Nuove scoperte sull’anatomia della coclea grazie all’imaging di sincotrone

Un team ha usato un acceleratore di particelle di sincrotrone per creare immagini di microanatomia cocleare. Ecco cosa è emerso.

Un team di ricerca canadese ha utilizzato un acceleratore di particelle di sincrotrone per creare immagini di microanatomia cocleare a un livello di dettaglio senza precedenti. Uno dei risultati più impressionanti è stata la conferma che il ganglio spirale umano si estende quasi per l’intera lunghezza naturale della coclea, con una complessa spirale elicoidale che inizia nel secondo giro.

Nel presente studio, condotto presso la Canadian Light Source nel Saskatchewan, in Canada, è stata eseguita la prima analisi di frequenza tridimensionale della coclea utilizzando la mappatura dendritica per ottenere mappe tonotopiche accurate della membrana basilare, dell’organo di Corti e del ganglio spirale. È stata utilizzata una nuova tecnica di imaging, l’imaging a contrasto di fase con radiazione di sincrotrone (SR-PCI) ed è stata stimata una funzione di frequenza del ganglio a spirale. I dati tonotopici tridimensionali presentati nel presente documento hanno grandi implicazioni per la convalida della posizione degli elettrodi e la creazione di mappe di frequenza personalizzate per i destinatari di impianto cocleare.

La SR-PCI ha il vantaggio di visualizzare simultaneamente ossa e tessuti molli senza la necessità di sezionamento e colorazione. Utilizzando questa tipologia di imaging è possibile visualizzare le informazioni a livello cellulare nella coclea, oltre a effettuare misurazioni geometriche 3D di anatomie complesse come l’elicotrema. L’obiettivo del presente lavoro è quello di utilizzare il tracciamento manuale dei dendritici per determinare coordinate tonotopiche 3D accurate del ganglio spirale del Corti umano.

Il presente studio è il primo ad eseguire la ricostruzione 3D e il tracciamento dei dendriti di coclee umane intatte, consentendo una mappatura tonotopica accurata attraverso un’anatomia complessa completamente attaccata. Una visualizzazione 3D accurata è particolarmente importante nelle regioni dove i dendriti seguono una traiettoria non radiale e la compressione tonotopica si osserva nel ganglio spirale.

Figura 1 – (A) Dati SR-PCI di una coclea umana di sinistra. Il software di imaging medico open source, 3D Slicer (www.slicer.org, versione 4.10.1), è stato utilizzato per creare rappresentazioni 3D dettagliate della membrana basilare, ganglio spirale e connettivi tra queste strutture, che hanno consentito una delineazione accurata rispetto a fette bidimensionali tradizionali (2D). (B, C) Per il ganglio spirale di Corti i dendriti sono stati tracciati individualmente secondo ciascuna coordinata di frequenza in tre dimensioni, per creare una mappa di frequenza corrispondente (mostrata con scala di colori). (D) Sezione radiografica tomografica rappresentativa che mostra la finestra rotonda segmentata (rossa), gli elementi neurali (giallo) e la membrana basilare (verde).

Mappatura tonotopica tridimensionale della coclea

Il presente è il primo studio a determinare la tonotopia del ganglio spirale in 3D attraverso il tracciamento diretto dei dendriti nella coclea utilizzando dati SR-PCI. Le distribuzioni tonotopiche sono state valutate rispetto alla lunghezza lineare e angolare, una funzione ha messo in relazione la lunghezza proporzionale lungo il ganglio spirale alla frequenza tonotopica associata.

Per ricevere un’accurata stimolazione tonotopica con l’impianto cocleare, è necessario tenere in considerazione le variazioni nella lunghezza della membrana basilare. Inoltre, le correlazioni angolo-frequenza possono migliorare le valutazioni sul luogo da selezionare per i contatti dell’impianto cocleare sulla base delle bande di frequenza neurale.

Si prevede che una stimolazione tonotopica accurata, mediante array di elettrodi, sia in grado di fornire il miglior risultato funzionale per i pazienti con impianto cocleare. Misurazioni dettagliate di strutture anatomiche come la membrana basilare e il ganglio spirale possono aiutare nella comprensione di come le mappe di frequenza cocleari varino tra gli individui. La visualizzazione accurata di queste strutture non è possibile utilizzando le comuni modalità di imaging clinico come la tomografia computerizzata (TC) e la risonanza magnetica. Le precedenti misurazioni dell’anatomia cocleare si sono fortemente basate sull’analisi istologica, purtroppo però queste tecniche hanno artefatti intrinseci e limitazioni spaziali, spesso legate alla decalcificazione, al sezionamento e alla colorazione dei campioni.

Nel futuro, i risultati qui presentati potranno essere usati per derivare relazioni angolo-frequenza individualizzate in base alla lunghezza angolare specifica. Poiché le posizioni degli elettrodi IC sono chiaramente visibili nella TC clinica, la misurazione dell’angolo consentirebbe di ottenere piani di programmazione della collocazione dell’array personalizzati utilizzando valori ottenibili clinicamente.

Figura 2 – (A) Segmentazioni dei tessuti molli di dieci coclee mostrate in 3D. I tessuti molli intra-cocleari sono stati modellati e le coordinate tonotopiche di membrana basilare e ganglio spirale basate sulla mappatura dendritica sono presentate con bande di ottava. (B) Angoli di rotazione medi per le frequenze tonotopiche di membrana basilare e ganglio spirale. Le rotazioni angolari vengono calcolate dal punto medio della finestra rotonda, gli intervalli nella posizione delle rotazioni angolari sono indicati con frecce blu. (C) Lunghezza media di membrana basilare e ganglio spirale presentate contro la frequenza per tutte le coclee. I valori all’interno delle barre dei colori rappresentano la distanza media per raggiungere ciascuna frequenza tonotopica, con i valori lungo la parte superiore e inferiore delle barre dei colori che rappresentano le distanze massime e minime per raggiungere ciascuna frequenza, rispettivamente. Qui, le bande di frequenza sono strette e le quattro bande d’ottava inferiori a 1 kHz si trovano tutte all’interno dei 3,4 mm apicali. Questi neuroni compressi possono costituire un ostacolo per la stimolazione selettiva mediante IC dei dendriti a bassa frequenza. Da un punto di vista anatomico, la portata ottimale del ganglio spirale sembrerebbe essere a due giri, coprendo così l’intera gamma di frequenze.

Qui di seguito è presente l’intero simposio dell’articolo effettuato da due degli autori dell’articolo, Prof. Rask-Andersen e Prof. Sumit K. Agrawal, parte del gruppo di Ricerca di Otologia Sperimentale presso l’Università di Uppsala a Uppsala, Svezia. Il video offre uno sguardo sulla microanatomia e la fisiologia dell’orecchio interno, nonché uno sguardo su come questi risultati vengano utilizzati per mettere a punto gli adattamenti dell’impianto cocleare per meglio emulare la mappa tonotopica naturale.

Reference

H. Li, L. Helpard, J. Ekeroot, S. A. Rohani, N. Zhu, H. Rask-Andersen, H. M. Ladak & S. Agrawal. Three-dimensional tonotopic mapping of the human cochlea based on synchrotron radiation phase-contrast imaging.Sci Rep 11,4437 (2021).

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Alessia Sanavio
Dottoressa in Tecniche Audiometriche e Tecniche Audioprotesiche, Università degli Studi di Torino.