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Advanced Computational Model for the Development of Cochlear Implants

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Des modèles informatiques 3D améliorent la conception des implants cochléaires

Des scientifiques de l’UE ont utilisé les dernières techniques de modélisation informatique pour améliorer les implants cochléaires (IC).

Économie numérique
Santé

Les IC sont des dispositifs implantés chirurgicalement qui apportent un sens de l’audition aux personnes atteintes d’une surdité de perception, de modérée à grave. La cochlée en soi est la partie de l’oreille interne participant à l’audition, composée d’une cavité osseuse conique, creuse et spiralée recouverte d’une membrane, fine et délicate, de tissu épithélial. Les IC contournent les cellules ciliées sensorielles et excitent directement les fibres restantes du nerf auditif à l’aide de courants électriques pour apporter la sensation d’entendre. Même s’il s’agit d’une méthode éprouvée pour restaurer l’audition, les IC sont limités par la répartition d’un grand courant à l’intérieur de l’oreille interne, remplie de liquide. Cette répartition du courant limite le nombre d’électrodes efficaces et provoque une mauvaise résolution spectrale. Le projet CIModelPLUS a relevé ce défi en fournissant un modèle avancé de la cochlée destiné aux ingénieurs. Ce modèle facilite le développement des IC de nouvelle génération en révélant une précision accrue de la distribution du courant électrique dans les tissus et l’excitation électrique des fibres nerveuses. Cette étude a été entreprise avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie.

Une amélioration des détails

De nombreuses caractéristiques détaillées de l’anatomie de la cochlée n’apparaissent pas dans les modèles cochléaires actuels. Par exemple, les microstructures à l’intérieur de l’axe osseux appelé columelle, où résident les neurones du ganglion spiral et qui est traversé par des fibres nerveuses et des vaisseaux sanguins. «La plupart des modèles de l’oreille interne ont été élaborés à l’aide de géométries lisses et uniformes. Ces modèles prédisent des schémas d’excitation lisses et uniformes des fibres nerveuses auditives», explique le professeur Werner Hemmert, qui a accueilli le projet à l’Université technique de Munich. Les chercheurs ont donc mené des examens structurels à haute résolution à l’aide de la microtomographie à rayons X pour identifier la cochlée et reconstruire un modèle 3D précis à partir des images. Le processus de reconstruction a impliqué la segmentation de chaque tissu, couche par couche de manière individuelle, ce qui exige des connaissances détaillées en anatomie et en physiologie afin de garantir la précision de la structure du modèle et des propriétés du tissu. La méthode des éléments finis (EF) a ensuite été utilisée pour estimer numériquement la distribution du courant électrique dans le modèle cochléaire 3D à la suite de la stimulation électrique des électrodes de l’IC. Ainsi, les scientifiques ont développé un modèle informatique avancé de la cochlée en combinant les résultats des expériences et des simulations.

Des avantages importants

À partir de ce modèle 3D à haute résolution, l’équipe du projet a également reconstruit la voie des FNA à l’intérieur du modèle cochléaire. Cette reconstruction a été effectuée à l’aide d’un algorithme semi-automatisé, développé en interne pour chercher la voie des neurones à travers l’os spongieux de la columelle. «Désormais, lorsque nous utilisons notre modèle, les schémas d’excitation des nerfs auditifs semblent bien plus compliqués à cause de leur sensibilité aux petites variations anatomiques», explique le Dr Siwei Bai, chercheur post-doctorant ayant reçu une bourse Marie Skłodowska-Curie. Afin de valider leur modèle de simulation 3D, les chercheurs du groupe ont utilisé des bénéficiaires d’IC comme sujets de test. «En utilisant les électrodes des IC déjà implantés, nous avons mesuré directement le potentiel électrique dans leur cochlée. La répartition du voltage prévue par le modèle se trouvait parfaitement dans le rang mesuré, indiquant que la précision des paramètres du modèle est déjà très positive», constate le Dr Bai. Comme le souligne le professeur Hemmert: «Nous sommes désormais capables de simuler des observations électrophysiologiques en combinant notre modèle d’EF et un modèle approprié de câble à plusieurs compartiments biophysiques appliqué à ces FNA reconstruites.» De cette manière, CIModelPLUS aidera à comprendre la manière dont les IC excitent le nerf auditif et fournira les bases pour obtenir de meilleurs implants neuronaux et notamment pour améliorer les IC, renforçant ainsi la qualité de vie des personnes atteintes de perte auditive.

Mots‑clés

CIModelPLUS, implant cochléaire (IC), fibres nerveuses auditives (FNA), audition, modèle informatique, élément fini (EF), simulation

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