Physiologie der Sinnesorgane

Informationsverarbeitung von Innenohrschnecke bis Gehirn; Hörtests, ERA
 
 
© H. Hinghofer-Szalkay

Audiogramm, Audiometrie: audire = hören, γραφή =  Aufzeichnung, μέτρον = Maß
Heschl'sche Querwindung:  Richard  Heschl
Mikrophonpotentiale: μικρός = klein, φωνή = Laut, Ton, potentia = Stärke, Macht, Kraft, Leistung
Rinne-Test: Heinrich Rinne
Schwabach-Test: Dagobert Schwabach
Tonotopie: τόνος = Saite, Spannung; τόπος = Stelle, Ort
Weber-Test: Ernst  Weber



Wie auch in anderen Sinnesbahnen, gibt es in der Hörbahn aszendierende (zuleitende) und deszendierende (modifizierende) Fasersysteme. Hauptstationen der subkortikalen auditiven Informationsverarbeitung sind die Cochleariskerne, die obere Olive, die unteren Vierhügel und die medialen Kniehöcker. Sie alle enthalten auf bestimmte Aufgaben spezialisierte Nervenzellen, z.B. Seitenvergleich (Richtungshören) in der Olive oder Mustererkennung und Reflexmanagement in darüberliegenden Kernen.

Die kortikale Projektion erfolgt in die Heschl'sche Querwindung, in der - mit Frequenzabbildung (Tonotopie) ähnlich wie im Corti-schen Organ - Schwellen-, Zeit- und Frequenzanalysen sowie Seitenvergleiche und Erkennung von Reizformen (Vergleich mit abgespeicherten Mustern) erfolgen.

Zur Untersuchung des auditiven Systems kommen z.B. Stimmgabeltests, Audiografie (Ton-, Sprach- etc) und objektivierbare Messungen physiologischer Funktionszeichen (Impedanzaudiometrie, kochleäre Mikrophonpotentiale, oto-akustische Emissionen (TEOAE), Hirnstammpotentiale (BERA), akustisch evozierte Potentiale) in Frage.


Stationen der Hörbahn Audiometrie Mikrophonpotentiale, BERA etc


>Abbildung: Hörbahn
Nach einer Vorlage in Bear / Connors / Paradiso, Neuroscience - Exploring the Brain, 4th ed 2016

Synaptische Verarbeitung erfolgt auf mehreren Ebenen (Cochleariskerne, obere Olive, untere Vierhügel, medialer Kniehöcker, Hörrinde). Fasern aus dem nucl. cochlearis ventralis kreuzen zum Teil die Seite und projizieren auf die obere Olive; Fasern aus dem nucl. cochlearis dorsalis umgehen sie. Axone aus der Olive bilden den Lemniscus lateralis. Alle aufsteigenden Teile der Hörbahn konvergieren auf die unteren Vierhügel.

Das Bild zeigt den Hauptweg der aufsteigenden Fasersysteme; zusätzlich bestehen weitere Informationspfade. Fasern kreuzen auf mehreren Ebenen die Seite (Trapezkörper - Schnittebene 1, zwischen Lemniskuskernen, kortikal) - dies ist für das Richtungshören entscheidend (Seitenvergleich).
Deszendierende Fasern (nicht gezeigt) verstellen die Empfindlichkeit des Innenohrs

Akustische Information wird im Gehirn sehr rasch und sehr präzise verarbeitet. Dies ermöglicht eine prompte Reaktion auf Schallreize, wie Orientierungsbewegungen (und damit Einstellen des Kopfes in Richtung zur Schallquelle, um das Gehörte auch sehen zu können) oder Fluchtbewegungen (auf unerwartete und bedrohliche Geräusche).

Schon im nucleus cochlearis finden sich spezialisierte Zellpopulationen: Einige antworten proportional entsprechend dem Aktionspotentialmuster ihrer Afferenzen ("primary like"), andere differentiell, d.h. nur auf Anfang und Ende ihres Reizes, wieder andere kontrastieren das Frequenzmuster durch laterale Inhibition. Die Lautheit eines Tones wird sowohl über die Zahl reagierender Neurone als auch über deren Aktivität (Aktionspotentialfrequenz) abgebildet.

  Das System der aufsteigenden Hörbahnfasern ist komplex und nur zumTeil verstanden. Fixpunkte sind:

       Die ersten Neurone (des Spiralganglions) enden an den ipsilateralen Cochleariskernen, wobei sie sich aufteilen und jeweils beide Kerne (nucl. cochlearis dorsalis und ventralis) erreichen;

       alle weiteren Kerne erhalten Information von beiden Ohren;

       alle aufsteigenden Hörbahnfasern konvergieren zu den unteren Vierhügeln.

Die obere Olive wird von Neuronen der ventralen Cochleariskerne erreicht, wobei kreuzende Fasern den Trapezkörper bilden; in der Olive wurzelt der Lemniscus lateralis zur Vierhügelplatte (>Abbildung).
Die obere Olive vergleicht Eingänge von beiden Ohren (Laufzeit, Intensität) und dient dem Richtungshören. Vierhügelplatte (colliculi inferiores) und Thalamus (corpus geniculatum mediale - medial geniculate nucleus MGN) übernehmen Mustererkennung, Auslösung akustischer Fluchtreflexe etc, bevor die aufgearbeitete Information dem primären Hörzentrum im Schläfenlappen (auditory cortex A1, Heschl'sche Querwindung ) zufließt. Neuronen der unteren Vierhügel projizieren auch auf die oberen Vierhügel, wo akustische und optische Sinnesinformationen verglichen werden; und weiters zum Kleinhirn, das akustische Reize entsprechend motorisch beantworten kann.

Die Heschl'sche Querwindung (gyri temporales transversi, planum temporale) sind in der linken Hemisphäre stärker ausgeprägt als auf der Gegenseite. Hier erfolgt eine tonotope Projektion von der Innenohrschnecke, d.h. entsprechend den Frequenzanteilen der akustischen Reizmuster. In den Schichten III und IV der sechsschichtigen Hörrinde erfolgen - räumlich separiert - Analysen der Aktivierungsschwelle, der Wechselwirkung zwischen beiden Ohren, der Latenzzeit und der jeweiligen Frequenzanteile.

Es existieren zahlreiche weitere, in der Abbildung nicht gezeigte Verschaltungen auf Hirnstammebene. Zudem modifizieren absteigende Systeme die Aktivität in Innenohr und Hörbahn: So projizieren Neuronen der Hörrinde auf corpus geniculatum und colliculi inferiores, und efferente Neuronen im Hirnstamm auf äußere Haarzellen.

  Zwischen der Innenohrschnecke und dem auditorischen Kortex erfolgen mindestens vier Umschaltungen. Dabei bleibt der Frequenzbezug vom entsprechenden Ort der Innenohrschnecke bis zur entsprechenden kortikalen Abbildung erhalten (Tonotopie : Frequenzabbildung) - jedes Neuron im Spiralganglion hat eine bestimmte charakteristische Frequenz, auf die es am stärksten anspricht. Das Ansprechverhalten der Neuronen in der Hörbahn wird mit ihrer Position z.T. zusehends komplexer; so reagieren bestimmte Zellen im corpus geniculatum auf spezifische Schallmuster (z.B. Vokalisierung) statt nur auf bestimmte Tonfrequenzen.

Phase locking: Zusätzlich zur Position einer Nervenfaser in Bezug auf den innervierten Abschnitt des Corti'schen Organs bzw. der Schallfrequenz (Tonotopie) gibt es eine zusätzliche Möglichkeit, Information über die Frequenz eines abgebildeten Tons zu übertragen:
Bei niedrigen Frequenzen (bis etwa 5 kHz) kommt es zu einer Synchronisierung der akustischen Schwingung und dem Zeitpunkt, zu dem Aktionspotentiale auftreten. Auch wenn nicht jede Schwingung überschwellig werden und ein Aktionspotential auslösen muss, erfolgt doch jeder Impuls an einer bestimmten, gleichbleibenden Stelle der akustischen Welle. Die beidseitige kollektive Synchronisierung der afferenten Impulse erleichtert dem Gehirn die Analyse von Seitendifferenzen.

Hirnstammneurone der Hörbahn bilden sehr niedrige Frequenzen über phase locking, hohe (über 5 kHz) über Tonotopie, und Frequenzen dazwischen über eine Kombination aus beiden Mechanismen ab.

Ausgeprägte Divergenz ermöglicht die parallele Verarbeitung der aufgenommenen Schallinformation auf mehrere Kerne des Hirnstamms. So wird auch ein intensiver Seitenvergleich des afferenten Informationsstroms vorgenommen, was dem Richtungshören zugute kommt:

      Bei einer Distanz der Ohren von ≈20 cm ergibt sich bei einer seitlich gelegenen Schallquelle (in Luft) für die Ankunft einer Welle ein Unterschied von etwa 0,6 Millisekunden (liegt die Schallquelle direkt vor oder hinter dem Kopf, kommt die Welle auf beiden Seiten gleichzeitig an). Tatsächlich liegt das Auflösungsvermögen bei etwa 2 Bogengrad Winkelunterschied;
das heisst, das menschliche Ohr kann Laufzeitdifferenzen von ≈0,01 Millisekunden detektieren. Dieses Prinzip lässt die Ortung von Frequenzquellen bis zu etwa 2 kHz zu. Die obere Olive enthält Neurone, die auf die Erkennung bestimmter Laufzeitdifferenzen (links <-> rechts) spezialisiert sind.

      Bei kontinuierlichen Tönen funktioniert dieses Prinzip nicht; allerdings kann das Gehör auch Phasenunterschiede erkennen, die eintreten, wenn die Schallquelle nicht in der Sagittalachse liegt - insbesondere bei niedrigfrequenten Tönen. Für höhere Frequenzen sind die auftretenden Unterschiede zu kurz.

      Schließlich treten an den Ohren (sofern die Schallquelle nicht genau vor oder hinter dem Kopf liegt) auch Unterschiede in der Lautheit auf: Das der Schallquelle abgewandte Ohr liegt im akustischen "Schatten", der durch den Kopf gegeben ist - die resultierende Lautheitsdifferenz wird von speziellen Neuronen zur Ortung der Schallquelle interpretiert. Dieser Mechanismus ist bei höheren Frequenzen (ab 2 kHz) geeignet - bei niedrigen kommt es zu Diffraktion der Schallwellen um den Kopf, es tritt kein effektiver Schallschatten auf.

All diese Prinzipien gelten für Unterschiede in der Horizontalen (die Ohren liegen nebeneinander). Die Analyse der Lage einer Schallquelle in der Vertikalen kann so nicht erfolgen; hier hilft die Art, wie Schallwellen an der Ohrmuschel reflektiert werden. Bedingt durch deren Anatomie ist die Schallwellenreflexion je nachdem, wie hoch / wie tief die Schallquelle relativ zum Kopf liegt, unterschiedlich; die Laufzeitdifferenz wird einer bestimmten Lage der Schallquelle zugeordnet. Zusätzlich hilft, dass höherfrequenter Schall von oben leichter in das Ohr eindringt als von unten.
  

 

<Abbildung: Hörverlust-Diagramm (Ton-Audiometrie)


Vermessung des Hörvermögens: Schwerhörigkeit kann im Bereich des Trommelfells, der Gehörknöchelchen, des Innenohrs, des N. acusticus oder im Gehirn seine Ursache haben. Durch subjektive und objektive Untersuchungen versucht man, die Lokalisation der Störung zu finden.

  Die Bestimmung des Hörvermögens für Geräuschmuster und Tonfrequenzen nennt man (Ton-, Sprach- etc.) Audiometrie, das Prüfergebnis ein Audiogramm . Bei der Audiometrie werden definierte Schallreize über Kopfhörer vorgespielt und Reizschwellenwerte und akustisches Verständnis überprüft.

Ton (schwellen) audiometrie
benützt reine Töne (definierte Frequenz), die entsprechend der Empfindlichkeit des Ohres (
s. dort) mit unterschiedlicher Schallintensität angeboten werden. Das Audiogramm stellt die Abweichung von der normalen Frequenzempfindlichkeit bei den jeweiligen Frequenzen dar, ist also im Idealfall eine Linie bei "Abweichung null" (weniger als 20 dB Hörverlust, <Abbildung).

Besonders wichtig ist der Hauptfrequenzbereich der Stimme und Sprache (250-3000 Hz); sie wird insbesondere mit der
Sprachaudiometrie getestet.

Einfache Tests sind Flüsterproben sowie

Stimmgabelversuche:

  Beim Weber-Test wird die Stimmgabel auf den Scheitel gesetzt und auf Symmetrie geprüft (Ton “im Kopf” oder seitenverlagert?). Normalerweise hört man den Ton auf beiden Seiten gleich laut (symmetrische Reizverteilung). Bei Innenohrschaden verlagert man die Tonwahrnehmung auf die gesunde Seite, da hier die Übertragung auf neurale Erregung besser funktioniert. Bei einer einseitigen Störung der Schalleitung hingegen wird der Ton auf die geschädigte Seite lateralisiert, da einerseits weniger Schallenergie über das kranke Mittelohr abgestrahlt wird, andererseits hier die Sinneszellen empfindlicher geworden sind (adaptiert haben).


>Abbildung: Testung der Schalleitung mittels Stimmgabelversuchen
Kombiniert nach Vorlagen in nursingcrib.com

Der Weber-Versuch prüft auf Symmetrie, der Rinne-Versuch, ob die "Luftleitung länger ist als die Knochenleitung"
  Der Rinne-Test vergleicht die “Luft”- und “Knochenleitung”: Wird die Stimmgabel bei Anlegen an den Schädelknochen nicht mehr gehört, sollte sie über die Luftleitung des äußeren Gehörganges immer noch hörbar sein ("Luftleitung länger als Knochenleitung") - auch bei Innenohrschädigung (Impedanzanpassung durch das Mittelohr). Bei gestörter Schallleitung, z.B. einer Mittelohreiterung, ist das nicht der Fall: Hier wird umgekehrt die "Knochenleitung länger als die Luftleitung".

Eine Kombination beider Versuche (Weber + Rinne) kann sowohl die Seite einer Hörschädigung als auch deren Ursache eingrenzen. Eine vergleichende Tonschwellenaudiometrie (Luft- und Knochenleitung) kann dies noch genauer.
 

  Der Schwabach-Test vergleicht das Hörvermögen von Patient und Untersucher (sinnvoll unter der Annahme, dass die untersuchende Person über ein normales Hörvermögen verfügt).

  Cochleäre Mikrophonpotentiale können in der Nähe des foramen rotundum abgeleitet werden und geben Aufschluss über die Intaktheit des Corti-Organs (vor allem der äußeren Haarzellen).

Bei der Impedanzaudiometrie (Tympanometrie) wird das (durch die Spannung des Trommelfells beeinflusste) Echo ermittelt, das bei Beschallung des Ohres auftritt.

     Funktionstest der äußeren Haarzellen: Ein mit einem reinen Ton beschalltes Ohr antwortet kurzzeitig - aufgrund der Verstärkungsfunktion äußerer Haarzellen - mit oto-akustischen Emissionen (transient evoked oto-acoustic emissions, TEOAEs).

Die Ableitung solcher - z.B. auf einen Klick auftretenden - Signale (mittels in den äußeren Gehörgang eingeführten Mikrophons) dient als objektiver Hörtest (Mitarbeit der untersuchten Person nicht notwendig) und wird u.a. bei Neugeborenen verwendet (Screening auf Schwerhörigkeit).

  
  Über Elektroden am Mastoid lassen sich Potentialverläufe ableiten, welche die akustische Informationsverarbeitung im Hirnstamm widerspiegeln (brainstem evoked response audiometry, BERA). Man spricht von frühen akustisch evozierten Potentialen, weil sie noch vor Befassung des Großhirns auftreten. Sie lassen eine Differentialdiagnose zwischen kochleären und "retrokochleären" Hörstörungen zu (objektiver Hörtest - ERA: evoked response audiometry). 

     Die Bestimmung akustisch evozierter Potentiale (AEP) aus Hirnstromableitungen ermöglicht eine objektive Funktionstestung des Hörorgans auf höherer Ebene. AEPs gehören in die Gruppe ereigniskorrelierter Potentiale.
 
            Über akustisch evozierte Potentiale (AEP) s. dort.
  


Kontraktion der Mittelohrmuskeln (m. tensor tympani, m. stapedius) verringert die Schallübertragung and das Innenohr; reflektorisch schützt dies bei Lärm vor Überreizung. Lähmung dieser Muskeln (z.B. bei Fazialisparese → Inaktivierung des Stapedius) führt zu Hyperakusis, d.h. pathologischer Feinhörigkeit (Lärmempfindlichkeit).



Eine Reise durch die Physiologie


  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.