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Medizin

30. Juni 2020 Schwerhörigkeit: Verbindungen von Haarsinneszellen erhöhen Empfindlichkeit für leisen Schall

Beim Hören empfangen die Haarsinneszellen in der Hörschnecke des Innenohrs Schallsignale bestimmter Tonhöhe und wandeln diese zur Weiterleitung in das Gehirn um. Erstmals zeigen Wissenschaftler*innen des Göttingen Campus, des Exzellenzclusters „Multiscale Bioimaging“ und des University College London: Haarsinneszellen gehen untereinander Verbindungen ein und erhöhen so vermutlich die Empfindlichkeit des Hörsinns für leisen Schall und die Zuverlässigkeit der Signalübertragung.
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Das Hören ist einer unserer wichtigsten Sinne. Tatsächlich sind Hörstörungen sehr häufig: Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) leiden etwa 466 Millionen Menschen (5% der Weltbevölkerung) unter einer versorgungsbedürftigen Schwerhörigkeit. Daher ist es wichtig, die elementaren Prozesse des Hörens zu verstehen.

Bisher nahm die Hörforschung an, dass die Sinneszellen der Hörschnecke, die inneren Haarzellen, elektrisch strikt voneinander getrennt sind und auf diese Weise eine maximale Auflösung der Tonhöhen erreicht wird. Einem Team von Wissenschaftler*innen vom Institut für Auditorische Neurowissenschaften und der Klinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) sowie des Göttinger Max-Planck-Instituts für Experimentelle Medizin, des Göttingen Campus Institut für Dynamik biologischer Netzwerke und des University College London gelang nun in einem multidisziplinären Ansatz der Nachweis, dass diese Annahme in der Hörschnecke erwachsener Nagetiere nicht immer stimmt. Vielmehr verbinden sich dort offenbar in 30% der Fälle Zellen zu einer elektrischen und chemischen Einheit mit durchschnittlich drei inneren Haarzellen, können gemeinsam angeregt werden und das akustische Signal weiterleiten. Die Forschungserkenntnisse wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereich 889 „Zelluläre Mechanismen der Sen-sorischen Verarbeitung“ sowie des Exzellenzclusters „Multiscale Bioimaging“ gewonnen und in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ publiziert.

Forschungsergebnisse

In erwachsenen Tieren sind etwa ein Drittel der Haarsinneszellen Teil dieser erstmals nachgewiesenen Zellverbände, die über die ganze Hörschnecke verteilt vorkommen. Mit Hilfe hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie zeigten die Wissenschaftler*innen, dass die Bandsynapsen aller Zellen eines solchen Verbands gemeinsam auf eine Reizung einer einzelnen Zelle reagieren und sich Farbstoffe und Stoffwechselprodukte von Zelle zu Zelle verteilen. Diese elektrische und chemische „Kopplung“ erfolgt aber nicht – wie sonst im Körper üblich – über Eiweißporen zwischen benachbarten Zellen, den sogenannten Gap Junctions. Offenbar nutzen die Haarsinneszellen einen unkonventionellen Mechanismus der Zellkopplung: Mittels innovativer 3-dimensionaler Elektronenmikroskopie konnten Hinweise gewonnen werden, dass Zellhüllen benachbarter Zellen verschmelzen. Die Wissenschaftler*innen konnten zeigen, dass auch sehr große Moleküle, wie Antikörper, oder kleine Zellorganellen zwischen den Zellen ausgetauscht werden. „Diese Studie eröffnet eine spannende neue Perspektive in der Sinnesforschung“, sagt Prof. Dr. Carolin Wichmann, Arbeitsgruppenleiterin am Institut für Auditorische Neurowissenschaften, UMG, und Projektleiterin im Sonderforschungsbereich 889 sowie im Exzellenzcluster „Multiscale Bioimaging“. „Dieses Phänomen muss noch weiter untersucht werden, um den molekularen Mechanismus der Kopplung, ihre Bedeutung für den Hörsinn und ihr Auftreten im Innenohr weiterer Tierarten aufzuklären“, so Wichmann.

Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme eines Zellverbands von 5 gekoppelten inneren Haarsinneszellen

Die zweite Zelle von links wurde mittels der Patch-Clamp-Technik mit einer fluoreszierenden Sonde beladen, die sich von dort in die benachbarten Haarsinneszellen ausgebreitet hat und die synaptischen Bänder markiert. Zellverband von 3 gekoppelten inneren Haarsinneszellen. Die elektrischen Signale der Zellen werden durch die Kopplung übermittelt. Dies vermindert das stochastische Rauschen bei der Weitergabe der Information an den Bandsynapsen der Hörnervenzellen, die wiederum die Information auf eine gemeinsame Zielzelle übertragen, was das Rauschen weiter reduziert und in einer höheren Hörempfindlichkeit resultiert.

Elektrische Koppelung verbessert schwachen Schall

Computer-Simulationen legen zudem nahe, dass die Verarbeitung schwacher Schallsignale durch die Bildung von elektrisch-gekoppelten Verbänden der Haarsinneszellen verbessert wird. „Die Organisation in Zellverbänden macht die Sinnesfunktion empfindlicher und zugleich robuster. So kann eine Haarsinneszelle, selbst wenn ihre empfindlichen Härchen-Strukturen beschädigt sind, von ihren Nachbarzellen ‚mitgezogen‘ werden und so zur Schallverarbeitung beitragen“, sagt Erstautor Dr. Philippe Jean, der im Sinnesforschungs-Promotionsprogramm des Göttinger Graduierten Zentrum für Neurowissen-schaften, Biophysik und Molekulare Biowissenschaften (GGNB) promoviert hat, und nun am Pariser Institut de l'Audition forscht. „Die Tonhöhenauflösung unseres Hörens wird durch die begrenzte Zellzahl in den Zellverbänden offenbar nicht vermindert“, so Dr. Jean.

„Diese Studie ist ein gutes Beispiel dafür, welche Möglichkeiten die skalenübergreifende Bildgebung im neuen Göttinger Exzellenzcluster eröffnet“, sagt Prof. Dr. Tobias Moser, Direktor des Instituts für Auditorische Neurowissenschaften, UMG, und Sprecher des Exzellenzclusters „Multiscale Bioimaging“ und des Sonderforschungsbereichs 889 „Zelluläre Mechanismen der Sensorischen Verarbeitung“. „Nur durch die Kombination von Licht- und Elektronenmikroskopie konnten diese Prozesse über Längenskalen von wenigen Milliardstel Metern bis zirka 100 Millionstel Meter untersucht werden und der wahrscheinliche Kopplungsmechanismus offengelegt werden.“

Quelle: Universitätsmedizin Göttingen


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