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Advanced Computational Model for the Development of Cochlear Implants

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Modelos informáticos en 3D mejoran el diseño de los implantes cocleares

Científicos de la Unión Europea han aplicado las últimas técnicas de modelización informática para crear unos mejores implantes cocleares (IC).

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Los IC son dispositivos implantados quirúrgicamente que proporcionan una sensación acústica a las personas con una pérdida auditiva neurosensorial entre moderada y profunda. La cóclea es la parte del oído interno implicada en la audición y está compuesta por una cámara ósea es espiral, cónica y hueca, revestida por una fina capa de tejido epitelial. Los IC puentean las células ciliadas auditivas y excitan directamente el resto de fibras del nervio auditivo mediante corrientes eléctricas para ofrecer la sensación de audición. Aunque constituyen un método probado para restablecer la audición, los IC están limitados por la amplia propagación de la corriente en el oído interno lleno de fluido. La amplia propagación de la corriente limita el número de electrodos que funcionan eficazmente y da lugar a una baja resolución espectral. El proyecto CIModelPLUS abordó este reto proporcionando un modelo avanzado de la cóclea para los ingenieros, el cual facilita el desarrollo de IC de próxima generación al revelar con mayor precisión la distribución de la corriente eléctrica en los tejidos y la excitación eléctrica de las fibras nerviosas independientes. La investigación se llevó a cabo con el apoyo del programa Marie Skłodowska-Curie.

Un mayor nivel de detalle

En los modelos cocleares actuales no se han incluido diversas características detalladas de la anatomía de la cóclea. Por ejemplo, las microestructuras del interior del eje óseo, conocido como el modiolo, donde residen las neuronas espiroganglionares y transcurren las fibras nerviosas y los vasos sanguíneos. «La mayoría de los modelos del oído interno se han construido a partir de geometrías uniformes y suaves. Estos modelos predicen patrones de excitación suave y uniforme de las fibras del nervio auditivo», afirma el profesor Werner Hemmert, responsable del proyecto en la Universidad Técnica de Múnich. Por consiguiente, los investigadores llevaron a cabo exploraciones estructurales de alta resolución por medio de microtomografía de rayos X para identificar la cóclea y reconstruir un modelo 3D preciso a partir de las imágenes. El proceso de reconstrucción implicó segmentar cada tejido individualmente corte a corte, lo que requirió un conocimiento detallado de la anatomía y la fisiología para garantizar la precisión de la estructura del modelo y las propiedades del tejido. Entonces, se utilizó el método de elementos finitos (MEF) para obtener una aproximación numérica de la distribución de la corriente eléctrica en el modelo coclear en 3D a partir de la estimulación eléctrica de los electrodos del IC. A continuación, los científicos desarrollaron un modelo computacional avanzado de la cóclea combinando los resultados experimentales y de simulación.

Importantes beneficios

Basándose en el modelo 3D de alta resolución, el equipo del proyecto también reconstruyó la ruta de las fibras nerviosas auditivas (FNA) dentro del modelo de la cóclea. Esta reconstrucción se llevó a cabo utilizando un algoritmo semiautomatizado desarrollado internamente para localizar la trayectoria de las neuronas a través del hueso modiolar esponjoso. «Cuando ahora utilizamos nuestro modelo, los patrones de excitación del nervio auditivo parecen mucho más complicados porque son más sensibles a las pequeñas variaciones anatómicas», explica el doctor Siwei Bai, el investigador posdoctoral al cual se concedió la beca Marie Skłodowska-Curie. Los investigadores del grupo utilizaron a receptores de IC como sujetos de prueba para validar la simulación del modelo 3D. «Utilizando electrodos de IC ya implantados, medimos directamente el potencial eléctrico de sus cócleas. La propagación de la tensión prevista por el modelo se encontraba dentro del intervalo medido, lo que indica que la precisión de los parámetros del modelo ya es bastante buena», señala el doctor Bai. El profesor Hemmert explica: «Ahora somos capaces de simular observaciones electrofisiológicas combinando nuestro MEF y un modelo adecuado de cable biofísico multicompartimental aplicado sobre estas FNA reconstruidas». En consecuencia, CIModelPLUS ayudará a comprender cómo excitan los IC el nervio auditivo y proporcionará la base para unos mejores implantes neuronales y más específicamente unos mejores IC, lo que mejorará así la calidad de vida de las personas con pérdidas auditivas.

Palabras clave

CIModelPLUS, implante coclear (IC), fibras nerviosas auditivas (FNA), audición, modelo informático, modelo de elementos finitos (MEF), simulación

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