Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 
 
Physiologie der Sinnesorgane

Physiologie des Hörorgans, Audiometrie
 
 
© H. Hinghofer-Szalkay

Akustik: ἀκούειν = hören
Bel: Nach Alexander G. Bell
Corti'sches Organ: Alfonso Corti
Phon: φωνή = Laut, Ton, Stimme, Sprache
Pascal: Blaise Pascal
Prestin: presto (ital) = schnell
Sone: sonus = Klang, Schall
Das Gehör hat einen breiten Arbeitsbereich: Zwischen Empfindungs- und Schmerzschwelle liegt eine 106-fache Zunahme der Schalldruckintensität. Die Lautheit wird deshalb mit einem logarithmischen Maß angegeben: Dem Schalldruckpegel (SPL, sound pressure level) in Dezibel - dB(A) - bezogen auf einen Referenz-Schalldruck von 2.10-5 Pa. Bei 1000 Hz Schallfrequenz ist die dB-Skala definitionsgemäß mit der Skala des Lautstärkepegels - gemessen in Phon - identisch.

Die Empfindlichkeit des Ohres ist frequenzabhängig, am höchsten ist sie bei 4 kHz. (Der Frequenzbereich der Sprache umfasst etwa 300-3000 Hz.)

Schall wird auf das Corti'sche Organ im Innenohr teils über den Schädelknochen ("Knochenleitung"), teils über die Gehörknöchelchen im Mittelohr ("Luftleitung") übertragen. Letztere passen den Schallwellenwiderstand zwischen Luft (Gehörgang) und Flüssigkeit (Perilymphe) so an, dass der Schalldruck etwa um den Faktor 20 erhöht wird. Das reduziert die Reflexion des auf das Trommelfell auftreffenden Schalls von 98% auf ≈40%, und verdreißigfacht damit den Anteil des auf das Innenohr übertragenen Schalldrucks (von 2 auf 60% des auf das Ohr eintreffenden Wertes).

Kontraktion der Mittelohrmuskeln (m. stapedius und m. tensor tympani) versteift die Gehörknöchelchenkette und reduziert so deren Druckübertragung. Hohe, potentiell schädliche Schallintensität kann dadurch auf dem Weg zum Innenohr verringert werden und Schäden vermeiden helfen (Schutzreflex).

Die Schallwellen werden über das ovale Fenster auf die Perilymphe der scala vestibuli geleitet und laufen von dort Richtung Schneckenspitze (Helikotrema). Sie verlangsamen sich dabei, die Druckwellen nähern sich einander an, bis es an einer frequenzspezifischen Stelle zur Addition der Wellen, maximaler Auslenkung (Schwingung der Reißner'schen Membran) und Auslöschung der Wanderwelle kommt (topische Abbildung von Schallfrequenzanteilen des Schallmusters).

Das stimuliert Zilienfortsätze des Corti'schen Organs in der scala media und führt zur Reizung innerer Haarzellen; dieses Signal wird über afferente Fasern im N. acusticus an das Gehirn weitergeleitet. Äußere Haarzellen dienen der Verstärkung der Schwingungen und Verbesserung der Frequenzselektivität mittels Prestin, einem kontraktilen Membranprotein.

Je niedriger die Frequenz, desto weiter wandern die Druckwellen in der Schnecke; hohe Frequenzen werden schon in der Nähe des ovalen Fensters, niedrige (erst) in der Nähe des Helikotrema abgebildet.


Lautheit und Schalldruck Mittelohr Innenohr
  
Das Gehör vermittelt Information über akustische Vorgänge in der Umgebung und im Körper selbst
 

>Abbildung: Gehörsystem und Innenohr
Kombiniert nach Vorlagen in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Oben: Das Labyrinth im Innenohr hat einen auditorischen (Gehör) und einen vestibulären Teil (Gleichgewichtssinn).
  
Mitte: Reissner-Membran und Basilarmembran untergliedern die Innenohrschnecke (cochlea) in drei Kompartimente:
  
Scala vestibuli und scala tympani enthalten Perilymphe, die eine für extrazelluläre Flüssigkeiten typische Zusammensetzung hat, und ist elektrisch neutral.
  
Die scala media enthält das Corti-Organ, ist negativ geladen und ähnelt in ihrem Elektrolytmuster (kaliumreich) intrazellulärer Flüssigkeit, bedingt durch die Aktivität der stria vascularis (s. unten).
  
Unten links: Akustisch ausgelöste Wanderwellen durch die Cochlea bewirken Auslenkungen der Reissner- und Basilarmembran, was zu Relativbewegung zur Tektorialmembran und damit Abscherung der Haarzellen führt. Am Überlagerungsort (hier wird der betreffende Frequenzanteil "abgebildet") sind die Schwingungenb am stärksten, weiter helikotremawärts nehmen sie rasch ab.
  
Innere Haarzellen liegen innerhalb, äußere Haarzellen außerhalb der Pfeilerzellen (=rods of Corti), die den Corti-Tunnel umrahmen. Rote Pfeile: Kompression / Expansion der äußeren Haarzellen durch Prestin.
  
Unten rechts: Innere und äußere Haarzelle. Auslenkungen des Innenohr-Kanalsystems infolge Durchlaufens von Schallwellen führen zu Abwinkelung der Sinneshaare der Haarzellen, was deren Membranpotential und folglich die Aktionspotentialaktivität der afferenten Nervenfasern (blau) beeinflusst - diese stammen zum Großteil von den inneren Haarzellen, die das Hören ermöglichen.
  
Vermutlich ist der Transmitter, den die inneren Haarzellen freisetzen, Glutamat, derjenige der äußeren Haarzellen Azetylcholin.
  
 Rosa sind efferente Nervenfasern gezeigt, diese bringen Impulse von der oberen Olive an die äußeren Haarzellen (Transmitter: wahrscheinlich GABA), deren Funktion die Verstärkung der akustischen Detektion ist. Dazu verfügen sie über Prestin, ein kontraktiles Membranprotein, das seine Länge abhängig vom Membranpotential verändert: Es ermöglicht ultraschnelle mechanische Reaktionen der äußeren Haarzellen, was Schwingungsvorgänge verstärkt und für die Präzision des Hörprozesses entscheidend ist (verbesserte Frequenzselektivität)

Das Ohr vermittelt akustische Reize aus Umwelt und Körper (die eigene Stimme klingt anders als von außen: Schallleitung über das Gewebe von Hals und Kopf zusätzlich zur "Luftleitung"). Es verfügt über eine erstaunliche akustische Empfindlichkeit (Schall breitet sich über Longitudinalwellen aus):

Seitenunterschiede von ≈1 dB SPL und ≈0,00002 Sekunden Ankunftszeit (entspricht einem Winkel von 3°) können vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden (Schallgeschwindigkeit in Luft ≈340 m/s, mittlerer Ohrabstand beim Erwachsenen 0,22 m).

Der Intensitätsbereich ist ebenfalls enorm: zwischen Empfindungs- und Schmerzschwelle liegt eine millionenfache Zunahme der Schalldruckintensität.

   Lautheit: Um den großen physiologischen Bereich akustischer Druckschwankungen (sechs Zehnerpotenzen) mit handlichen Zahlen auszudrücken, wird die Stärke der Druckschwankungen (Druckeinheit Pascal : 1 Pa = 1 N/m−2 = 1 kg/m/s) durch ein logarithmisches Maß angegeben: als Schalldruckpegel (SPL = sound pressure level) in dezi-Bel - dB(A).

Dieser bezieht sich auf einen Referenzdruck (po) von 2.10-5 Pa (entspricht etwa dem Hörschwellendruck bei 1 kHz, der aber genau genommen bei 4 dB liegt), und es gilt
 
SPL [dB] = 20.log (p/po)
 
     Das Bel ist eine nach Alexander Graham Bell benannte logarithmische Hilfseinheit (Logarithmus = Hochzahl). Sie wurde eingeführt, um über mehrere Potenzen reichende Energiepegel handlich zu formulieren (daher die Hochzahl). Der Schalldruckpegel nach dieser Definition ändert sich mit dem Quadrat (2!) des Quotienten zweier Leistungsmaße (hier: Schalldruck), d.h. 1 Bel entspricht 2.log(p/po).

Das Dezi-Bel ist ein Zehntel Bel. So wie ein Meter aus 10 Dezimetern besteht, kann man statt 1 Bel auch 10 dB schreiben, und aus dem Zweier wird in der Formel ein "20".

Die Zunahme des Schalldruckpegels um 20 dB entspricht einer Verzehnfachung des Schalldrucks.
  
  Welcher Zunahme des Schalldrucks entspricht eine Erhöhung des Schalldruckpegels um 60 dB? - Um auf die Zahl 60 zu kommen, muss die rechte Seite der oben gegebenen Formel verdreifacht werden (60 = 3 mal 20). Es handelt sich um eine Hochzahl (Basis 10), also ergibt sich 1000 (=103). Die Erhöhung um 60 dB entspricht einer Vertausendfachung des Schalldrucks.
 
Die Empfindlichkeit des Ohres ist frequenzabhängig; am höchsten ist sie für Frequenzen zwischen ≈1 und ≈4 kHz. Die subjektiv empfundene Lautheit wird über den Lautstärkepegel quantifiziert (Einheit: Phon ).
 

<Abbildung: Isophone
Isophone verbinden Töne gleicher Lautheit

Bei 1 kHz stimmen Dezibel- und Phon-Skala definitionsgemäß überein, Isophone (Kurven gleicher Lautheit, <Abbildung) ziehen von hier aus unterschiedlich durch Schalldruck- Frequenz- Diagramme.
 
Bei 1000 Hz Tonfrequenz stimmen Lautstärke (in Phon) und Schalldruckpegel (in dB SPL) überein.
 
Töne, die als gleich laut wahrgenommen werden, haben (unabhängig von der Frequenz) den selben Phonwert.
 
Die Frequenz-Untergrenze des menschlichen Hörvermögens liegt bei 16-20 Hz, die obere bei 16-20 kHz, mit dem Alter abnehmend (mit 35 Jahren ≈15 kHz, 50 Jahre ≈12 kHz, im Greisenalter bis auf ≈5 kHz - Presbyakusis).

Frequenzoptimum: Das Gehör des Menschen ist zwischen ≈2 kHz und ≈5 kHz am empfindlichsten.
 
Der Hörbereich liegt zwischen 16 Hz und maximal 20 kHz.

Altersschwerhörigkeit (Presbyakusis) geht mit Hörverlust im oberen Frequenzbereich (>5 kHz) einher.
 
Der tiefste Ton einer Bassgeige hat 45 Hz, der höchste einer Sopranistin 2000 Hz. Der Sprechbereich des Menschen liegt zwischen 300 und 3000 Hz.


    Die Lautheit kann in dB SPL oder auch in Sone angegeben werden. Dies ist eine subjektive Lautheitsskala: z.B. bewirkt eine Verdreifachung der empfundenen Lautheit einer Zunahme um 3 Sone. (Die Hörschwelle liegt bei 0 Sone.)

Gehörschäden treten bei längerer Einwirkung von ≥85 dB SPL (≈22 Sone) auf (Gehörschutz notwendig), ab 120 dB genügt dafür schon eine kurze Beschallung; die Schmerzgrenze liegt bei >130 dB. (Das lauteste Brüllen, das von einem Mann registriert wurde, erreichte 128 dB; das lauteste Brüllen einer Frau 119 dB SPL.)

Die Empfindlichkeit des Ohres kann wechseln (Stapediusreflex s. unten). So bewirkt eine intensive Beschallung zunächst eine vorübergehende Erniedrigung der Empfindlichkeit (TTS: transitory threshold shift); bei besonders intensiver bzw. länger andauernder Beschallung resultieren permanente Hörschäden (PTS: permanent threshold shift).

Unterschiedsschwellen: Um zwei Töne als verschieden laut zu empfinden, müssen sie sich im Schalldruckpegel um mindestens 1 dB unterscheiden (Intensitäts- Unterschiedsschswelle). Die Frequenz- Unterschiedsschwelle hängt von der Tonhöhe ab: Im Bereich von 1000 Hz mindestens 3 Hz (d.h. 0,3%), bei Tonhöhen darüber oder darunten ist ein größerer Frequenzunterschied notwendig, um zwei Töne als verschieden hoch erkennen zu können.
 
 
            Über akustisch evozierte Potentiale (AEP) s. dort
    
Mittelohr (middle ear)
 
Schalldruckwellen gelangen über äußeren Gehörgang und Trommelfell (Dicke: 0,1 mm) auf die Gehörknöchelchen im Mittelohr (Hammer = malleolus, Masse 25 mg; Amboss = incus, Masse 30 mg; Steigbügel = stapes, Masse 3 mg) zum Innenohr ("Luftleitung"). Schwingungen einer Schallquelle werden auch direkt über den Schädelknochen auf das Innenohr übertragen ("Knochenleitung").



Flüssigkeit wie die Perilymphe im Innenohr hat einen wesentlich höheren Schallwellenwiderstand als Luft. (Senkt man den Kopf unter Wasser, hört man kaum mehr, was sich oben an der Luft akustisch abspielt.) Das wird durch den Mittelohrapparat ausgeglichen. Die Gehörknöchelchen in der 1-2 ml umfassenden Paukenhöhle (>Abbildung oben) verstärken den Schalldruck um den Faktor 23 (Impedanzanpassung), hauptsächlich, weil die Trommelfellfläche (85 mm2, davon 55 mm2 schallaufnehmend) größer ist als die Fläche der Steigbügelplatte (3,2 mm2) im ovalen Fenster (Druck = Kraft pro Fläche!). Das ist deswegen bedeutsam, weil die Perilymphe (hauptsächlich Wasser) einen viel höheren Wellenwiderstand hat als Luft, und ohne Druckverstärkung würden 98% der Schallenergie vom Innenohr reflektiert - so sind es nur ≈40%.

Die Gehörknöchelchenkette dient der Impedanzanpassung Luft - Wasser.
  
Schallwellen bewegen Trommelfell → Trommelfell bewegt Gehörknöchelchen → Gehörknöchelchen bewegen Membran im foramen ovale → Schwingungen im foramen ovale bewegen Perilymphe → scala media wird deformiert → Haarzellen im Corti'schen Organ werden gereizt → Nervenimpulse wandern zum Gehirn
 
 
>Abbildung: Mittelohr
Nach einer Vorlage bei tweetboard.me/anatomy-of-ear-muscles
Der m. tensor tympani tut das, was sein Name aussagt: Er versteift das Trommelfell. Der m. stapedius reduziert ebenfalls die Schallübertragung, er spannt das Trommelfell an

Die zwei Mittelohrmuskeln - m. stapedius, m. tensor tympani (>Abbildung) - kontrahieren sich bei hohen (>90 dB) Schalldrucken (Stapediusreflex, attenuation reflex) und wirken dämpfend auf die Schallübertragung (der m. stapedius reduziert die Kraftübertragung auf das ovale Fenster, der m. tensor tympani versteift das Trommelfell).

Der Reflex hat eine merkliche Latenz - er tritt 50-100 ms nach Beginn des auslösenden Reizes auf, schützt also z.B. kaum vor einem Knall. Da der Reflex insbesondere niedrige Frequenzen dämpft, erleichtert er das Unterscheiden hoher Töne bei niedrigfrequentem Grundrauschen. Wahrscheinlich dämpft der Reflex auch die Wahrnehmung der eigenen Stimme.

Die Ohrtrompete (tuba auditiva, Eustachi'sche Röhre) sorgt für Druckausgleich mit außen; bei verlegter Tube wird Luft von der Schleimhaut resorbiert und das Trommelfell nach innen gedellt, was das Gewebe spannt und Schmerz verursacht.

Aus dem Mittelohr wird Sekret zum Rachen transportiert (Reinigung, Infektionsschutz); Tubeninsuffizienz kann zu Mittelohrentzündung führen. Die Mündung der Tube in den Rachen kann mittels Spiegelung untersucht werden (sie ist beim direkten Blick auf die Rachenwand durch das Gaumensegel verdeckt).
 

Innenohr (inner ear)
  
Frequenzcodierung: Die Schnecke im Felsenbein nimmt eine Frequenzanalyse vor (vergleichbar eine Fourier-Analyse). Der zeitliche Abstand der Druckwellen, die durch die scala vestibuli zur Schneckenspitze (Helikotrema) laufen, bestimmt den Ort, an dem sie aufeinander wie bei einer Brandung auflaufen und die scala media auslenken. Wanderwellen breiten sich vom ovalen Fenster (hier ist die Basilarmembran 102-mal steifer als apikal) in Richtung Helikotrema mit abnehmender Geschwindigkeit aus - z.B. ein 200 Hz-Ton in Stapesnähe mit ≈4 m/s, in Helikotremanähe mit ≈2 m/s (<Abbildung unten). Die Amplitude der Wanderwellen erreicht höchstens einige Nanometer (v. Békésy postulierte sogar ein Maximum von nur 0,1 nm, vgl. "Historisches").
 
    Druckwellen mit geringem Abstand (hochfrequenter Schall, hohe Töne) führen schon bald hinter dem ovalen Fenster zu Überlagerung, maximaler Auslenkung und Reizung des Corti-Organs sowie Auslöschung der Welle (die Wellen schaukeln sich gegenseitig auf und "versanden" anschließend).
 
    Wellen mit größerem Abstand (niedrigfrequenter Schall, tiefe Töne) gelangen weiter in die Schneckengänge und führen erst nahe dem Helikotrema zu Überlagerung, maximaler Auslenkung und Reizung des Corti-Organs sowie Auslöschung der Welle (Tonotopie, place code: Abbildung der Frequenzen entlang der Strecke Fensterplatte → Schneckenspitze).
Die größte Amplitude der Wanderwellen liegt bei hohen Frequenzen in der Nähe der Schneckenspitze (helikotremanahe), bei tiefen Frequenzen in der Nähe des Mittelohrs (nahe dem foramen ovale).
 
Zur Ortsanalyse kommt das Prinzip der Periodizitätsanalyse: Die Aktionspotentiale in den afferenten Nervenfasern stehen in fester Relation zur Phase des Rezeptorpotentials der zugehörigen Haarzellen. Das Gehirn kann durch Vergleich der Aktionspotentialmuster (an benachbarten Neuronen) eine präzisere Analyse der Frequenzanteile des Schalls vornehmen als durch Ortsanalyse alleine.
 
"Für seine Entdeckungen im physikalischen Mechanismus der Erregungen in der Schnecke des Ohres" erhielt Georg von Békésy 1961 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Békésy wandte sich von der damals gängigen Auffassung der Funktion der Cochlea ähnlich schwingenden Hörsaiten (Resonanzhypothese) abund postulierte stattdessen die Wanderwellentheorie. Im Grunde korrekt, wird diese Vorstellung heute durch den Verstärkungsmechanismus durch die äußeren Haarzellen (cochlear amplifier) ergänzt (s. unten).
 
Jede Bewegung der Membran des ovalen Fensters wird durch eine entsprechende Bewegung der Membran des runden Fensters kompensiert, da das Innenohr flüssigkeitsgefüllt ist (Peri- und Endolymphe nicht komprimiernar) und eine starre (Knochen-)Wand besitzt. Die Basilarmembran ist hingegen dehnbar und gibt den Druckereignissen nach, was Auslenkungen im Bereich des Corti'schen Organs zur Folge hat:
 
 
>Abbildung: Abbiegung der Stereozilien durch Bewegung der Basilarmembran
Nach einer Vorlage in Bear / Connors / Paradiso, Neuroscience - Exploring the Brain, 3rd ed 2007
Links: Ruhezustand. Die Haarzellen sind zwischen Basilar- und Retikularmembran fixiert; die Spitzen der Stereozilien der äußeren Haarzellen sind an der Tektorialmembran befestigt, die Stereozilien sind durch Aktinfilamente versteift und dadurch immer gerade.
  
Rechts: Schwingt die Basilarmembran nach oben aus, rückt die Retikularmembran nach oben und innen (modioluswärts), die Stereozilien werden vom Modiolus weg (hier: nach links) abgewinkelt. Schwingt die Basilarmembran nach unten, kehrt sich das Muster um, die Stereozilien werden in Richtung Modiolus (Schneckenachse) abgewinkelt

Mechanismus der Auslenkung im Bereich des Corti'schen Organs. Die Haarzellen sind mittels der Retikularmembran - einer dünnen "perforierten" bindegewebigen Platte - am Übergang zwischen Zellkörper und Stereozilien fixiert. Kommt es zu Ausscherungen der Basilarmembran, "reitet" das gesamte Corti'sche Organ mit; bei Auslenkungen nach oben gleitet die Reihe der Haarzellen nach innen (modioluswärts), die Tektorialmembran bewegt sich relativ dazu nach außen (in der >Abbildung nach links), und die Stereozilien werden nach außen gebogen (die der äußeren Haarzellen sind an der Tektorielmembran fixiert, die der inneren werden von der Endolymphströmung abgewinkelt).
  

<Abbildung: Wellenpropagation entlang der Innenohrschnecke
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Links oben: Durch einen Ton konstanter Frequenz ausgelöste Druckwellen wandern durch das Innenohr. Durch den "Brandungseffekt" verursachte Überhöhungen der Schwingungsamplituden ergeben insgesamt eine Umhüllende, wie sie durch die strichlierte Linie angedeutet wird.
  
Die Auslenkungen der Basilarmembran gehen nicht über diese Umhüllende hinaus; an der Stelle der stärksten Auslenkung wird die entsprechende Frequenz "abgebildet". Der Effekt ist um einen Faktor von etwa 106 übertrieben dargestellt.

Rechts oben: Abbildung dreier Frequenzen. Je höher die Frequenz (z.B. 10 kHz), desto rascher kommt es zur kritischen Überhöhung der Druckwellen - hohe Frequenzen werden stapesnahe abgebildet. Wellen niedriger Frequenz wandern weiter, bevor der Brandungseffekt auftritt - sie werden helikotremanahe abgebildet.

Unten: Cochlea "entrollt" dargestellt (Länge 32 mm). Der Cochleagang wird helikotremawärts zusehends enger, die Basilarmembran hingegen weiter; die Steifigkeit der Membran nimmt von der Basis der Cochlea (nahe dem foramen ovale) zum Helikotrema hin ab (100:1).
  
Dies bewirkt, dass hohe Frequenzen stapesnahe, niedrige helikotremanahe zu maximaler Auslenkung der Basilarmembran (und Reizung der Haarzellen im Corti'schen Organ) führen - Frequenzanteile des Schalls werden im Innenohr "abgebildet" (Tonotopie)

Die Schwingungen der Basilarmembran zwingen dem System eine Oben-unten-Bewegung auf, und die Stereozilien schwingen zwischen "ein" und "aus" (s. Druckwellen und Rezeptorpotential unten). Das bedeutet, es treten Aktionspotentialsalven mit entsprechender Frequenz auf und werden über den Hörnerven an den nucl. cochlearis im Hirnstamm gemeldet.

An der Stelle der Wellenüberlagerung werden die Haarzellen im Corti´schen Organ gereizt, was - ausgehend von inneren Haarzellen - zur Auslösung von Aktionspotentialen über den Hörnerv (N. vestibulocochlearis, VIII. Hirnnerv) führt.
 
Die Perilymphe ähnelt in ihrer Zusammensetzung extrazellulärer (viel Na+, wenig K+), die Endolymphe hingegen intrazellulärer Flüssigkeit ([Na+] ≈2 mM, [K+] ≈150 mM).

Die Endolymphe des scala media ist durch die Retikularmembran (diese wird von den endolymphwärts gerichteten Enden der Stützzellen gebildet) von der Perilymphe der scala tympani, und durch die Reissner-Membran von der scala vestibuli getrennt.

Die Basilarmembran dient als mechanische Stütze, nicht als Grenze zwischen Endo- und Perilymphe.
 

 
>Abbildung: Haarzellen-Rezeptorpotential
Nach einer Vorlage in Bear / Connors / Paradiso, Neuroscience - Exploring the Brain, 4th ed 2016
Oben: Generatorpotential (in Millivolt) einer Haarzelle in Abhängigkeit von der Zilienauslenkung (in Nanometern) - links vom längsten Zilium weg (Kaliumkanäle geschlossen → Hyperpolarisierung), rechts zum längsten Zilium hin (Kaliumkanäle geöffnet → Depolarisierung). Ein Zilium hat einen Durchmesser von etwa 500 nm, Auslenkungen von 0,3 nm sind bereits wahrnehmbar.
  
Unten: Zeitverlauf des Schalldrucks und des Generatorpotentials: Letzteres spiegelt ersteres exakt wider.
  
Bei Depolarisation kommt es zu Ca++-Einstrom durch spannungsgesteuerte Kalziumkanäle, dadurch Freisetzung von Glutamat aus Speichervesikeln und Erregung afferenter (zum Gehirn führender) Fasern des VIII. Hirnnerven

Das Haarzellsystem
 
Im Corti-Organ befinden sich 4.000-4.500 innere und 12.000-20.000 äußere Haarzellen (dem Ohr steht eine entsprechende Zahl an Frequenzkanälen zur Schallauflösung zur Verfügung). Jede Haarzelle verfügt über 10-300 Stereozilien (Stereovilli) - jeweils 4-10 µm lang und 0,2-0,8 µm dick, und mittels tip links miteinander verbunden.

Haarzellen sind spezialisierte Epithelzellen. Sie generieren in Abhängigkeit vom Ausmaß ihrer Abbiegung mittels mechanosensitiver Kationenkanäle Rezeptorpotentiale (je nach Richtung der Zilienbewegung zu- oder abnehmend), die mit dem Ausmaß der mechanischen Verformung der scala media korrelieren und als Generatorpotentiale fungieren (>Abbildung).

Bereits eine Auslenkung um weniger als 1 nm (<10-6 mm) reicht für eine Potentialänderung, und eine Bewegung um 0,5 µm bringt einen maximalen Effekt hervor: Die Öffnung spannungsabhängiger Ca++-Kanäle und in Folge die Exozytose des Transmitters Glutamat, dessen Menge das Ausmaß an Depolarisation und damit die Aktionspotentialfrequenz afferenter Nervenfasern bestimmt (s. unten).
 
     Innere Haarzellen (Abbildung oben) sind nicht an der Tektorialmembran fixiert, ihre frei beweglichen Zilien werden von der Endolymphe abgebogen, während diese im Rahmen der Schalldetektion zwischen Tektorialmembran und Haarzellen hin- und herströmt (hydrodynamische Kopplung). Die Änderung des Membranpotentials erfolgt zeitgleich mit der Abwinkelung der Zilien; die Frequenz, mit der es zum Ein- und Ausstrom von Kaliumionen durch die Haarzellmembran kommt, entspricht der Frequenz des auslösenden (detektierten) Schalls.
 
Die inneren Haarzellen haben intensive synaptische Kontakte zu afferenten Fasern. Deren Aktionspotentiale sind zeitlich mit der Phase des Haarzell-Rezeptorpotentials verknüpft (Phasenkopplung).

Lautstärkencodierung: Fasern des Hörnerven bilden spontan Aktionspotentiale. Reizung durch Schall erhöht die Aktionspotentialfrequenz bis auf einige 103/s. Dies würde - auf sich alleine gestellt - die Codierung einer Schalldruckänderung von ≈50 dB erlauben. Der tatsächliche dynamische Codierungsbereich beträgt ≈120 dB; das erklärt sich damit, dass jede einzelne Haarzelle mit mehreren Neuronen (die unterschiedliche Erregungsschwellen haben) Kontakt hat. Mit der Stärke des Reizes nimmt die Zahl der aktivierten Neuronen zu.
 
≈95% der afferenten Fasern im Hörnerven beziehen ihre Information von inneren Haarzellen, die also das eigentliche Hören kodieren.
 
      Äußere Haarzellen dienen nicht direkt der Schallanalyse, sondern der Verstärkung und Präzisierung des akustischen Signals ("kochleärer Verstärker", cochlear amplifier). Ihre Zilien stehen in direktem Kontakt mit der Tektorialmembran; mechanosensible Kalium- und Kalziumkanäle in der Membran der Zilienspitze (1-2 pro Zilium) ändern ihren Öffnungszustand entsprechend der Abwinkelung innerhalb von Bruchteilen einer Millisekunde ("elektromechanische Transduktion").
 
Die laterale Membran der äußeren Haarzellen weist eine Art Stützstrumpf auf, der aus Prestin - einem kontraktilen Protein - besteht. Dehnung der Basilarmembran depolarisiert die Haarzelle (elektromechanische Transduktion), und der Prestinmechanismus verkürzt sie um bis zu 5%. Das erhöht wiederum die Schwingungsamplitude der Basilarmembran, was insbesondere bei niedrigem Schalldruckpegel einen verstärkenden Effekt hat. Dies verbessert die Auflösung von Frequenzanteilen des detektierten Schalls (Verschärfung der akustischen Analyse, rote Kurve in der <Abbildung). So können auch sehr schwache akustische Reize überschwellig wirksam werden.
 

<Abbildung: Maximale Auslenkung der Basilarmembran in Relation zur Position in der Cochlea
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Auslöser ist ein reiner Ton (gegebene Frequenz) geringer Intensität.
  
Die blaue Kurve gibt das passive Antwortmuster der Basilarmembran wieder (z.B. bei anoxischem Sauerstoffmangel), die rote Kurve diejenige der "lebendigen" Cochlea, inklusive dem Beitrag des Prestinmechanismus in den äußeren Haarzellen (cochlear amplifier).
  
Die strichlierte Linie zeigt den Schwellenwert, der zu elektrophysiologischen Reaktionen des Innenohrs führt
Mutationen im Prestin-System reduzieren das Hörvermögen um ≈40 dB und beeinträchtigen die Fähigkeit der Frequenzunterscheidung.

Das Gehirn beeinflusst die Funktion der äußeren Haarzellen über efferente Fasern aus der oberen Olive (>Abbildung ganz oben). Die Funktion der wenigen Afferenzen von äußeren Haarzellen zum Hörnerven ist unklar, vielleicht dienen sie der Schmerzleitung.

 Haarzellen und die sie umgebenden Stützzellen bilden an ihren apikalen Polen - wo sie durch tight junctions eng miteinander verbunden sind - die Retikularmembran. Diese separiert die Endolymphe von der darunterliegenden Perilymphe. Auf diese Weise tauchen die Haarzellen apikal in Endolymphe, basal in Perilymphe ein.

Mutationen der Gene für Claudin-Moleküle der tight junctions verändern die parazelluläre Leitfähigkeit der Retikularmembran und reduzieren den Betrag des endokochleären Poentials.

Endokochleäres Potential: Zwischen Endo- und Perilymphe baut sich ein endokochleäres Potential von ≈80 mV Stärke auf. Das Bezugspotential ist das der Perilymphe (0 mV), in der Endolymphe beträgt das Potential etwa +80 mV.

Die Endolymphe ist gegenüber dem umgebenden Extrazellulärraum auf etwa +80 mV aufgeladen.

Das endokochleäre Potential wird von der stria vascularis aufgebaut: Diese sezerniert Kaliumionen - über vier Zelllagen: Fibrozyten, Basalzellen, Intermediär- und Marginalzellen - in die Endolymphe (>Abbildung) und ladet sie dadurch positiv auf.
 

>Abbildung: Die stria vascularis sezerniert Kaliumionen in die Endolymphe
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Am Aufbau des endokochleären Potenzials (Aufladung der Endolymphe in der scala media, ≥80 mV) sind mehrere Zellschichten der stria vascularis beteiligt:
  
    Bindegewebszellen des ligamentum spirale pumpen Kalium - basolateral via Na-K-Pumpe und Na/K/Cl-Symporter, apikal über gap junctions -
  
    durch Basalzellen hindurch (gap junctions) Richtung
  
    intermediäre Zellen, diese weiter - über Kaliumkanäle - in den interstitiellen Spaltraum (mit "intrastrialer" Flüssigkeit - diese ist bereits auf ≈90 mV aufgeladen) zu - die scala media auskleidenden -
  
    Marginalzellen, die basolateral mittels Na-K-Pumpe und Na/K/Cl-Symporter Kalium anreichern und apikal per Kaliumkanälen in die Endolymphe exportieren.

Ergebnis: Die Scala media weist hohe Kaliumkonzentration (≈150 mM) und positive Ladung (≈80 mV) auf

Die Haarzellen haben ein Ruhepotential von -55 (innere Haarzellen) bzw. -70 mV (äußere Haarzellen). Das Rezeptorpotential der inneren Haarzellen - also die reizsynchronen Veränderungen des Membranpotentials - folgen bei Frequenzen bis zu einigen hundert Hertz weitgehend den Auslenkungen der Basilarmembran.

Bei höheren Frequenzen oszillieren die Zilien zwar auch noch reizsynchron, es kommt bei der Reizung aber zusehends zu einer steten (und weniger oszillatorischen) Erhöhung des Kaliumeinstroms, Depolarisierung und Ausschüttung des Transmitters Glutamat.

Bei niedrigen Frequenzen folgt das Rezeptorpotential den Schwingungen der Basilarmembran.
  
Das Gesamtpotential zwischen Haarzelle (intrazellulär -70 mV) und Endolymphe (extrazellulär +80 mV) beträgt bis zu 150 mV. Das Ruhepotential der Haarzellen addiert sich auf das endokochleäre Potential. Diese hohe Spannung steigert die Empfindlichkeit der Hördetektion, indem sie den elektrochemischen Gradienten für den K+-Einstrom in die Haarzelle erhöht  (Öffnung der Kaliumkanäle an den Haarzell-Stereozilien führt zu Kaliumeinstrom und Depolarisierung).
 

<Abbildung: Vorgänge an einer inneren Haarzelle (Spannungswerte entsprechen einer "Momentaufnahme" und sind dynamisch)
Nach einer Vorlage bei R. TannerThies: Physiology - An Illustrated Review. Thieme 2011
Kochleäre Vibrationen bewirken Relativewegung der Tektorial- gegen die Basalmembran, Abwinkelung der Stereozilien, Depolarisation und Verkürzung. Dies verstärkt den Reiz an den Stereozilien innerer Haarzellen (rosa Pfeil).
  
Deren kaliumbedingte Depolarisierung (hohe Kaliumkonzentration - >140 mM - der positiv aufgeladenen Endolymphe) öffnet Kalziumkanäle, was Ca++-Einstrom und dies wiederum Glutamatfreisetzung zur Folge hat - afferente Neuronen (VIII. Hirnnerv) werden dadurch aktiviert.
 
Tight junctions verhindern parazellulären Stromfluss, sie isolieren die Haarzellschicht



Werden die Stereozilien der inneren Haarzellen bei Scherbewegungen gegeneinander verschoben (Durchgangs von Wanderwellen), kommt es zur Öffnung mechanosensibler Ionenkanäle an der Spitze der Zilien, Kaliumeinstrom, Depolarisation und entsprechende Generatorpotentiale an den Haarzellen.

Warum depolarisiert Öffnung von Kaliumkanälen die Haarzelle? Üblicherweise führt Öffnung der Kaliumkanäle zu Hyperpolarisierung. Dass die Öffnung von Kaliumkanälen Haarzellen depolarisiert, ist ein Sonderfall und hat zwei Gründe:

       Die Kaliumkonzentration in der Endolymphe ist so hoch, dass das Kalium-Gleichgewichtspotential ≈0 mV beträgt.
 
       Dazu kommt das endokochleäre Potential - der elektrische Gradient an der Membran beträgt um die 130 mV und treibt K+ durch offene Kaliumkanäle in die Zelle - das verringert das Membranpotential.


Die Kaliumkanäle sind miteinander durch molekulare Brücken (tip links) verbunden und durch diese geöffnet, wenn sie angespannt werden - Depolarisation und Hyperpolarisation tritt an den Stereozilien synchron auf. Depolarisation öffnet spannungsabhängige Kalziumkanäle (L-Typ), Ca++-Ionen strömen in die Zelle, und Glutamat wird als Transmitter freigesetzt. Das löst schließlich Aktionspotentiale an den afferenten Fasern des ganglion spirale aus.

Auslenkung der tip links depolarisiert die Haarzelle.
 
Die inneren Haarzellen sind die eigentlichen Sensoren im Hörapparat; ihre Zerstörung führt zu kompletter Taubheit.
 
        Zur Physiologie von Haarzellen s. auch dort
 
Bei den äußeren Harrzellen ist ein anderer Mechanismus im Spiel: Sie sind hauptsächlich efferent innerviert, und bei Depolarisation kontrahieren sie, bei Hyperpolarisation strecken sie sich. Die Kontraktion ist ultraschnell und erfolgt durch Wirkung eines speziellen Eiweißes in der lateralen Wand der äußeren Haarzellen: das Prestin. Bei Depolarisation verringert es seine Fläche, die Zelle kontrahiert, dies überträgt sich auf den Schalldetektionsapparat und bildet einen aktiven Beitrag zur Empfindlichkeitssteigerung im Innenohr. Dieser "kochleäre Verstärker" (cochlear amplifier) bewirkt eine Verhundertfachung der Auslenkung der Basilarmembran (<Abbildung oben).

Nur so können die inneren Haarzellen auch bei niedrigem Schalldruck erregt werden. Auch wird durch die lokal eng begrenzte Verstärkung die Frequenzauflösung erhöht. Wie wesentlich diese Mechanismen sind, zeigt sich an hochgradiger Schwerhörigkeit und herabgesetzter Frequenzauflösung (aber nicht kompletter Taubheit!) bei Verlust der äußeren Haarzellen.

Efferente Nervenfasern aus der oberen Olive - etwa eintausend an der Zahl - hemmen die äußeren Haarzellen cholinerg; d.h. sie werden durch Azetylcholin hyperpolarisiert (Ca++-aktivierbarer Kaliumkanal). Dies führt zu lokaler Abnahme der Empfindlichkeit der Cochlea und erlaubt gezielte zentrale Modulation im Sinnesorgan.
 
 
 
>Abbildung: Innervation der Haarzellen durch Neurone des ganglion spirale
Nach einer Vorlage in Bear / Connors / Paradiso, Neuroscience - Exploring the Brain, 4th ed 2016
Das Spiralganglion innerviert die inneren Haarzellen besonders dicht: Eine innere Haarzelle projiziert auf ≈10 Neuronen im Spiralganglion

Verschaltung auf afferente Fasern des Hörnerven. Der Hörnerv (N. cochlearis, auditory nerve) ist Teil des VIII. Hirnnerven; die Somata seiner Nervenzellen - die akustische Sinnesinformation an das Gehirn melden - liegen im ganglion spirale (das im Zentrum der Schnecke untergebracht ist). Das Spiralganglion enthält zwischen 35- und 50-tausend Neurone; die meisten (95%) kommunizieren mit inneren Haarzellen. Diese sind kaum mehr als 4000 an der Zahl; tatsächlich sendet jede innere Haarzelle Impulse zu etwa 10 verschiedenen afferenten Neuriten (>Abbildung).

Von den - dreimal so zahlreichen - äußeren Haarzellen werden nur etwa 5% der Spiralganglienneuriten kontaktiert, und auf jede von diesen konvergiert Information von mehreren äußeren Haarzellen.

Darin spiegelt sich die Tatsache, dass die akustische Information aus der Gehörschnecke von den inneren Haarzellen stammt; die äußeren dienen hingegen der "Signalverstärkung" (Prestin-Mechanismus, s. oben). Efferente cholinerge Nervenfasern beeinflussen zusätzlich die Reiztransformation im Innenohr (s. oben).



 
Nebenwirkung: Schleifendiuretika (z.B. Furosemid) wirken diuretisch, indem sie den Na+-K+-2Cl--Transporter im dicken Teil des aufsteigenden Schenkels der Henle-Schleife hemmen. Allerdings blockieren sie auch einen analogen Kotransporter in der stria vascularis, worauf die Kalium-Konzentration in der Endolymphe und damit das für die akustische Reiztransduktion notwendige kochleäre Potential (s. oben) absinkt. Die Folge ist Taubheit, die zuerst reversibel, später bleibend ist. Daher gelten Schleifendiuretika als ototoxisch.

Auch Antibiotika (wie Kanamycin) können den Verstärkungseffekt der äußeren Haarzellen blockieren (die inneren Haarzellen bleiben unbeschädigt) und zu Innenohrtaubheit führen. Das zeigt, wie essentiell der Verstärkereffekt der äußeren Haarzellen für den Hörvorgang ist.
Eine Reise durch die Physiologie


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