{"id":25705,"date":"2021-05-10T13:09:05","date_gmt":"2021-05-10T13:09:05","guid":{"rendered":"https:\/\/blog.medel.pro\/faszinierende-synchroton-bilder-der-cochlea-prof-helge-rask-andersen\/"},"modified":"2025-12-12T11:58:45","modified_gmt":"2025-12-12T09:58:45","slug":"faszinierende-synchrotron-bilder-der-cochlea-prof-helge-rask-andersen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.medel.pro\/de\/chirurgie\/faszinierende-synchrotron-bilder-der-cochlea-prof-helge-rask-andersen\/","title":{"rendered":"Faszinierende Synchrotron-Bilder der Cochlea | Prof. Helge Rask-Andersen"},"content":{"rendered":"

[vc_row][vc_column][vc_column_text]Heute haben wir die Ehre, einen beeindruckenden Beitrag von Prof. Helge Rask-Andersen mit Ihnen zu teilen. Rask-Andersen ist wissenschaftlicher Leiter der Abteilung f\u00fcr Experimentelle Otologie an der Universit\u00e4t Uppsala in Schweden.<\/p>\n

Gemeinsam mit Prof. Sumit K. Agrawal pr\u00e4sentierte er k\u00fcrzlich spannende Forschungsergebnisse<\/a> zur Anatomie der menschlichen Cochlea. Beide Forscher bedienten sich mit ihren Teams eines gewaltigen Synchrotron-Teilchenbeschleunigers, um Bilder intakter mikroanatomischer Cochlea-Strukturen zu generieren, die in ihrer Detailliertheit v\u00f6llig neue Ma\u00dfst\u00e4be setzen.<\/p>\n

Eine der imposantesten Erkenntnisse dieser gemeinsamen Forschungen war die Best\u00e4tigung der These, dass das Ganglion spirale sich nahezu \u00fcber die ganze L\u00e4nge der menschlichen Cochlea erstreckt<\/strong> und am Beginn der zweiten Cochlea-Windung eine komplexe schraubenf\u00f6rmige Drehung aufweist.<\/p>\n

\"SynchrotronMehr \u00fcber diese Forschungsarbeit k\u00f6nnen Sie in diesem k\u00fcrzlich in der Fachzeitschrift Nature erschienenen Artikel lesen: Three-dimensional tonotopic mapping of the human cochlea based on synchrotron radiation phase-contrast imaging.<\/a> Hao Li, Luke Helpard, Jonas Ekeroot, Seyed Alireza Rohani, Ning Zhu, Helge Rask-Andersen, Hanif M. Ladak & Sumit Agrawal. Sci Rep\u00a011,\u00a0<\/b>4437 (2021). Bildverwendung lizenziert unter Creative Commons License 4.0.\u00a0<\/em><\/p>\n

Dieses au\u00dferordentlich hochaufl\u00f6sende Bild best\u00e4tigt etwas, das wir seit mehreren Jahren in der CI-Forschung zur tonotopen \u00dcbereinstimmung von Frequenz und Stimulationsort beobachten: Erreicht ein Elektrodentr\u00e4ger die zweite Cochlea-Windung nicht, wird nicht das gesamte Ganglion spirale stimuliert, was wiederum bedeutet, dass nicht der gesamte nat\u00fcrliche Frequenzbereich der Cochlea stimuliert und genutzt wird.<\/p>\n

Wir empfehlen Ihnen w\u00e4rmstens, den gesamten Onlinevortrag (ca. 1 Stunde)<\/a> anzusehen, da er einen unvergleichlichen Einblick in die Mikroanatomie und Physiologie des Innenohrs bietet und zugleich der Frage nachgeht, wie diese Erkenntnisse f\u00fcr eine noch exaktere CI-Anpassung und nat\u00fcrlichere tonotope \u00dcbereinstimmung nutzbar gemacht werden k\u00f6nnen.<\/p>\n

Wenden wir uns jetzt aber den Ausf\u00fchrungen Rask-Andersens zu: Tauchen Sie ein in die komplexen Funktionen des Innenohrs und erfahren Sie, was diese neuen anatomisch-physiologischen Forschungsergebnisse f\u00fcr k\u00fcnftige Entwicklungen im Bereich der CI-Technologie bedeuten k\u00f6nnten.<\/p>\n

\u00a0<\/strong><\/p>\n

Synchrotron-Bildgebung: Bis ins kleinste Detail<\/h3>\n

Ich traf Prof. Sumit Agrawal<\/a> bei meiner Anatomie-Lehrveranstaltung 2017 in Uppsala. Ich habe meine Micro-CT-Bilder der menschlichen Cochlea pr\u00e4sentiert und Prof. Agrawal erw\u00e4hnte, dass er sich an der Einrichtung f\u00fcr biomedizinische Bildgebung und Therapie (BMIT) der Kanadischen Lichtquelle (CLS) im kanadischen Saskatchewan mit Synchrotron-Bildgebung<\/a> besch\u00e4ftigt hatte.<\/p>\n

Ich sah die Aufnahmen und war begeistert von der hohen Aufl\u00f6sung und der exakten Darstellung der weichen Gewebestrukturen in der Cochlea – sogar der lediglich 3 Mikrometer d\u00fcnnen Rei\u00dfner-Membran. 3 Mikrometer entsprechen in etwa dem halben Durchmesser eines Erythrozyten. Dies war m\u00f6glich ohne F\u00e4rbung, welche mitunter eine Schrumpfung verursacht.<\/p>\n

Wir begannen schlie\u00dflich eine Kooperation und verglichen unsere Forschungserkenntnisse. Synchrotron-Technologie kann Lichtmikroskopie und Histologie<\/a> zwar nicht ersetzen, aber die Aufl\u00f6sung der Zellen kann durch F\u00e4rbung und Fixierung weiter verbessert werden. Wir k\u00f6nnen die Mikroanatomie genauer erkunden und computerbasierte 3D-Rekonstruktionen erstellen, ohne daf\u00fcr zeitaufw\u00e4ndige histologische Schnitte zu ben\u00f6tigen. Wir spielten die Serienaufnahmen in eine 3D-Analysesoftware ein, um das weiche Gewebe in der Cochlea dreidimensional betrachten zu k\u00f6nnen.<\/p>\n

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Die Cochlea lebt<\/h3>\n

Es war beeindruckend, das runde Fenster in 3D zu sehen und die Cochlea zu stimulieren, indem man sich quasi in ihr befindet und von innen heraus in Richtung Mittelohr blickt. Es hilft uns dabei, die Anordnung der Blutgef\u00e4\u00dfe in der Cochlea nachzuvollziehen.<\/p>\n

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Synchrotron-Bild der Cochlea-Basis Innenperspektive: Als Betrachter \u201asitzt\u2018 man in der Cochlea und blickt nach hinten zum runden Fenster (gelb), wo der Elektrodentr\u00e4ger des Cochlea-Implantats eingef\u00fchrt wird. Pfeile zeigen die kn\u00f6chernen \u00d6ffnungen an, durch die die Blutgef\u00e4\u00dfe am Boden der Scala tympani verlaufen.<\/em><\/p>\n

Es ist bemerkenswert, dass wir unseren Puls im Ohr nicht permanent h\u00f6ren. Eine Art nat\u00fcrlicher D\u00e4mpfung verhindert, dass die Pulsschl\u00e4ge den extrem empfindlichen Haarzellen im Innenohr zusetzen. Die Blutgef\u00e4\u00dfe sind sozusagen aufgewickelt und dehnen sich, um die Pulsschl\u00e4ge auszugleichen. Das Synchrotron zeigt, dass die Arterien sich wie kleine Sammelbeh\u00e4lter verhalten, um die Pulse abzuschw\u00e4chen.<\/p>\n

Damit verstehen wir nun die Herausforderungen rund um den Erhalt der Cochlea-Strukturen beim Einsetzen eines Cochlea-Implantats<\/a>. Wir sehen ven\u00f6se Gef\u00e4\u00dfe in unmittelbarer N\u00e4he zu jener Stelle, an der die CI-Elektrode eingef\u00fchrt wird. Das Innenohr reagiert extrem empfindlich auf eine St\u00f6rung der Durchblutung sowie Sauerstoffmangel. Es ist \u00e4u\u00dferst wichtig, diese Blutgef\u00e4\u00dfe nicht zu beeintr\u00e4chtigen, zumal sie Blut von den Nervenzellen ableiten, die durch das CI elektrisch stimuliert werden sollen.<\/p>\n

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Scala tympani, Scala vestibuli und Scala media<\/h3>\n

Die Cochlea ist eine spiralf\u00f6rmige R\u00f6hre mit zweieinhalb Windungen. Der Gesamtdurchmesser betr\u00e4gt 9 mm. W\u00fcrde sie ausrollen, h\u00e4tte die hinterste Wand dieser Cochlea eine maximale L\u00e4nge von 42 mm. Je nach Mensch kann die L\u00e4nge der lateralen Cochlea-Wand aber deutlich variieren: zwischen 38 und 46 mm! Die erste Windung erstreckt sich \u00fcber rund 22 mm, die zweite \u00fcber rund 13 mm und der Apex \u00fcber rund 7 mm.<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Die Gr\u00f6\u00dfe der menschlichen Cochlea kann sehr stark variieren! <\/em><\/p>\n

Die Cochlea enth\u00e4lt zwei mit Fl\u00fcssigkeit gef\u00fcllte Hohlr\u00e4ume, die sich zum Apex hin verj\u00fcngen: oben die Scala vestibuli und unten die Scala tympani. Die Scala tympani reicht bis zur Spitze der Cochlea, wo sie am Helicotrema, einem kleinen Loch, auf die Scala vestibuli trifft. So ist es m\u00f6glich, dass die Druckwelle den gesamten Weg durch die Cochlea bis zum runden Fenster zur\u00fccklegt und jene sogenannte Wanderwelle entsteht, welche die Basilarmembran auslenkt und zentral ist f\u00fcr die Aufteilung der Frequenzen.<\/p>\n

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Auf diesem Synchrotron-Bild sehen Sie die Basilarmembran (gr\u00fcn), die durch Schallwellen in Schwingung versetzt wird und an der Basis nahe dem runden Fenster (rot) endet. Die Natur hat einen genialen Mechanismus eingerichtet, um die Membran am basalen Ende abzufedern, gewisserma\u00dfen in der Schwebe zu halten. Auf diese Art wirken sich die Bewegungen am runden Fenster nicht negativ auf die \u00e4u\u00dferst empfindliche Membran aus, welche die mechanischen Schwingungen in nanometergenauer Pr\u00e4zision auf die Sinneszellen \u00fcbertr\u00e4gt.<\/em><\/p>\n

Die Scalae sind durch die Lamina spiralis ossea voneinander getrennt. Diese Knochenleiste durchzieht den Cochlea-Kanal vom Modiolus bis zur lateralen Wand. Die Lamina reicht nicht ganz bis zur Hinterwand, sondern geht davor in die Basilarmembran \u00fcber, die den einstr\u00f6menden Klang zerlegt. Zwischen Scala vestibuli und Scala tympani verl\u00e4uft die 3 Mikrometer (3 Tausendstelmillimeter) d\u00fcnne Rei\u00dfner-Membran.<\/p>\n

Sie formt einen dritten Hohlraum, die Scala media. Sie beherbergt den eigentlichen Sitz des Geh\u00f6rsinns, das geheimnisvolle Corti-Organ. Es besitzt keinerlei Blutgef\u00e4\u00dfe. Alles spielt sich via Lateralwand und Stria vascularis sowie mithilfe der Lymphfl\u00fcssigkeit ab.<\/p>\n

Der Sinn dahinter, dass es mehrere Scalae gibt, besteht darin, einen gesch\u00fctzten, isolierten, mit Fl\u00fcssigkeit gef\u00fcllten Hohlraum rund um den Sinnesrezeptorzellen zu schaffen, damit diese sich auf der \u201ah\u00fcpfenden\u2018 Basilarmembran frei bewegen und zugleich mit Sauerstoff und Glukose versorgt werden sowie Metaboliten eliminieren k\u00f6nnen. Die Fl\u00fcssigkeit liefert Kalium-Ionen, die anstelle von Elektronen als elektrische Ladungen f\u00fcr die elektromechanischen Prozesse in den Haarzellen dienen.<\/p>\n

Die Sinneszellen begegnen dieser extrem mit Kalium-Ionen angereicherten Fl\u00fcssigkeit mit einer starken elektrischen Polarit\u00e4t. 12.000 \u00e4u\u00dfere Haarzellen \u201ah\u00fcpfen\u2018 auf der Basilarmembran, w\u00e4hrend 3.400 innere Haarzellen unbewegt auf der Spitze der kn\u00f6chernen Lamina spiralis sitzen. Es ist bemerkenswert, dass ausschlie\u00dflich die inneren Haarzellen von prim\u00e4r-afferenten Neuronen (die ins Gehirn gelangen, was in Innsbruck entdeckt wurde) innerviert werden und die H\u00e4rchen oder Zilien der inneren Haarzellen sich biegen, wenn die Basilarmembran in Bewegung versetzt wird.<\/p>\n

\"Corti-Organ,<\/em><\/p>\n

Detailaufnahme des Corti-Organs: Bewegungen der Basilarmembran (gr\u00fcn) bewirken eine Schubkraft in den Zilien, die sich von den Oberfl\u00e4chen der Haarzellen des Innen- (rot) und Au\u00dfenohrs (blau) auf die Tektorialmembran (lila) fortpflanzt. Die Nervenfasern sind gelb gef\u00e4rbt. Das Bild stammt von Helge Rask-Andersen, Anneliese Schrott-Fischer, Rudolf Gl\u00fcckert und Kristian Pfaller. Es wurde in Innsbruck mit einem Feldemissionsmikroskop aufgenommen.<\/em><\/p>\n

Die Tektorialmembran sorgt durch Verschiebungen f\u00fcr eine Krafterzeugung. Sie besteht aus Kollagen und \u00fcberlagert die H\u00e4rchen der Haarzellen. Die Bewegungen der Zilien schaffen ein Rezeptorpotential in den inneren Haarzellen und f\u00fchren potentiell zu einer Ver\u00e4nderung in den Nervenendigungen. Erreicht die Erregung einen bestimmten Schwellwert, erfolgt ein Aktionspotential, das sich entlang der nachgeschalteten Nervenfaser fortpflanzt. Solche Aktionspotenziale sind Ausschl\u00e4ge, die durch die Aktivierung der spannungsabh\u00e4ngigen Na+ Kan\u00e4le entstehen.<\/p>\n

Jede innere Haarzelle ist mit zehn Nervenfasern verbunden und gibt pro Sekunde unglaubliche 100-1000 Botschaften, sogenannte Vesikel, an die Nerven ab. Der Transport dieser Botschaften wird durch Kalzium gesteuert. Jedes B\u00fcndel an Botschaften bewirkt einen elektrischen Ausschlag (ein Aktionspotenzial).<\/p>\n

Die afferenten Nervenfasern verzweigen sich vom Ganglion spirale zu den inneren Haarzellen.<\/p>\n

Nachdem beim Menschen die Zellk\u00f6rper des Ganglion spirale nicht myelinisiert sind, kann angenommen werden, dass sie in der Lage sind, den elektrischen Reiz zu verst\u00e4rken und weiterzuverarbeiten. Die Axone sind myelinisiert und Signale werden saltatorisch entlang der Natriumkan\u00e4le und Nodi weitergeleitet. Die Nerven kommunizieren mit Zellen im Hirnstamm und projizieren zu mehreren Nuclei im Hirnstamm sowie \u00fcber den Thalamus im Zwischenhirn zur Gro\u00dfhirnrinde. Das Sprachsignal wird in der Peripherie konstituiert. St\u00f6rungen wie zum Beispiel durch einen Tumor k\u00f6nnen zentral kaum kompensiert werden.<\/p>\n

Noch komplexer als die Verarbeitung im peripheren auditorischen System sind die zentralen Verarbeitungsprozesse. Hierbei kommt es zu einer explosionshaften Entwicklung synaptischer Verbindungen w\u00e4hrend der kritischen Phase, auf welche die elektrische Stimulation bei Kindern abzielen sollte. Denn hier kommt es zur emotionalen und kognitiven Interpretation von Klang und Sprache.<\/p>\n

Die zentralen Nuclei sind dar\u00fcber hinaus wichtig f\u00fcr das Richtungsh\u00f6ren<\/a>, da sie Informationen von beiden Ohren verarbeiten. Menschen k\u00f6nnen Ger\u00e4usche in der Frontalebene auf zwei Grad genau lokalisieren und interaurale Differenzen von 10 Mikrosekunden unterscheiden. Das klingt beeindruckend, ist aber nichts etwa verglichen mit Fliegen, die interaurale Zeitdifferenzen von sagenhaften 50 Nanosekunden unterscheiden k\u00f6nnen. Bei bilateraler CI-Versorgung liegt der Lokalisierungswinkel bei etwa 20 Grad.<\/p>\n

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Tonotope Tonh\u00f6henwahrnehmung<\/h3>\n

Jede innere Haarzelle ist einer bestimmten Frequenz zugeordnet, da sie mit den entsprechenden Nervenfasern verbunden ist. Je weiter innen in der Cochlea die Nervenfasern stimuliert werden, desto tiefer wir die Tonh\u00f6he wahrgenommen. Diese \u00f6rtliche Kodierung ist f\u00fcr die gesamte Cochlea von Bedeutung. Zus\u00e4tzlich zur \u00f6rtlichen Kodierung l\u00e4sst sich die Tonh\u00f6he zeitlich kodieren (Ratenkodierung).<\/p>\n

Die Wahrnehmung der Tonh\u00f6he erfolgt sowohl in der Cochlea als auch im zentralen auditorischen System. Die menschliche Wahrnehmung unterschiedlicher Tonh\u00f6hen und Lautst\u00e4rken ist enorm. Wir nehmen es wahr, wenn sich die Frequenz eines Tons um 0,7 % ver\u00e4ndert.<\/p>\n

Unterschiede in der Lautst\u00e4rke nehmen wir im Bereich von 1 dB wahr. Der leiseste Ton, den wir gerade noch h\u00f6ren, markiert\u00a0 0 dB (10-12<\/sup> Watt\/m2<\/sup> bei 1.000 Hz).17<\/sup> Das entspricht einem Druck am Trommelfell von 2 x 10-5<\/sup> Pascal, also einem Milliardstel (1\/1000 000 000) des normalen Luftdrucks. Ein solcher Ton l\u00e4sst das Trommelfell etwa 10-8<\/sup> mm schwingen. Diese Strecke ist k\u00fcrzer als der Durchmesser eines Wasserstoffatoms. Am besten h\u00f6ren wir \u00fcber 1.000 Hz (-9 dB). Das Synchrotron zeigt, dass in der f\u00fcr diese Frequenz zust\u00e4ndig Region in der Cochlea eine \u00fcberaus hohe Zahl an Nervenzellen sitzen. Theoretisch m\u00fcsste es (unter idealen Bedingungen) m\u00f6glich sein, mit dem menschlichen Ohr einen Ton mit 120 dB \u00fcber eine Entfernung 500 km zu h\u00f6ren.<\/p>\n

Wenn wir rund 1.000 bis 1.500 Frequenzen und zugleich hunderte unterschiedliche Lautst\u00e4rken zu unterscheiden imstande sind, bedeutet dies, dass 3.400 innere Haarzellen (die alle auf einem Stecknadelkopf Platz h\u00e4tten) gesamt mehr 100.000 Klangmodalit\u00e4ten unterscheiden k\u00f6nnen.<\/p>\n

Au\u00dferdem ergibt sich daraus, dass auf der Basilarmembran ein Bereich von etwa 20 Mikrometer f\u00fcr eine erkennbare Frequenz steht (zwischen den 3.400 inneren Haarzellen liegen jeweils 10 Mikrometer).<\/p>\n

Die Haarzellen dehnen sich hier auf einen Bereich von 31,5 mm aus. Von Mensch zu Mensch gibt es allerdings eine Varianz von 25 bis 35 mm. Da die L\u00e4nge der Membran eine Varianz von bis zu 10 mm aufweist, k\u00f6nnen die tonotopen Frequenzpositionen logischerweise nicht einfach auf Basis der Gesamtl\u00e4nge der Cochlea bzw. des Abstands zur Cochlea-Basis ermittelt werden.<\/p>\n

Prof. Greenwood entdeckte, dass die Frequenzpositionen entlang der Cochlea nicht linear, sondern logarithmisch verteilt sind, und fertigte eine entsprechende tonotope Karte an. Die Lokalisierung einzelner Frequenzen h\u00e4ngt demnach von der prozentuellen Distanz zum Apex ab. Mit dem Synchrotron konnten wir diese Frequenzverteilung im menschlichen Ganglion spirale k\u00fcrzlich darstellen.<\/p>\n

\"Ganglion<\/em><\/p>\n

Die Cochlea verf\u00fcgt \u00fcber 2 3\/4 Windungen, was 990 Grad entspricht. Die ersten beiden Windungen (720 Grad) entsprechen der Spitze des Ganglion spirale (s. Abbildung). Die tonotope Frequenz des Corti-Organs liegt bei einer Windung und rund 920 Hz (Stakhovskaya et al. 2007). 540 Grad entsprechen 407 Hz, 720 Grad (zwei Windungen) 152 Hz. Im Ganglion spirale korrespondieren 848 Hz mit 260<\/em>\u00b0, 284 Hz mit 540<\/em>\u00b0 und 79 Hz mit 720<\/em>\u00b0.<\/em><\/p>\n

Dieses Wissen ist von gr\u00f6\u00dfter Bedeutung f\u00fcr Cochlea-Implantate. Was z\u00e4hlt, ist die angulare Insertionstiefe der Elektrode. Tief eingef\u00fchrte Elektroden sind wichtig f\u00fcr die niederen Frequenzen<\/a>. Die Grundfrequenzen der Sprache sind hier lokalisiert und unsere Forschungen legen nahe, dass die Nervenzellen in diesem Bereich einige Besonderheiten aufweisen.<\/p>\n

Greenwood fand au\u00dferdem heraus, dass die Cochlea \u00fcber sogenannte kritische Bandbreiten verf\u00fcgt (bei Normalh\u00f6renden getestet). Demnach l\u00e4sst sich die menschliche Cochlea als eine Art Filterbank mit gr\u00f6\u00dferen Filtern in den hohen Frequenzen betrachten. Dabei handelt es sich um Bandpassfilter. Die Basilarmembran wird also nur in einem begrenzten Bereich aktiviert. Die Frequenzen oberhalb und unterhalb werden gesperrt und lassen sich nicht abdecken.<\/p>\n

Damit verstehen wir besser, wie unser Ohr Sprache filtert und insbesondere in ger\u00e4uschvoller Umgebung zerlegt und aufschl\u00fcsselt.<\/p>\n

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Neue Erkenntnisse: Die gesamte L\u00e4nge des Ganglion spirale<\/h3>\n

Wie erw\u00e4hnt, ist jede innere Haarzelle mit zehn Nervenfasern verbunden. Die afferenten Nervenfasern verzweigen sich vom Ganglion spirale zu den inneren Haarzellen.<\/p>\n

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Das Ganglion spirale umfasst etwa 35.000 neurale Zellk\u00f6rper, welche die Haarzellen beliefern. Die Zellk\u00f6rper verlaufen in einem spiralf\u00f6rmigen Kanal und dehnen sich auf eine L\u00e4nge von 13-14 mm aus. Sie sind extrem gut durchblutet. Das Blut wird vom Gehirn \u00fcber zwei kleine Gef\u00e4\u00dfe zu Basis und Zentrum (Modiolus) der Cochlea transportiert.<\/p>\n

\"BlutversorgungDieses Synchrotron-Bild zeigt die Cochlea mit den Gef\u00e4\u00dfkan\u00e4len. Mehrere radiale Arterien versorgen das Gewebe mit Blut.<\/em><\/p>\n

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Die Basilarmembran (gr\u00fcn), das Ganglion spirale (gelb) und eine partiell durch das runde Fenster eingef\u00fchrte<\/span> Elektrode. Der Knochen ist hier nicht abgebildet. Blau dargestellt ist die \u201eBatterie\u201c der Cochlea, die in der lateralen Wand sitzt und die elektrische Energie f\u00fcr 15.000 Rezeptorzellen produziert. Sie wird durch Blutgef\u00e4\u00dfe versorgt, die vom Gehirn kommen.<\/em><\/p>\n

Lange wurde angenommen, dass das Ganglion spirale sich nur \u00fcber 1 3\/4 Windungen erstreckt. Die Synchrotron-Aufnahme zeigt aber, dass das Ganglion spirale gleich viele Windungen hat wie die Cochlea selbst. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Spitze extrem komprimiert ist und die Zellk\u00f6rper dort spiralf\u00f6rmig angeordnet sind und sehr nahe beieinanderliegen (Bild 2). \u00dcberraschenderweise scheinen manche Zellk\u00f6rper am \u201afalschen\u2018 Platz entlang zentraler Axone zu liegen.<\/p>\n

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Aus den Synchrotron-Bildern l\u00e4sst sich auch vom Ganglion spirale eine tonotope Karte erstellen, wenn man den peripheren Zellforts\u00e4tzen oder Axonen folgt. Bis zu einer Frequenz von 880 Hz (eine Windung) kann dies recht einfach bewerkstelligt werden, zumal die Fasern hier radial verlaufen. Nach der ersten Windung verlaufen diese aber spiralf\u00f6rmig, was die Aufzeichnung der Tonotopie erschwert.<\/p>\n

Die erste Windung enth\u00e4lt 60 % der Nerven, die \u00fcbrigen 40 % sind komprimiert. Die oberen zwei Windungen beherbergen neuronale Zellk\u00f6rper, die sich lediglich \u00fcber 2,5 mm des Ganglion spirale erstrecken.<\/p>\n

Diese deutliche apikale Kompression stellt Cochlea-Implantate vor ein Problem: Sie erschwert die selektive Ansteuerung bestimmter frequenzkodierter Neuronen. Die peripheren Axone im Sinne eines m\u00f6glichst breit abgedeckten Frequenzspektrums gezielt zu befeuern, ist eine gro\u00dfe Herausforderung.<\/p>\n

Akustisch-elektrische Vergleichstests bei CI-Nutzern mit Resth\u00f6rverm\u00f6gen zeigen, dass die angulare Insertionstiefe wichtiger als die absolute ist, wenn es darum geht, die Tonh\u00f6henwahrnehmung abzusch\u00e4tzen und die Frequenzstimulation der Elektrode vorherzusagen. Zwar gibt es eine Verlagerung der Frequenzen nach unten – je n\u00e4her die Elektrode allerdings an der Basilarmembran liegt, desto geringer ist die Abweichung zwischen Tonh\u00f6he und Insertionswinkel. Bei modiolarer Positionierung der Elektrode ist die Abweichung h\u00f6her (Bo\u00ebx et al. 2006).<\/p>\n

Unsere 3D-Betrachtungen des Spiral-Ganglions mit all seinen Unregelm\u00e4\u00dfigkeiten und der apikalen Kompression k\u00f6nnte einige der Ergebnisse erkl\u00e4ren. Am Ende der ersten Windung zeigt sich der Wechsel von radialen zu spiralf\u00f6rmigen Dendriten. Das deutet an, dass die Ansteuerung von peripheren Nervenfasern an einem tieferen Punkt die Frequenzverschiebung nach unten zus\u00e4tzlich erkl\u00e4ren k\u00f6nnte. Um diese zu vermeiden, w\u00e4re es wohl besser, die entsprechenden Neuronen st\u00e4rker lateral zu stimulieren. Eine lateral platzierte Elektrode nahe der Basilarmembran l\u00e4ge n\u00e4her an den zugeh\u00f6rigen peripheren Nervenfasern als eine perimodiolar platzierte.<\/p>\n

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Phasenverriegelung in der zweiten Windung<\/h3>\n

Werfen wir nun einen Blick darauf, wo die neuralen Spannungsspitzen erzeugt werden. Wenn die Erzeuger der Spannungsspitzen (Spike-Generatoren) auf die Habenula perforata nahe der Haarzellen zielen, w\u00e4re es am besten, die Stimulation m\u00f6glichst weit auszudehnen. Wenn hingegen Ganglionzellen oder der erste Ranvier-Schn\u00fcrring eines Axons angesteuert wird, w\u00e4re eine Stimulation bis 720 Grad (oder weniger) ausreichend. Betrachtet man die Arbeit des ZNS, sieht es nicht danach aus, als w\u00e4re der Ranvier-Schn\u00fcrring ein Spike-Generator. Die Anfangssegmente der neuralen Zellk\u00f6rper k\u00f6nnen jedoch ebenfalls wichtige Spike-Generatoren sein – \u00e4hnlich wie Nervenzellen im Gehirn.<\/p>\n

\"Dendriten\"<\/em><\/p>\n

Organisation der inneren Haarzellen und Typ-1-Nerven im peripheren auditorischen System.<\/em><\/p>\n

Fasern f\u00fcr tiefe Frequenzen werden durch sogenannte Phasenverriegelung auch ratenkodiert. Das bedeutet, dass die Aktionspotentiale sich im auditorischen Nerv immer in einem bestimmten Zeitabstand zu den niederfrequenten sinusf\u00f6rmigen Stimuli bemerkbar machen. Die Aktionspotentiale antworten also in einem fixen Zeitfenster auf die Erregungen.<\/p>\n

Bis zu einer bestimmten Frequenzh\u00f6he trfft diese Beobachtung auf alle Wirbeltiere zu. Das hat mit dem biologischen Substrat und den Eigenschaften der Zellmembran zu tun. W\u00e4hrend die phasenstarre Simulation beim Menschen bis etwa 1.000 Hz erfolgt, reicht sie zum Beispiel bei der Eule bis zu 9.000 Hz. Neben der \u00f6rtlichen (tonotopen) Kodierung m\u00fcssen wir uns also auch mit der zeitlichen (Raten-)Kodierung der neuralen Signalverarbeitung befassen.<\/p>\n

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Diese Abbildung zeigt, dass der menschliche H\u00f6rnerv sich von jenem von Labortieren unterscheidet. Sie zeigt die obere Region des H\u00f6rnervs, der die tiefen Frequenzen kodiert. Nerven interagieren mit Verbindungen, die Synapsen \u00e4hneln (B-D). In dieser Region werden die Grundfrequenzen der menschlichen Sprache kodiert.<\/em><\/p>\n

Die Grenzfrequenz k\u00f6nnte mit der Spiralform der peripheren Axone kongruieren. Unsere Ohren reagieren extrem sensibel auf Frequenzen um 1 kHz und wir sehen am Synchrotron-Bild, dass der f\u00fcr diese Frequenz zust\u00e4ndige Bereich (eine Windung) dicker ist, da er mehr Neuronen enth\u00e4lt. Der Umstand, dass sowohl Rate als auch Ort das Muster der Klangverarbeitung beeinflussen, macht elektrische Stimulation zu einer \u00e4u\u00dferst komplexen Herausforderung.<\/p>\n

Interessanterweise sehen wir bei diesen tief in der Cochlea liegenden Neuronen anatomische Besonderheiten. Die Zellen kommunizieren miteinander und synchronisieren dabei das Signal. Das k\u00f6nnte f\u00fcr den Prozess der Phasenverriegelung wichtig sein. Am Bild sehen wir diese speziellen Areale, in denen die Neuronen auf einzigartige Weise direkt miteinander kommunizieren.<\/p>\n

Vielen Dank, Herr Prof. Rask-Andersen, dass Sie diese spannenden Einblicke mit uns teilen!\u00a0<\/em><\/strong><\/p>\n

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