zu. Und Schallwellen sind ja Druckwellen. Und die können bei einer gewissen Stärke die Haarzellen in der Hörschnecke, also der Cochlea, zerstören. Diese Haarzellen wandeln Schallwellen in elektrische Signale um und leiten diese Informationen an die Ganglienzellen. Deren Fortsätze bilden den Hörnerv. Und sterben die Haarzellen ab, kann das Gehirn also die akustischen Informationen nicht mehr empfangen. Und das merkt man dann vor allem in den hohen Frequenzen am Anfang. Es leiden weltweit so um die 500 Millionen Menschen an einer behandlungsbedürftigen Schwerhörigkeit. Und das ist schon schlimm, weil Hörverlust die Lebensqualität stark beeinträchtigt. Und es kann sogar das Risiko für Depression und Demenz erhöhen. Daher ist es super wichtig, sich früh um ein Hörgerät zu kümmern.
Allerdings können diese üblichen Hörgeräte auch nur bis zu einem gewissen Grad helfen. Denn das funktioniert nur so lange, wie auch intakte Haarzellen noch da sind. Und wenn zu viele von diesen Haarzellen abgestorben sind, dann ist ein Cochlea-Implantat eine Alternative. Genau, also diese Implantate habe ich ja gerade schon angesprochen. Was genau ist denn das eigentlich, so ein Cochlea-Implantat und für wen kommt es vielleicht auch in Frage? Ja, genau. Also für Menschen, deren Schwerhörigkeit so weit fortgeschritten ist, dass sie schon quasi taub sind, sind Cochlea-Implantate eine gute Lösung. Genau, also diese Implantate müssen, wie der Name schon sagt, implantiert werden. Das heißt, operativ unter Vollnarkose werden die eingesetzt. Und dabei führt man mehrere Elektroden, 12 bis 24, entlang der Hörschnecke ein. Und man umgeht damit quasi die Haarzellen. Der Schall wird dann als elektrisches Signal direkt an den Hörnerv gesendet. Und für viele Betroffene ist das wirklich wie ein Wunder. Also selbst fast taube Menschen können nach mehrmonatigem Hörtraining wieder Sprache verstehen.
Herausforderungen beim Hören
Ja, also das ist wirklich eine krasse Hilfe für Leute, bei denen das funktioniert. Und jetzt kommen wir aber zu unserem eigentlichen Thema heute. Das Ganze hat Grenzen. Warum ist denn jetzt zum Beispiel, wie in der eingangs beschriebenen Situation im Restaurant, das Hören manchmal so schwierig? Ja, der Grund liegt in der Art und Weise, wie der Hörnerv stimuliert wird mit diesen Implantaten, nämlich mit elektrischem Strom. Also die Haarzellen sind ja entlang der Hörschnecke nach Tonhöhen angeordnet. Und hohe Schallfrequenzen aktivieren die Haarzellen an der Basis und tiefe an der Spitze. Und klassische Cochlea-Implantate aktivieren Elektroden in der Hörschnecke eben nach dieser Anordnung. Aber elektrische Ströme breiten sich in der Flüssigkeit in der Cochlea weit aus. Und dadurch aktiviert jede Elektrode in der Hörschnecke also nicht nur gezielt die gewünschten Zellen des Hörnervs, sondern auch benachbarte Bereiche. Und in der Folge verschwimmen halt also überlappen Frequenzen und die Trennschärfe sinkt. Das heißt, Sprache in ruhiger Umgebung funktioniert noch, aber wenn es da Störgeräusche gibt, dann wird es schon sehr schwierig.
Licht als Lösung
Okay, verstehe. So, und jetzt gibt es einen Ansatz in der Forschung. Da überlegt man oder arbeitet schon dran, bei den Implantaten auf Signale aus Licht zu setzen. Du hast ja eben gesagt, sonst sind es bisher elektronische Signale. Warum könnte denn Licht da jetzt helfen oder besser geeignet sein als Strom? Also Licht lässt sich räumlich viel präziser eingrenzen als elektrischer Strom. Und dadurch kann man dann halt deutlich kleinere Gruppen von Nervenzellen gezielt aktivieren. Und das Hörempfinden ist dann deutlich natürlicher. Die Idee klingt natürlich futuristisch, aber Teams in Göttingen um den Hörforscher Tobias Moser arbeiten schon seit vielen Jahren daran, dass das tatsächlich bald Wirklichkeit wird. Und einige der jüngsten Arbeiten zeigen jetzt erstmals, dass die Technik ja so effizient wohl ist, dass das bald Eingang in die Klinik finden wird.
Versuch mir das mal so ein bisschen noch zu erklären. Also wie kann jetzt eine Nervenzelle, die normalerweise ja gar nicht Licht wahrnimmt, also jetzt im Ohr, wieso kann die plötzlich auf Licht reagieren? Genau, also das kann man dank der sogenannten Optogenetik umsetzen. Also dabei schleust man die Gene von lichtempfindlichen Proteinen quasi als Lichtschalter in die Zellen ein. Also hier in dem Fall in die Ganglienzellen, deren Fortsätze den Hörnerv bilden. Das heißt, mit der Methode werden diese Zellen dann lichtempfindlich gemacht. Und dafür verwendet man aus Algen gewonnene Proteinkanäle, Rhodopsin. Und dieses Protein bildet ein Ionkanal in der Zellmembran, und der öffnet sich dann bei Anregung mit Licht. In der Folge strömen positiv geladene Ionen ein und letztendlich wird ein Impuls dadurch aktiviert. Und dieses Neuron reagiert dann auf Licht. Es kann damit aktiviert werden und die Information an den Hörnerv weitergeben.
Und dieses Gen bringt man quasi in die Zelle ein, oder wie läuft das? Genau, also um diese Algenproteine in die Zellen hinein zu bekommen, nutzt man harmlose Viren. Das sind meist adenoassoziierte Viren, und man benutzt die quasi als Genfähren. Also man injiziert so eine Lösung mit Viren, und die Viren binden sich dann an die Ganglienzellen und platzieren quasi das Gen für den lichtempfindlichen Ionenkanal in den Zellkern. Und die Zellen bauen dann praktischerweise den Kanal einfach in ihre Membran ein.
Aktueller Stand der Forschung
Okay, krass! Krasse Technologie. Also Anna, wenn ich das nochmal wiederhole oder rekapituliere, wir haben eigentlich das Problem, dass diese elektrischen Signale in den heutigen Cochlea-Implantaten sich so ein bisschen überlappen können, weil die sehr großflächig dann quasi ansprechen. Also man sorgt einfach dafür, dass in der Gehörschnecke auf Licht reagiert wird, obwohl das vorher gar nicht der Fall war. Ja, genau. Das klingt verrückt, aber ja, es funktioniert.
Ja, krass! Wie weit ist man denn bei der Entwicklung? Also welche Probleme oder so müssen da vielleicht noch gelöst werden, bevor Menschen, ich muss das nochmal so deutlich sagen, mit Hilfe von Licht hören können? Ja, also da ist man tatsächlich schon recht weit. Also es muss noch an Details gefeilt werden, zum Beispiel daran, das perfekte Kanalprotein herzustellen, also diesen Lichtschalter. Denn das Kanal-Rhodopsin muss die Ganglionzellen sehr lichtempfindlich machen, damit die Batterie des Implantats geschont wird. Weil das wird ja operativ eingesetzt und das muss einfach lange halten. Und gleichzeitig muss das bei Licht aus auch sehr schnell wieder schließen, damit die zeitliche Information präzise übertragen wird. Die Suche nach dem optimalen Protein erwies sich bisher als eine der größten Herausforderungen. Die Gruppe um Matthias Moser hat hier kürzlich auch eine sehr effiziente Variante entwickelt. Und es reicht jetzt mittlerweile ein sehr schwaches Licht, um diesen Schalter zu bedienen.
Und auch an der Hardware muss noch gefeilt werden. Also klassische Cochlea-Implantate verwenden ja so diese dünnen Elektronenarrays, die in die Hörschnecke eingeführt werden. Und optische Prothesen benötigen winzige Lichtquellen, das heißt Laserdioden oder Mikro-LEDs. Und aktuell entwickelt man in Göttingen auf Laserdioden basierende Implantate. Und das Ziel ist auch die Entwicklung eines Prototyps mit 64 Kanälen. Zum Vergleich: Diese klassischen Implantate haben 12 bis 24. Und mit diesen 64 Frequenzkanälen könnte man Schallhalt in viel mehr Frequenzen zerlegen. Und dann wird das halt noch genauer.
Und es zeichnen sich jetzt erstmals Lösungen ab für diese drei zentralen Herausforderungen: Also die Gentherapie, die lichtempfindlichen Proteine und die Technik. Und das ist jetzt soweit, dass in den nächsten Jahren wohl die ersten klinischen Studien am Menschen starten können. Ja, wahnsinnig spannende Forschung, die natürlich vielen, vielen Menschen potenziell helfen kann, wenn sie denn dann soweit ist.
Wenn ihr das nochmal nachlesen wollt, macht das unbedingt! Ihr könnt das checken auf spektrum.de. Findet ihr den Artikel. Und ja, liebe Anna, dir sage ich vielen, vielen Dank fürs Erklären! Ja, sehr gerne!
Und das war es für diese Woche bei uns hier vom Spektrum-Podcast. Euch vielen, vielen Dank fürs Zuhören. Seid gern auch kommende Woche wieder dabei. Wie immer am Freitag gibt es dann eine neue Folge von uns. Und bis dahin gerne Podcast abonnieren, kommentieren, gerne bewerten und natürlich auch teilen. Das hilft uns sehr. Auch dafür vielen, vielen Dank! Mein Name ist Max Zimmer und ich sage Tschüss und macht’s gut!
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Foto: Spektrum der Wissenschaft