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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. Veröffentlicht in Nature Communications.
mbexc/umg) Das Hören ist einer unserer wichtigsten Sinne. Tatsächlich sind Hörstörungen sehr häufig: nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) leiden etwa 466 Millionen Menschen (fünf Prozent 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 Prozent 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 Sensorischen Verarbeitung“ sowie des Exzellenzclusters „Multiscale Bioimaging“ gewonnen und in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ publiziert.
Originalveröffentlichung: Jean P, Anttonen T, Michanski S, de Diego A, Steyer AM, Neef A, Oestreicher D, Kroll J, Nardis C, Pangršič T, Möbius W, Ashmore J, Wichmann C, Moser T (2020) Macromolecular and electrical coupling between inner hair cells in the rodent cochlea. Nat Commun, in press. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-17003-z oder: https://rdcu.be/b5aGS
Forschungsergebnisse im Detail
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 (siehe Abbildung). 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.
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 Neurowissenschaften, 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.“
Hintergrundinformationen zum Hören
Das Hören beginnt mit dem Einfangen des Schalls in der Ohrmuschel, die akustische Welle wird weitergeleitet, Trommelfell und Gehörknöchelchen im Mittelohr setzen sich in Bewegung und leiten das Signal in das Innenohr. Hier befinden sich die inneren Haarzellen, welche die Schallwellen in elektrische Signale umwandeln, die vom Gehirn ausgelesen werden können. Die Kommunikationseinheiten zwischen den Haarsinneszellen und den Nervenfasern, die zum Gehirn führen, sind die Bandsynapsen. Sie sind nanometer-kleine Strukturen, die eine anhaltende Ausschüttung von Botenstoffen aus synaptischen Bläschen (Vesikel) ermöglichen. Das Signal für die synaptische Übertragung entsteht an den Härchen der inneren Haarzellen: Die mechanische Öffnung kleiner Eiweißporen (Ionenkanäle) führt zur elektrischen Umladung der Zelle. Dieser Apparat ist so empfindlich, dass wir mechanische Auslenkung der Härchen um den Durchmesser eines Wasserstoff-Atoms hören können. Die inneren Haarzellen sind wie Stufen der Wendeltreppe aneinander aufgereiht, wobei jeder Stufe eine Tonhöhe zugeordnet werden kann.
Abbildung: gekoppelte Haarsinneszellen
(links) Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme eines Zellverbands von fünf gekoppelten inneren Haarsinneszellen (birnenförmig mit hellen Punkten). 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 (helle Punkte). Größenstandard: 5 µm. Quelle: Institut für Auditorische Neurowissenschaften / UMG.
(rechts) Zellverband von drei gekoppelten inneren Haarsinneszellen (die Verbindung ist vereinfacht als durch die verschmolzenen Zellhüllen gebildete Röhre dargestellt). 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. Quelle: Jean et al., Nat Commun, 2020; Suppl. Part)
WEITERE INFORMATIONEN:
zum Institut für Auditorische Neurowissenschaften: www.auditory-neurosciences.uni-goettingen.de
zum SFB889: www.sfb889.uni-goettingen.de – Zelluläre Mechanismen sensorischer Ver-arbeitung
zum MBExC: https//mbexc.de – Exzellenzcluster Multiscale Bioimaging (MBExC)
WEITERE INFORMATIONEN
Universitätsmedizin Göttingen, Georg-August-Universität
Institut für Auditorische Neurowissenschaften
Prof. Dr. Tobias Moser
Robert-Koch-Str. 40, 37075 Göttingen
Telefon 0551 / 39-63071
tmoser@gwdg.de
Institut für Auditorische Neurowissenschaften
Center for Biostructural Imaging of Neurodegeneration
Prof. Dr. Carolin Wichmann
Von-Siebold-Str. 3a, 37075 Göttingen
Telefon 0551 / 39-61128
carolin.wichmann@med.uni-goettingen.de
Universitätsmedizin Göttingen, Georg-August-Universität
Institut für Auditorische Neurowissenschaften
Prof. Dr. Tobias Moser
Robert-Koch-Str. 40, 37075 Göttingen
Telefon 0551 / 39-63071
tmoser@gwdg.de
Institut für Auditorische Neurowissenschaften
Center for Biostructural Imaging of Neurodegeneration
Prof. Dr. Carolin Wichmann
Von-Siebold-Str. 3a, 37075 Göttingen
Telefon 0551 / 39-61128
carolin.wichmann@med.uni-goettingen.de
Originalveröffentlichung: Jean P, Anttonen T, Michanski S, de Diego A, Steyer AM, Neef A, Oestreicher D, Kroll J, Nardis C, Pangršič T, Möbius W, Ashmore J, Wichmann C, Moser T (2020) Macromolecular and electrical coupling between inner hair cells in the rodent cochlea. Nat Commun, in press. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-17003-z oder: https://rdcu.be/b5aGS
http://WEITERE INFORMATIONEN:
http://zum Institut für Auditorische Neurowissenschaften: www.auditory-neurosciences.uni-goettingen.de
http://zum SFB889: www.sfb889.uni-goettingen.de – Zelluläre Mechanismen sensorischer Ver-arbeitung
http://zum MBExC: https//mbexc.de – Exzellenzcluster Multiscale Bioimaging (MBExC)
Gekoppelte Haarsinneszellen: (links) Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme eines Zellverbands; (rechts) ...
Links: Institut für Auditorische Neurowissenschaften / UMG; rechts: Quelle: Jean et al., Nat Commun, 2020; Suppl. Part
Criteria of this press release:
Journalists
Medicine
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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