Signal and response properties indicate an optoacoustic effect underlying the intra-cochlear laser-optical stimulation

Optical cochlea stimulation is under investigation as a potential alternative to conventional electric cochlea implants in treatment of sensorineural hearing loss. If direct optical stimulation of spiral ganglion neurons (SGNs) would be feasible, a smaller stimulation volume and, therefore, an improved frequency resolution could be achieved. However, it is unclear whether the mechanism of optical stimulation is based on direct neuronal stimulation or on optoacoustics. Animal studies on hearing vs. deafened guinea pigs already identified the optoacoustic effect as potential mechanism for intra-cochlear optical stimulation. In order to characterize the optoacoustic stimulus more thoroughly the acoustic signal along the beam path of a pulsed laser in water was quantified and compared to the neuronal response properties of hearing guinea pigs stimulated with the same laser parameters. Two pulsed laser systems were used for analyzing the influence of variable pulse duration, pulse energy, pulse peak power and absorption coefficient. Preliminary results of the experiments in water and in vivo suggesta similar dependency of response signals on the applied laser parameters: Both datasets show an onset and offset signal at the beginning and the end of the laser pulse. Further, the resulting signal amplitude depends on the pulse peak power as well as the temporal development of the applied laser pulse. The data indicates the maximum of the first derivative of power as the decisive factor. In conclusion our findings strengthen the hypothesis of optoacoustics as the underlying mechanism for optical stimulation of the cochlea. © SPIE 201

Periodizitätsverarbeitung und Schallintensitätscodierung im Colliculus inferior der mongolischen Wüstenrennmaus (Meriones unguiculatus)

Schallsignale mit einer periodischen zeitlichen Struktur werden in der Natur häufig zur Kommunikation genutzt. Entsprechend sind bei vielen Tierarten Verarbeitungsmechanismen angelegt, die auf periodische Schallsignale ausgerichtet sind. Bei Wirbeltieren zerlegt das Innenohr den Schall in seine Frequenzbestandteile. Zugleich kann eine synchrone Übertragung von periodischen Schwankungen der Schallintensität (der „Signalumhüllenden“) durch die neuronale Antwort erfolgen. Eine solche synchrone neuronale Aktivität ist die Voraussetzung für die Umwandlung der Periodizitätsinformation in eine räumlich organisierte Ratencodierung. Zu dieser Umwandlung tragen periodizitätsabgestimmte Neurone des Colliculus inferior (IC) im auditorischen Mittelhirn bei. Ziel dieser Arbeit war es, festzustellen, ob es einen Zusammenhang zwischen Schallintensitätscodierung und Periodizitätsverarbeitung gibt. Dazu diente eine Untersuchung dieser Verarbeitungsparameter im auditorischen Mittelhirn der mongolischen Wüstenrennmaus (Meriones unguiculatus). Mit Hilfe von extrazellulären Wachableitungen im IC wurde das neuronale Antwortverhalten untersucht. Bei insgesamt 732 Einheiten wurden charakteristische Frequenzen zwischen 180 Hz und 30 kHz abgeleitet. Anhand des Antwortverhaltens bei Stimulation mit sinusförmig amplitudenmodulierten Signalen konnten 332 Einheiten in Bandpass- (Rate: 33%; Synchronisation: 34%), Tiefpass- (R.: 19%; S.: 52%) oder Allpass-Filter (R.: 13%; S.: 2%), sowie nicht abgestimmte Einheiten (R.: 30%; S.: 10%) oder komplexe Filtertypen (R.: 5%; S.: 2%) unterteilt werden. Bei 150 dieser Einheiten wurde die Änderung der neuronalen Rate mit Erhöhung der Schallintensität untersucht. Die so bestimmten dynamischen Bereiche konnten drei Klassen zugeordnet werden. 49% der Einheiten hatten einen breiten dynamischen Bereich, 43% der Einheiten hatten einen schmalen dynamischen Bereich und 8% zeigten einen Ratenverlauf mit einem Schallintensitätsoptimum. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Einheiten mit breitem Dynamikbereich vorwiegend Bandpass-abgestimmt waren (R.: 84%; S.: 77%), während Einheiten mit schmalem Dynamikbereich vorwiegend Tiefpass-Filter waren (R.: 79%; S.: 63%). Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass auf Ebene des Mittelhirns bei Säugern sowohl eine spektrale als auch eine temporale Verarbeitung der Signalumhüllenden stattfindet. Die Verarbeitungswege sind dabei offenbar getrennt. Im IC wird die Periodizitätsinformation jeweils aus ihnen rekonstruiert. Aus den Befunden ergibt sich eine mögliche Erklärung dafür, dass bei Menschen entweder die Grundfrequenz (temporale Information) oder die Obertöne (spektrale Information) eines periodischen Klanges zur Beurteilung der Tonhöhe herangezogen werden können

Periodizitätsverarbeitung und Schallintensitätscodierung im Colliculus inferior der mongolischen Wüstenrennmaus (Meriones unguiculatus)

Schallsignale mit einer periodischen zeitlichen Struktur werden in der Natur häufig zur Kommunikation genutzt. Entsprechend sind bei vielen Tierarten Verarbeitungsmechanismen angelegt, die auf periodische Schallsignale ausgerichtet sind. Bei Wirbeltieren zerlegt das Innenohr den Schall in seine Frequenzbestandteile. Zugleich kann eine synchrone Übertragung von periodischen Schwankungen der Schallintensität (der „Signalumhüllenden“) durch die neuronale Antwort erfolgen. Eine solche synchrone neuronale Aktivität ist die Voraussetzung für die Umwandlung der Periodizitätsinformation in eine räumlich organisierte Ratencodierung. Zu dieser Umwandlung tragen periodizitätsabgestimmte Neurone des Colliculus inferior (IC) im auditorischen Mittelhirn bei. Ziel dieser Arbeit war es, festzustellen, ob es einen Zusammenhang zwischen Schallintensitätscodierung und Periodizitätsverarbeitung gibt. Dazu diente eine Untersuchung dieser Verarbeitungsparameter im auditorischen Mittelhirn der mongolischen Wüstenrennmaus (Meriones unguiculatus). Mit Hilfe von extrazellulären Wachableitungen im IC wurde das neuronale Antwortverhalten untersucht. Bei insgesamt 732 Einheiten wurden charakteristische Frequenzen zwischen 180 Hz und 30 kHz abgeleitet. Anhand des Antwortverhaltens bei Stimulation mit sinusförmig amplitudenmodulierten Signalen konnten 332 Einheiten in Bandpass- (Rate: 33%; Synchronisation: 34%), Tiefpass- (R.: 19%; S.: 52%) oder Allpass-Filter (R.: 13%; S.: 2%), sowie nicht abgestimmte Einheiten (R.: 30%; S.: 10%) oder komplexe Filtertypen (R.: 5%; S.: 2%) unterteilt werden. Bei 150 dieser Einheiten wurde die Änderung der neuronalen Rate mit Erhöhung der Schallintensität untersucht. Die so bestimmten dynamischen Bereiche konnten drei Klassen zugeordnet werden. 49% der Einheiten hatten einen breiten dynamischen Bereich, 43% der Einheiten hatten einen schmalen dynamischen Bereich und 8% zeigten einen Ratenverlauf mit einem Schallintensitätsoptimum. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Einheiten mit breitem Dynamikbereich vorwiegend Bandpass-abgestimmt waren (R.: 84%; S.: 77%), während Einheiten mit schmalem Dynamikbereich vorwiegend Tiefpass-Filter waren (R.: 79%; S.: 63%). Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass auf Ebene des Mittelhirns bei Säugern sowohl eine spektrale als auch eine temporale Verarbeitung der Signalumhüllenden stattfindet. Die Verarbeitungswege sind dabei offenbar getrennt. Im IC wird die Periodizitätsinformation jeweils aus ihnen rekonstruiert. Aus den Befunden ergibt sich eine mögliche Erklärung dafür, dass bei Menschen entweder die Grundfrequenz (temporale Information) oder die Obertöne (spektrale Information) eines periodischen Klanges zur Beurteilung der Tonhöhe herangezogen werden können