Open Access

Die kongenital gehörlose Katze (CDC, congenitally deaf cat) stellt ein geeignetes Tiermodell für angeborene Gehörlosigkeit dar [Heid et al., 1998]. Ihr fehlen jegliche auditorischen Eingänge, das zentrale Hörsystem ist naiv. Doch die Hörnervenfasern bleiben erhalten und sind elektrisch stimulierbar. Zur chronischen Elektrostimulation des Hörsystems werden den Tieren im Alter von etwa zwölf Wochen Stimulationselektroden in die Cochlea implantiert. Nach der Operation erhalten die Tiere einen speziell für sie entwickelten Signalprozessor, der Umgebungsgeräusche über ein Mikrofon aufnimmt und in geeigneter Weise an die Stimulationselektroden weiterleitet. Von diesem Zeitpunkt an werden die CDCs 24h pro Tag mit Schallsignalen versorgt. Das anfangs naive Hörsystem durchläuft von da an eine Reifung, die die CDCs schließlich zu komplexerer Schallanalyse als Leistung des zentralen Hörsystems befähigt [Klinke et al., 1999b]. Neurophysiologische Experimente können die angesprochene Reifung des Hörsystems nur zu einem festen Zeitpunkt darstellen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Methode, mit der sich diese Reifungsprozesse der CDC im zeitlichen Verlauf verfolgen lassen. Die funktionelle Kernspin- oder Magnet-Resonanz-Tomographie (functional magnetic resonance imaging, fMRI) ist ein geeignetes Untersuchungsverfahren, das die Darstellung cerebraler Aktivierungen zu verschiedenen Zeitpunkten der Entwicklung erlaubt, allerdings ist das in der Humanmedizin gängige Verfahren bislang nicht an kleinen Säugetieren anwendbar gewesen. Im Rahmen dieses Dissertationsprojektes wurde ein solches, für die fMRI an Katzen geeignetes Meß- und Stimulationssystems völlig neu entwickelt und erfolgreich zur Untersuchung der Kortexaktivierung unter elektrischer Stimulation der Katzen-Cochlea eingesetzt [Thierfelder et al., 2000]. Zunächst wurde gezeigt, daß die speziell für die chronische Implantation bei der CDC entwickelten Stimulationselektroden [Behrendt, 1999] sowohl mit der anatomischen wie auch der funktionellen MR-Bildgebung kompatibel sind. Zur Signalübertragung während der funktionellen Untersuchungen wurde eine elektro-optische Übertragungsstrecke aufgebaut, mittels der der Stimulus vom Signalgenerator zum Implantat geleitet wird. Im Gegensatz zu einer rein elektrischen Signalübertragung verhindert hierbei ein optisch isolierter Signalpfad die Einstreuung von externen Hoch-frequenzen aus dem Radioband. In Korporation mit der Firma Siemens wurde eine speziell an die Anatomie der Katze angepaßte Sende-/Empfangsspule entworfen und optimiert. Durch die dabei erzielte Minimierung des Probenvolumens wurde ein Gewinn von 80% des Signal-zu-Rausch- Verhältnisses gegenüber einer bis dahin verwendeten Oberflächenspule zur Untersuchung des Handgelenks erreicht. Um die Überlagerung des elektrischen Stimulus mit Störsignalen des MRT im Bereich des eigentlichen Implantats zu verhindern, wurde ein Triggermodul für die Übertragungsstrecke konzipiert und erfolgreich implementiert. Solche Störspannungen können in jeder Leiterschleife durch Spinanregungs- und Schichtauslese-Pulse induziert werden. Deshalb wurden die zur fMRI verwendeten Sequenzen so geändert, daß sie unmittelbar vor der Akquisition der zu untersuchenden Tomogramme ein Stimulations-Stop-Signal ausgeben. Dieses Stop-Signal wird von einer selbstentwickelten Controller-Einheit verwaltet, die den Umschaltvorgang von der Ruhe- auf die Stimulationsphase bzw. umgekehrt steuert. Auf der Basis theoretischer Abschätzungen und eigener Messungen erwies sich die gleichzeitige Durchführung von elektrischen Stimulationen der CDCs unter Cochlea-Implantat-typischen Bedingungen und Standard-fMRI-Untersuchungen als unbedenklich. Elektrische, thermische oder toxische Beeinträchtigungen konnten ausgeschlossen werden. Zur Untersuchung kortikaler Reifung naiver Hörsysteme wurde die kortikale Aktivität für ein Einzelexperiment an einem ertaubten Tier und im Rahmen von Verlaufsstudien an zwei chronisch stimulierten CDCs untersucht. Zunächst wurde durch fMRI nachgewiesen, daß evozierte Aktivierungen im auditorischen Kortex reliabel dargestellt werden können. Als Korrelat elektrisch evozierter Aktivität wurde die Anzahl aktiver Voxel bestimmt. Die Abhängigkeit der Aktivität von der elektrischen Stimulationsintensität wurde relativ durch den Kontralateralitätsindex KL ausgewertet, um die Ergebnisse mit ähnlichen Untersuchungen bei akustischer Stimulation am Menschen zu vergleichen. KL beschreibt das Verhältnis aus kontralateraler Aktivität und der Summe aus kontralateraler und ipsilateraler Aktivität. Analog zum KL-Anstieg mit Anwachsen der akustischen Stimulationsintensität beim Menschen [Hart et al., 2001] nimmt auch bei elektrischer Stimulation der Katze der KL-Index signifikant zu. Die Steigungen beider Regressionsgeraden stimmen etwa überein, wenn man die für elektrische (1.37dB%) und akustische (0.37)(%SPLdB) Stimulationen des Hörnerven unterschiedlichen Dynamikbereiche berücksichtigt (10dBel vs. 40dBak SPL) [Raggio und Schreiner, 1994]. Denn die Steigung der Regressionsgerade, genauer die über weite Intensitätsbereiche als linear anzunehmende KL-Änderung fällt um so geringer aus, je größer der Dynamikbereich des informationsverarbeitenden Systems ist. Nach Klinke et al. [Klinke et al., 1999b] wachsen sowohl die Amplituden als auch die Flächen von aus dem primären auditorischen Kortex abgeleiteten Feldpotentialen mit der Dauer der chronischen, elektrischen Cochlea-Stimulation von CDCs. Weiterhin fällt nach Kral et al. [Kral, 2001, Kral et al., 2002] dieser Amplituden- und Flächenzuwachs um so größer aus, je früher die Implantation erfolgte. Aus den Aktivierungsumfängen wurden zur Untersuchung kortikaler Reifungsprozesse für ein früh (3.5m) und ein adult (6m) implantiertes Tier die KL-Werte berechnet. Für beide Tiere ist KL der ersten, naiven Messung nahezu gleich (KLjung≅0.0 vs. KLadult≅0.3). Mit der Dauer der chronischen Elektrostimulation (58d vs. 76d) wächst der Wert für das früh implantierte deutlich (KLadult≅1.0), während er sich für die adult implantierte Katze nicht verändert (KLadult≅0.15). Die Ergebnisse aus den fMRI-Messungen decken sich also mit neurophysiologischen Daten. Die hier entwickelte fMRI-Methode ist demnach für Verlaufsbeobachtungen an cochleaimplantierten Katzen brauchbar.

In dieser Arbeit werden grundlegende Untersuchungen zum Verständnis der dynamischen Wechselwirkungsmechanismen atomarer Projektile mit Festkörperoberflächen vorgestellt, die zur Emission von Sekundärionen führen. Der zentrale Ansatzpunkt ist dabei die Vermessung der Dynamik über die geschwindigkeits- und winkeldifferentielle Verteilung der emittierten Sekundärionen. Dazu wurde ein neuartiges Spektrometer entwickelt, in dem jedes in einem homogenen elektrischen Feld abgelenkte Sekundärion durch seine Flugzeit (TOF) und den Auftreffort auf einen 2-dimensionalen (XY) ortsempfindlichen Detektor charakterisiert wird. Das Prinzip basiert auf dem in Gastargetexperimenten erfolgreich eingesetzten Frankfurter Meßsystem COLTRIMS (COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy). Dieses System wurde weiterentwickelt und erstmalig in Frankfurt in einem Festkörperexperiment zur geschwindigkeits- und winkeldifferentiellen Spektrometrie von Sekundärionen angewendet. Ein zusätzliches Merkmal gegenüber herkömmlichen Spektrometern ist die Möglichkeit der einfachen Variation des Einfallswinkels 0p vom Projektil zum Target. Die korrekte Transformation der gemessenen Daten in eine 3-dimensionale Anfangsgeschwindigkeitsverteilung bedingt eine möglichst präzise Eichung des Spektrometers. Dazu wurde die in diesem Zusammenhang neuartige Methode des Strahlprofilmonitors entwickelt und eingesetzt. Durch die Wechselwirkung des Projektils mit einem nicht lokalisierten Gastarget erzeugt es auf seinem Weg durch das Spektrometer eine Spur aus Ionen. Die Gasionen befinden sich im Verhältnis zu den von dem Festkörper emittierten Sekundärionen nahezu in Ruhe. Daher kann über die Analyse der Projektilspur auf die zur Eichung notwendigen, aber im Experiment nicht direkt zugänglichen Parameter, wie Flugzeit (T0) und Auftreffort (x0/y0) für Teilchen mit der Geschwindigkeit v0z = v0x = v0y = 0, geschlossen werden. Die systematische Variation von Projektil- (He0/N0/Ar0, Ep = 0.2 - 2.2 MeV, 0p = 37°-78° relativ zur Oberflächennormalen) und Targeteigenschaften (Au/C/LiF/Al) erlaubt ein gezieltes Studium der dynamischen Wechselwirkung zwischen Projektilen und Festkörperoberflächen. Das untersuchte H+-Sekundärion entstammt einer Festkörperoberfläche bedeckenden quasistabilen Kontaminationsschicht, die im wesentlichen aus den Adsorbaten H2, H2O, CxHy besteht. Die gemessenen H+-Geschwindigkeitsverteilungen besitzen ein Maximum etwa bei v0 ungefähr gleich 25-35 km/s mit Ausläufern (abhängig von 0p) bis hin zu 240 km/s. Bei sinkender Projektilgeschwindigkeit zeigt die Verteilung der emittierten H+-Sekundärionen bei hohen Emissionsgeschwindigkeiten (v0 > 60 km/s) eine stark ausgeprägte Asymmetrie in der von dem einfallenden Projektil und der Oberflächennormalen definierten Ebene. Ionen werden mit einer hohen Geschwindigkeit (bis zu 140 km/s bei 0p = 45°) unter einem Winkel von ca. 90° zum Projektil, unabhängig von 0p, emittiert. Diese Asymmetrie wird durch eine binäre Kollision des Projektils mit dem Wasserstoff verursacht. Die Variation der Projektilgeschwindigkeit ist korreliert mit der deponierten Energie des Projektils im Festkörper. Daher kann in der Dynamik der Sekundärionen deutlich der Beitrag des nuklearen Anteils an der totalen Energiedeposition aufgezeigt und getrennt werden. Bei Emissionsgeschwindigkeiten v0 < 60 km/s zeigt sich eine starke Abhängigkeit von den Targeteigenschaften. Bei konstantem Einfallswinkel beobachten wir eine Verschiebung der Maxima von v0 max ungefähr gleich 26.5 km/s bei Au-, über 27.9 km/s bei Al- bis hin zu 32.5 km/s bei LiF-Targets. Es zeigt sich keine meßbare Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Projektils bei Auund C-Targets, dagegen eine deutliche Verschiebung der Maxima hin zu größeren Geschwindigkeiten bei dem Al- (v0 max ungefähr gleich 27.5 km/s - 30 km/s) und dem LiF-Target (v0 max ungefähr gleich 32.5 km/s - 35.5 km/s) mit einer Vergrößerung von 0p. Ionen mit v0 < 30 km/s werden zum Großteil rückwärts in Richtung des einfallenden Projektils emittiert. Au und C sind gute, LiF und das mit einer Al2O3-Schicht überzogene Al dagegen schlechte elektrische Oberflächenleiter. Die Verschiebung der Verteilungen bei einem schlechten elektrischen Leiter ist ein Hinweis auf den zeitabhängigen Zerfall des Projektilspurpotentials im Festkörper. Die Zunahme der Emissionsgeschwindigkeit v0 bei Vergrößerung von 0p ist in der Vergrößerung der effektiven Targetdicke begründet und ein Hinweis auf eine targetdickenabhängige Neutralisationszeit des geladenen Spurkerns durch Elektronen des Substrats. Korrelationen im Sekundärionenemissionsprozeß bezüglich Impuls- und Energieerhaltung zwischen einem emittierten H+-Sekundärion und einem möglichen zweiten Sekundärion wurden nicht beobachtet. Über die Eichung hinaus eröffnen sich zusätzlich noch einige vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten des Strahlprofilmonitors. Zum einen ermöglicht er a) in der Gasmassenspektrometrie eine exakte Korrektur der Ionenflugzeit unabhängig vom Ort der Ionisation und zum anderen bildet er b) eine innovative Methode zur Kartographie lokaler elektrischer Felder und c) ferner einen alternativen Zugang zur Vermessung von Projektilstreuwinkeln. Die Verwendung eines ortsempfindlichen Detektors in der „kinematischen“ Materialanalyse verbindet simultan gute Tiefenprofilauflösung mit dem Nachweis eines großen Raumwinkels zugunsten einer besseren Statistik. Die Kenntnis der Emissionscharakteristik bewährt sich zudem in der Massenanalyse in der Unterscheidung von Ionen fast identischer Massen.