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Optogenetische OLED-auf-CMOS-Stimulatoren NeurOpto: Optische Stimulatoren für Cochlea-Implantate

Verantwortliche:r Redakteur:in: Konstantin Pfliegl 2 min Lesedauer

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme arbeiten im Projekt NeurOpto an optischen Stimulatoren für Cochlea-Implantate. Sie sollen etwa die Spracherkennung verbessern.

(Bild: Иван Шенец / Adobe Stock)
(Bild: Иван Шенец / Adobe Stock)

Ein Cochlea-Implantat (CI) ist eine Hörprothese, welche die Funktion der Hörschnecke ersetzt. Während ein Hörgerät nur den Schall verstärkt, um so die Sprache für den Schwerhörigen verständlich zu machen, wandelt das CI den Schall in elektrische Impulse um. Allerdings sind dabei die Spracherkennung bei Hintergrundgeräuschen und der Musikgenuss oft stark eingeschränkt. Das Projekt NeurOpto des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme (IPMS) und des Max-Planck-Instituts für Multidisziplinäre Naturwissenschaften (MPI-NAT) soll das verbessern.

Optogenetik 

Bei der Optogenetik handelt es sich um eine Methode, bei der Licht verwendet wird, um genetisch veränderte Zellen in lebenden Geweben zu steuern. Durch die Einführung lichtempfindlicher Proteine in Zellen kann man deren Aktivität präzise mit Lichtimpulsen an- und ausschalten. Diese Technik wird häufig in der Neurowissenschaft eingesetzt, um die Funktionen von Nervenzellen zu untersuchen und spezifische Neuronenpopulationen zu aktivieren oder zu hemmen.  Um das Licht punktgenau zur Anregung der winzigen Zellen zu bringen, benötigt man nun ebenso kleine und örtlich selektive Lichtquellen.

NeurOpto: Optogenetische Stimulatoren

Aktuelle elektrische Cochlea-Implantate (eCI) nutzen eine unzureichende Frequenzauflösung der elektrischen Schallkodierung: Jeder Elektrodenkontakt stimuliert aufgrund der breiten Stromausbreitung auch weiter entfernte Nervenzellen, die andere Frequenzen kodieren.

Elektrische versus optische Cochlea-Stimulation: Von jedem der 12 Elektrodenkontakte eines gängigen elektrischen Cochlea-Implantats breitet sich der Strom weit aus (oben). Das Licht von knapp hundert unabhängigen Mikro-Leuchtdioden eines optischen Cochlea-Implantats kann auf einen kleinen Bereich projiziert werden (unten).(Bild: MPI-NAT)
Elektrische versus optische Cochlea-Stimulation: Von jedem der 12 Elektrodenkontakte eines gängigen elektrischen Cochlea-Implantats breitet sich der Strom weit aus (oben). Das Licht von knapp hundert unabhängigen Mikro-Leuchtdioden eines optischen Cochlea-Implantats kann auf einen kleinen Bereich projiziert werden (unten).
(Bild: MPI-NAT)

Da Licht viel präziser gesteuert werden kann, könnte ein optisches Cochlea-Implantat (oCI) dieses Problem überwinden. Die Anzahl der unabhängigen Frequenzbänder könnte durch örtlich-gezielte optische Stimulation von lichtempfindlichen Hörnervenzellen (SGN) erhöht werden. Dies wäre möglich durch Dutzende von mikroskaligen Lichtemittern entlang der Frequenzachse der Cochlea, die idealerweise individuell steuerbar sind.

Das Fraunhofer IPMS nutzt hierfür seine Erfahrungen aus der OLED-auf-Silizium-Technologie für Mikrodisplays. Das Ziel war es, CMOS-integrierte Lichtquellen höchster Pixeldichte und Helligkeit sowie geringster Leistungsaufnahme auf eine pixelierte OLED-Mikrosonde zu bringen, die über ein serielles Interface individuell örtlich verteilte Licht-Kanäle steuern kann, die in der Hörschnecke entsprechenden Audiofrequenzen zuordenbar sind.

Obwohl das Fraunhofer IPMS mit seiner OLED-auf-Silizium-Technologie für Mikrodisplays bereits einzigartige Merkmale eingebracht hat, die auch für die Optogenetik wichtig sind, gibt es weiterhin einige Herausforderungen: Die nötige Helligkeit und der Integrationsgrad konnten im Verlauf des Projekts erfolgreich demonstriert werden. 

Die Forscher beim Fraunhofer-Institut setzen auf OLED-auf-Silizium Technologie für die Optogenetik.(Bild: Fraunhofer IPMS)
Die Forscher beim Fraunhofer-Institut setzen auf OLED-auf-Silizium Technologie für die Optogenetik.
(Bild: Fraunhofer IPMS)

Allerdings sind Biegsamkeit und biologische Verträglichkeit derzeit noch nicht verifiziert. Die verwendete Silizium-Mikrotechnologie hat jedoch gezeigt, dass diese Eigenschaften prinzipiell erreichbar sind. Mit weiterem Forschungs- und Entwicklungsaufwand erscheinen sie daher auch hier machbar.

Das Projekt legte die ersten Grundlagen zum Einsatz der OLED-auf-Silizium-Technologie in der Optogenetik. Die Ergebnisse sind vielversprechend. Die Wissenschaftler werden weiter an dieser Technologie arbeiten und stehen auch anderen Einsatzgebieten offen gegenüber.

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