Neuronale Implantate

Wir entwickeln Neuroelektroden, die eine medizinisch sichere, hoch auflösende elektrophysiologische Messung und Stimulation neuronaler Aktivität im zentralen Nervensystem ermöglichen. Ein Schwerpunkt ist die Weiterentwicklung der Elektrodentechnik für den Einsatz als neuroelektrische Schnittstelle, z.B. für die adaptive tiefe Hirnstimulation (engl.: deep brain stimulation, DBS) oder zentrale Hörprothesen. Hierzu setzen wir verschiedene Verhaltensparadigmen ein. Zudem untersuchen wir Ansätze zur Prävention und Behandlung von Implantatinfektionen.

Forschung

Funktionelle Neurochirurgie – Elektrodentechnik

Neuroelektroden, die eine dauerhafte, medizinisch sichere, räumlich hoch-auflösende elektrophysiologische Messung und Stimulation im zentralen Nervensystem ermöglichen, werden als neuroelektrische Schnittstellen eingesetzt, z.B. bei der tiefen Hirnstimulation oder als zentrale Hörprothesen.
Bei der tiefen Hirnstimulation (engl.: deep brain stimulation, DBS) werden Elektroden in bestimmte Gehirnregionen implantiert und dort dauerhaft elektrisch stimuliert. Dies ist bei Bewegungsstörungen, wie der Parkinsonerkrankung, eine hochwirksame und etablierte Therapie. Bei neuropsychiatrischen Erkrankungen gewinnt die DBS zunehmend an Bedeutung.
Die Wirkungsmechanismen der DBS, insbesondere ihr Einfluss auf die Pathophysiologie der jeweiligen Erkrankung, sind noch nicht vollständig geklärt. Zur Erforschung dieser Mechanismen setzen wir Tiermodelle ein, um die komplexe Interaktion der DBS mit den neuronalen Funktionsschleifen des Gehirns unter normalen und krankhaften Bedingungen besser zu verstehen. Die daraus gewonnenen Informationen nutzen wir, um die Behandlungsmethoden der DBS weiterzuentwickeln und zu verbessern.

Im Rahmen einer DFG (Deutsche Forschungsgesellschaft) geförderten Kooperation mit der Arbeitsgruppe Barcikowski, Technische Chemie I der Universität-Duisburg Essen, haben wir gezeigt, dass die Abscheidung von Platin-Iridium-Nanopartikel zur Impedanzoptimierung von Ableit- und Stimulationselektroden beiträgt, ohne die Biokompatibilität der Elektroden zu beeinflussen. Derzeit untersuchen wir, ob die Qualität der elektrophysiologischen Ableitung durch eine derartige Beschichtung verbessert werden kann.
Im Rahmen eines von der EU bewilligten Forschungsprojekts unter der Federführung von Prof. Doll (Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine ITEM Translational Biomedical Engineering), werden bei Ratten neuartige Elektrodenarrays implantiert, mit denen die kortikale Aktivität ähnlich wie beim EEG aber mit höherer Auflösung chronisch abgeleitet werden kann. Derartige Elektrodenarrays können später für die Ableitung neuronaler Aktivität im Rahmen der adaptiven DBS genutzt werden.

Weitere Informationen
Prof. Dr. Kerstin Schwabe (schwabe.kerstin@mh-hannover.de)
Prof. Dr. Joachim K. Krauss (krauss.joachim@mh-hannover.de)

Ausgewählte Literatur

Ramesh V, Rehbock C, Giera B, Karnes JJ, Forien JB, Angelov SD, Schwabe K, Krauss JK, Barcikowski S. Comparing Direct and Pulsed-Direct Current Electrophoretic Deposition on Neural Electrodes: Deposition Mechanism and Functional Influence. Langmuir. 2021 Aug 6.

Koenen S, Rehbock C, Heissler HE, Angelov SD, Schwabe K, Krauss JK, Barcikowski S. Optimizing in Vitro Impedance and Physico-Chemical Properties of Neural Electrodes by Electrophoretic Deposition of Pt Nanoparticles. Chemphyschem. 2017 May 5;18(9):1108-1117.

Angelov SD, Koenen S, Jakobi J, Heissler HE, Alam M, Schwabe K, Barcikowski S, Krauss JK. Electrophoretic deposition of ligand-free platinum nanoparticles on neural electrodes affects their impedance in vitro and in vivo with no negative effect on reactive gliosis. J Nanobiotechnology. 2016 Jan 12;14:3.

Kooperationen
Prof. Dr. Holger Blume (Institut für Mikroelektronik, LUH)
Prof. Dr. Theodor Doll (Klinik für Hals-, Nasen-, Ohrenheilkunde, MHH)
Prof. Dr. Stephan Barcikowski, Dr. Christoph Rehbock (Institut für techn. Chemie, Universität Duisburg-Essen)

Förderung
MDOT-Proposal-SEP-210512779
DFG - KR 2931/3-3

Implantatinfektionen

Implantat-assoziierte Infektionen sind eine der Hauptursachen für Implantatversagen und eine große Herausforderung in vielen chirurgischen Bereichen. In der Regel werden diese Infektionen durch Bakterien ausgelöst, die sich an der Implantatoberfläche anheften, sich in komplexen Biofilmen organisieren und eine chronische Entzündung mit destruktiven Veränderungen des umgebenden Gewebes induzieren. Eine systemische medikamentöse Therapie ist nur selten erfolgreich, da in Biofilmen organisierte Bakterien oft resistent gegenüber Antibiotika und körpereigener Immunabwehr sind.
In unserer Arbeitsgruppe haben wir ein Nagermodell etabliert, bei dem nach Infektion einer transkraniellen (durch den Schädelknochen führenden) Schraube mit Biofilmerregern eine selbstunterhaltende Biofilmbildung mit assoziierter lokaler Entzündungsreaktion des umgebenen Gewebes auftritt. Dieses Modell eignet sich zum präklinischen Screening neuer Implantatmaterialen und –oberflächen, ehe deren Eignung in aufwendigeren Verfahren verifiziert wird. Mit diesem Tiermodell untersuchen wir beispielsweise die Wirkung einer Freisetzung antibakterieller Wirkstoffe durch funktionalisierte Implantatoberflächen bei Biofilm-assoziierten Infektionen.

Des Weiteren verfolgen wir den Verlauf von Implantatinfektionen mit einer Wärmebildkamera. Mit dieser Technik lassen sich möglicherweise etwaige morphologische Veränderungen des Schädelknochens und umgebenen Gewebes frühzeitig erkennen und durch eine rechtzeitige Behandlung einem Implantatverlust vorbeugen.

Weitere Informationen
Prof. Dr. K. Schwabe (schwabe.kerstin@mh-hannover.de)

Ausgewählte Literatur
Sun J, Eberhard J, Glage S, Held N, Voigt H, Schwabe K, Winkel A, Stiesch M. Development of a peri-implantitis model in the rat. Clin Oral Implants Res. 2020 Mar;31(3):203-214.

Hong B, Winkel A, Stumpp N, Abdallat M, Saryyeva A, Runge J, Stiesch M, Krauss JK. Detection of bacterial DNA on neurostimulation systems in patients without overt infection. Clin Neurol Neurosurg. 2019 Sep;184:105399. d

Glage S, Paret S, Winkel A, Stiesch M, Bleich A, Krauss JK, Schwabe K. A new model for biofilm formation and inflammatory tissue reaction: intraoperative infection of a cranial implant with Staphylococcus aureus in rats. Acta Neurochir (Wien). 2017 Sep;159(9):1747-1756.

Hong B, Winkel A, Ertl P, Stumpp SN, Schwabe K, Stiesch M, Krauss JK. Bacterial colonisation of suture material after routine neurosurgical procedures: relevance for wound infection. Acta Neurochir (Wien). 2018 Mar;160(3):497-503.

Kooperationen
Prof. Dr. Andre Bleich, Dr. Silke Glage (Institut für Versuchstierkunde und zentrales Tierlaboratorium, MHH)
Prof. Dr. Meike Stiesch, Dr. Andreas Winkel (Klinik für Zahnärztliche Prothetik, MHH)
Prof. Dr. Peter Behrens (Institut für anorganische Chemie, LUH)
Prof. Dr. Michael Czaplik (Klinik für Anästhesiologie, Uniklinik Aachen)

Förderung
DFG Forschungsgruppe 2591 - SCHW1176/7-1

Zentrale Verarbeitung von Hörinformation

Wir interessieren uns für die Verarbeitung auditorischer Information in fronto-basalganglio-thalamischen Gehirnregionen und deren Interaktion mit der zentralen Hörbahn. Aufnahmen von basalganglio-thalamischen Regionen während eines auditorischen Oddball- und eines Sprachverarbeitungsparadigmas lieferten zwei erkenntnisse: erstens, die Verarbeitung aufitiver informationen erfolgt bereits auf subkortikaler Ebene. Zweitens, verhaltensrelevante Informationen werden von dort aus an kortikale Regionen weitergegeben. Bei Patienten kann die Ableitung der neuronalen Aktivität nur in Regionen erfolgen, die für medizinische Zwecke ausgewählt wurden. Daher haben wir das auditorische Oddball-Paradigma mit einem Ziel-, einem Distraktor- und einem Standardton verschiedener Frequenzen bei Ratten etabliert. Erste neuronale Ableitungen zeigen, dass die hervorgerufenen Potentiale denen unserer Patienten ähneln. Zudem nutzen wir das Oddball-Paradigma um die optimale Stimulationsstrategie zentraler Hörimplantate in einem Verhaltensparadigma zu testen.

Eine Schwerhörigkeit oder Hörverlust beim Erwachsenen gilt als ein Risikofaktor für die Entwicklung einer Demenz. Hierbei ist allerdings bisher unklar, ob dies am soziale Rückzug der Patienten liegt, oder aber an einer durch den Hörverlust ausgelösten Veränderung neuronaler Netzwerke mit dadurch bedingten kognitiven Störungen. Um diese Frage unabhängig vom eigentlichen Sprachvermögen zu untersuchen, interessieren wir uns für mögliche Änderungen des Verhaltens und der neuronalen Aktivität nach Hörverlust bei Ratten. Erste Untersuchungen zeigen bei ertaubten erwachsenen Ratten ein langfristiges Lern- und Gedächtnisdefizit, sowie verminderte soziale Interaktionen. Aufgrund der fortschreitenden Vernetzung des reifenden Gehirns führen Schäden in frühen Entwicklungsphasen nicht nur zu lokalen Störungen, sondern auch zu Fehlbildungen von neuronalen Schaltkreisen. Damit können Verhaltensdefiziten und sogar neuropsychiatrischen Störungen verbunden sein. Ein weiterer Ansatz ist daher die Untersuchung des Verhaltens und der neuronalen Aktivität nach Hörverlust bei juvenilen Ratten.

Weitere Informationen
Prof. Dr. Kerstin Schwabe (schwabe.kerstin@mh-hannover.de)

Ausgewählte Literatur
Knipper M, van Dijk P, Schulze H, Mazurek B, Krauss P, Scheper V, Warnecke A, Schlee W, Schwabe K, Singer W, Braun C, Delano PH, Fallgatter AJ, Ehlis AC, Searchfield GD, Munk MHJ, Baguley DM, Rüttiger L. The Neural Bases of Tinnitus: Lessons from Deafness and Cochlear Implants. J Neurosci. 2020 Sep 16;40(38):7190-7202.

Beck AK, Sandmann P, Dürschmid S, Schwabe K, Saryyeva A, Krauss JK. Neuronal activation in the human centromedian-parafascicular complex predicts cortical responses to behaviorally significant auditory events. Neuroimage. 2020 May 1;211:116583.

Beck AK, Lütjens G, Schwabe K, Dengler R, Krauss JK, Sandmann P. Thalamic and basal ganglia regions are involved in attentional processing of behaviourally significant events: evidence from simultaneous depth and scalp EEG. Brain Struct Funct. 2018 Jan;223(1):461-474.

Schepers IM, Beck AK, Bräuer S, Schwabe K, Abdallat M, Sandmann P, Dengler R, Rieger JW, Krauss JK. Human centromedian-parafascicular complex signals sensory cues for goal-oriented behavior selection. Neuroimage. 2017 May 15;152:390-399.

Kooperationen
Prof. Thomas Lenarz, PD Verena Scheper (Klinik für Hals-, Nasen-, Ohrenheilkunde, MHH)
Prof. Andrej Kral (Institut für AudioNeuroTechnologie, VIANNA)
Prof. Georg Klump (Department für Neurowissenschaften, UOL)
Prof. Jochem Rieger (Department für Psychologie, Angewandte Neurokognitive Psychologie, UOL)
Prof. Christiane Thiel (Department für Psychologie, Biologische Psychologie, UOL)
Prof. Esther Ruigendijk (Institut für Niederlandistik, UOL)
Förderung
Excellenzcluster H4a

GRUPPENLEITUNG

Prof. Dr.

Kerstin Schwabe

Experimentelle Neurochirurgie der Klinik für Neurochirurgie

PD Dr.

Mesbah Alam

Dr.

Svilen Angelov

Dr. rer. nat.

Simeon Helgers

Prof. Dr.

Joachim K. Krauss

Klinikdirektor, Stellvertretender Gruppenleiter

Publikationen

Schwabe K, Alam M, Saryyeva A, Lütjens G, Heissler HE, Winter L, Heitland I, Krauss JK, Kahl KG. Oscillatory activity in the BNST/ALIC and the frontal cortex in OCD: acute effects of DBS. J Neural Transm. 2021 Feb;128(2):215-224. doi: 10.1007/s00702-020-02297-6.

Beck AK, Sandmann P, Dürschmid S, Schwabe K, Saryyeva A, Krauss JK. Neuronal activation in the human centromedian-parafascicular complex predicts cortical responses to behaviorally significant auditory events. Neuroimage. 2020 May 1;211:116583. doi: 10.1016/j.neuroimage.2020.116583.

Glage S, Paret S, Winkel A, Stiesch M, Bleich A, Krauss JK, Schwabe K. A new model for biofilm formation and inflammatory tissue reaction: intraoperative infection of a cranial implant with Staphylococcus aureus in rats. Acta Neurochir (Wien). 2017 Sep;159(9):1747-1756. doi: 10.1007/s00701-017-3244-7.

Koenen S, Rehbock C, Heissler HE, Angelov SD, Schwabe K, Krauss JK, Barcikowski S. Optimizing in Vitro Impedance and Physico-Chemical Properties of Neural Electrodes by Electrophoretic Deposition of Pt Nanoparticles. Chemphyschem. 2017 May 5;18(9):1108-1117. doi: 10.1002/cphc.201601180.

Schlagwörter

Neuroelektroden, elektrophysiologische Ableitungen, neuroelektrische Schnittstelle, Verhaltensuntersuchungen, Kognition, zentrale Hörprothesen, tiefe Hirnstimulation, Implantatinfektionen

Kontakt

Prof. Dr. Kerstin Schwabe

+45 511 532 2862

schwabe.kerstin(at)mh-hannover.de

NIFE
Stadtfelddamm 34
30625 Hannover

Lehre

Vorträge

Marschollek M, Schwabe K (2019) Körpernahe und implantierte Systeme Messung körperlicher Funktionen, Interaktionsschnittstellen und tiefe Hirnstimulation. Vortrag im Rahmen des 1. BWG-Symposiums „SynENZ – Zusammenwirken von natürlicher und künstlicher Intelligenz“ am 14. und 15. Februar in Braunschweig

Schwabe K (2017) Subcortical processing of auditory information. Vortrag im Rahmen des Symposiums „Closing the auditory (efferent) loop II“ vom 10. – 12. Mai in Krems, Österreich

Schwabe K (2016) Animal models for Tourette: translational aspects for brain stimulation. Vortrag im Rahmen des Symposium „Psychiatric medicine needs new therapeutic avenues – animal models pave the way“ im Rahmen des Jahreskongress der Deutschen Gesellschaft für Biologische Psychiatrie vom 22. – 24. September 2016 in Würzburg

Weitere Zusatzinfos

Exzellenzcluster H4a2.0; DFG FOR 2591 – TP12 SCHW1176/7-2; DFG - KR 2931/3-3), EU MDOT

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