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HNO-Klinik - Forschung

Hörforschung

Ende 1992 wurde das Labor für Hörforschung an der HNO-Klinik der Universität Regensburg aufgebaut. Schwerpunkt war zunächst die Einrichtung eines histologischen Labors für die Untersuchung des Innenohrs sowie der auditorischen Hirnstammkerne. Dabei werden insbesondere auch immunhistochemische Methoden eingesetzt und die Befunde mittels quantitativer Videomikroskopie ausgewertet. 2 Apparaturen für Verhaltensexperimente konnten zusätzlich in Betrieb genommen werden. Im Jahr 2002 wurde ein Raum mit 20m² speziell für die Zellkultur ausgestattet.

Von 1991 bis 1997 wurde die Untersuchung der normalen Entwicklung sowie der Auswirkung einer Deprivation auf die Hörbahn mit experimentell induzierte Deprivation durch die DFG gefördert. Von 1999 bis 2001 wurde durch ein REFORM C Projekt der Universität Regensburg die Isolierung und Charakterisierung von Stammzellen im Innenohr gefördert. Seit 1999 werden Untersuchungen zu zentraler Schwerhörigkeit unter besonderer Berücksichtigung inhibitorischer Neurotransmitter von der DFG gefördert.

Aktuelle Forschungsschwerpunkte

Altersbedingte Schwerhörigkeit im Tiermodell

Morphologische Veränderungen in Kerngebieten der Hörbahn

Skizze der Hörbahn einer Ratte: Schnitt durch das Gehirn einer Ratte mit den wichtigsten Kerngebieten der Hörbahn (schwarze Flächen)
Skizze der Hörbahn einer Ratte: Schnitt durch das Gehirn einer Ratte mit den wichtigsten Kerngebieten der Hörbahn (schwarze Flächen)
  

Die über den Hörnerv eingehende akustische Information wird in einem komplexen System sogenannter auditorischer Kerne im Gehirn verarbeitet. Erst nach dieser Verarbeitung kann z.B. eine Schallquelle lokalisiert oder Sprache verstanden werden. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass die Leistung des zentralen Hörsystems im Alter (unabhängig von einem Hörverlust des Innenohrs) beeinträchtigt sein kann. In der Skizze sind stark schematisiert und vereinfacht die wichtigsten Kerngebiete der Hörbahn als schwarze Flächen in repräsentativen Gehirn-Schnitten dargestellt. Die ausgewählten Schnitte wurden systematisch von hinten nach vorne durch das Gehirn gelegt. Die kleine Skizze zwischen dem großen vertikalen Pfeil und den Schnitten zeigt einen seitlichen Blick auf das Gehirn einer Ratte und die horizontalen Linien deuten die ungefähre Lage der links dargestellten Gehirnschnitte an. Die dünnen Linien in den Schnitten zeigen die wichtigsten Verbindungen zwischen den Kernen der aufsteigenden Hörbahn für ein Signal, das vom linken Hörnerv (Pfeil links unten) kommt. Dieses soll hier nur dazu dienen, die extreme Komplexität der Hörbahn zu veranschaulichen. Aufgrund der extrem komplexen Organisation der zentralen Hörbahn scheint es einleuchtend, dass neben einem gestörten Innenohr auch krankhafte (z.B. Schlaganfall) oder altersbedingte Veränderungen hier die Leistung des Hörsystems beeinträchtigen können. Unsere morphologischen Analysen belegen spezifische und differentielle altersbedingte Veränderungen in unterschiedlichen auditorischen Kerngebieten, die mit Defiziten in der Verhaltensleistung korreliert werden.
    

Hörtests bei der Wüstenrennmaus

Wir haben in unserem Labor Verfahren etabliert, mit denen wir das Hörvermögen bei der Wüstenrennmaus, zum Vergleich mit Daten vom Menschen, bestimmen können. Wie aber fragt man eine Wüstenrennmaus ob sie einen Ton hört oder nicht? Um die Tiere dazu zu bringen, diese Frage zu beantworten, muss man möglichst ein natürliches Verhalten ausnutzen und die Tiere für korrekte Mitarbeit belohnen. Die Wüstenrennmäuse haben in der freien Wildbahn die Angewohnheit, sich immer wieder auf Aussichtpunkte zu begeben um die Umgebung zu kontrollieren. Deshalb haben wir in einem kleinen Versuchskäfig eine kleine Plattform installiert. Wenn ein neues Tier in den Käfig gesetzt wird erkundet es diesen und setzt sich auch auf die Plattform. Dies wird von einem Rechner registriert und mit einem Futterkügelchen belohnt. Im Laufe der Dressur lernt das Tier auf der Plattform sitzen zu bleiben und erst runterzuhüpfen wenn es das Geräusch des Schrittmotors vom Futtergeber hört. Wenn man dann ein anderes Signal über den Lautsprecher einspielt, antwortet das Tier korrekt, springt herunter und wird belohnt. Der Ablauf ist in dem folgenden Cartoon nochmals dargestellt.

Links: Auf Podest sitzen -> Aufmerksam; Rechts: Herunter hüpfen -> Signal gehört
Links: Auf Podest sitzen -> Aufmerksam; Rechts: Herunter hüpfen -> Signal gehört

  

Defizite bei der Verarbeitung komplexer Schallreize

In den letzten Jahren wurden beim Mensch viele Hinweise darauf gefunden, dass die Verarbeitung von rasch fluktuierenden Signalen im Alter beeinträchtigt ist. Wir haben untersucht, ob sich auch bei der Wüstenrennmaus entsprechende Veränderungen nachweisen lassen und welche Reizparameter besonders geeignet sind diese altersbedingten Veränderungen der Schallverarbeitung in der zentralen Hörbahn zu charakterisieren und frühzeitig zu erkennen. Bisher konnten wir zeigen, dass im Alter die Wahrnehmung einer Lücke in einem länger dauernden Signal schlechter wird. Dabei wird die Dauer der Lücke immer weiter verkürzt und es zeigt sich, dass alte Tiere kurze Lücken nicht hören.

  
Ein weiteres Paradigma testet wie ein kurzes Signal wahrgenommen werden kann, das direkt einem vorausgehenden Maskierer folgt. Dabei zeigt sich, dass alte Tiere nur sehr viel lautere Signale, die einem Maskierer folgen, hören können als junge Tiere.

  
Ähnliche Befunde existieren auch für den Mensch und zeigen, dass die Wüstenrennmaus ein gutes Modell zur Untersuchung zentraler altersbedingter Schwerhörigkeit ist.
  

Pharmakologische Beeinflussung der zentralen Hörbahn

Nachdem in der Fachliteratur immer wieder die Hypothese vertreten wurde, dass altersbedingte Defizite des inhibitorischen Systems in der Hörbahn zu einer gestörten Schallverarbeitung beitragen könnten, versuchen wir diese Frage in unserem Tiermodell zu überprüfen. Nachdem für die Behandlung epilleptischer Erkrankungen eine Reihe von Medikamenten entwickelt wurde, die auf den inhibitorischen Transmitter GABA einwirken, haben wir begonnen zu testen, ob diese Medikamente möglicherweise auch ein Potenzial für die Behandlung zentraler Hörstörungen aufweisen. Eine erste Studie hat gezeigt, dass bei Wüstenrennmäusen mit gestörter Zeitauflösung tatsächlich eine Verbesserung während der Gabe eines entsprechenden Medikaments erreicht werden konnte.

Diese Befunde sind in der Abbildung oben zusammengefasst. Gezeigt wird die minimal wahrnehmbare Lückendauer in Abhängigkeit vom Alter. Im linken Diagramm sind die Ergebnisse von insgesamt 15 Tieren vor Beginn mit der Behandlung gezeigt. Hier erkennt man, dass bei den alten Tieren vermehrt pathologische Werte über 4 ms auftreten (schwarze Dreiecke). Das rechte Diagramm zeigt eine erneute Bestimmung der minimal wahrnehmbaren Lückendauer bei den selben Tieren, allerdings bekamen die Tiere ein Medikament über das Trinkwasser verabreicht. Hier tritt, vor allem bei den Tieren mit einem Defizit (schwarze Dreiecke) eine deutliche Besserung ein. Dies wird durch die roten Dreiecke noch deutlicher, sie zeigen jeweils den Mittelwert des Alters und der minimal wahrnehmbaren Lückendauer. Obwohl die Tiere während der Gabe des Medikaments im Mittel älter sind verbessert sich die Zeitauflösung deutlich. Leider hat sich nach einigen Jahren der Anwendung dieses Medikaments zur Behandlung von Epilepsie beim Menschen gezeigt, dass es zu einer Einschränkung des Gesichtsfeldes kommt. Deshalb werden in unserem Modell weitere, nebenwirkungsärmere Wirkstoffe untersucht.

   

Entwicklung und Regeneration des Innenohrs

Suche nach und Charakterisierung von potenziellen Vorläuferzellen im Innenohr

Ein Verlust der Haarzellen im Cortischen Organ adulter Säugetiere ist nach bisherigem Stand des Wissens irreversibel und führt zu permanentem Hörverlust. Ein Versuch potenzielle Stammzellen zu identifizieren, lehnt sich an die Methodik an, die zur erfolgreichen Isolation neuronaler Vorläuferzellen aus dem Gehirn adulter Säuger geführt hat. Dazu wurde Innenohrgewebe dissoziiert und in Kultur genommen. Dabei konnten aus dem Gewebe von neugeborenen Mäusen erfolgreiche Kulturen gewonnen werden, bei denen Zellen mit dem Potenzial zur Replikation vorhanden waren und deren Tochterzellen sich zu unterschiedlichen Zelltypen differenzieren konnten. Wir konnten in diesen Kulturen zeigen, dass wenig differenzierte Zellen einen Rezeptor für den vascular endothelial growth factor (VEGF) aufweisen, und dass die Zugabe von VEGF zum Medium die Zelldichte im Vergleich zu Kontrollen verändern kann. Dieser Faktor schein also eine Rolle bei der Entwicklung des Innenohrs zu spielen. Endziel dieser Arbeiten ist es neue Erkenntnisse zu gewinnen, die zum Ziel haben die Regeneration von Haarzellen beim Menschen zu ermöglichen.

Das Bild zeigt mittels Immunreaktion nach 3 Tagen Kulturdauer die Expression des VEGF Rezeptors Flk-1 in rot. Viele rundliche, wenig differenziert erscheinende Zellen fluoreszieren mehr oder weniger stark in rot. Mit DAPI wurden die Zellkerne blau markiert. Grün ist die Expression des neuronalen Markers beta3-Tubulin gezeigt und man erkennt Zellen mit typisch neuronaler Morphologie und dünnen Ausläufern. Diese Zellen weisen keine Flk-1 Expression auf.
  

Expression von Zell-Zyklus Regulatoren

Das Corti-Organ der Säugetiere ist eine hochdifferenzierte Struktur mit 2 Typen von Haarzellen (innere und äußere) sowie mehreren spezialisierten Stützzell-Typen. Bei Vögeln bilden die Stützzellen (die sehr viel weniger differenziert sind) das Substrat für die Regeneration von Haarzellen, da sie in der Lage sind nach Haarzellverlust wieder in den Zellzyklus einzutreten und sich zu teilen. Dies ist so bei Säugern nicht der Fall, und die Tatsache, dass Stützzellen im Innenohr von Säugern schon sehr früh einen Inhibitor der Zyklin abhängigen Kinase (p27) exprimieren, könnte erklären, dass diesen Zellen das Potenzial fehlt erneut in den Zellzyklus einzutreten (z.B. Löwenheim et al., 1999, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96:404-408). Wir konnten mittels immunhistochemischer Färbungen an Querschnitten durch das Corti-Organ der Wüstenrennmaus zeigen, dass neben p27 noch die cyclinabhängigen Kinase-Inhibitoren p16 und p18 spezifisch in Stützzellen exprimiert werden, während p21 zu keiner spezifischen Anfärbung führte. Die hohe Expression dieser Proteine ist zwar nachteilig für das Regenerationspotenzial, könnte aber dazu beitragen die extrem genau regulierten mikromechanischen Eigenschaften des Cortischen Organs bei Säugern lebenslang stabil zu halten.

Querschnitte durch das Corti-Organ der Wüstenrennmaus und spezifische Expression von p16
Querschnitte durch das Corti-Organ der Wüstenrennmaus und spezifische Expression von p16

  
Das Diagramm zeigt Querschnitte durch das Corti-Organ der Wüstenrennmaus und spezifischen Expression von p16. Die rechten Bilder im Durchlicht zeigen deutliche Färbung in den inneren und äußeren Pfeilerzellen sowie den Deiterzellen. Haarzellen und Hensenzellen zeigten keine p16 Expression. Um diese ungefärbten Strukturen hervorzuheben sind in den linken Bildern Aufnahmen der selben Schnitte im Phasenkontrast gezeigt.
  

Das Innenohr der Archosaurier: Vergleichende Studien zu Bau und Funktion eines "primitiven" Hörorgans

Zur Gruppe der Archosaurier werden in modernen Stammbäumen die heute lebenden Krokodile und Vögel sowie ausgestorbene Vertreter wie Dinosaurier und Archaeopteryx zusammengefasst, da sie vor ca. 250 Mio. Jahren aus einem gemeinsamen Vorfahren hervorgingen.

  
Das Diagramm oben zeigt vergleichend den Hörbereich von drei repräsentativen Säugetieren: Mensch (schwarze Linie), Wüstenrennmaus (blaue Linie) und Labormaus (rote Linie). Zusätzlich sind gestrichelt der Hörbereich von 2 Vertretern der Archosaurier gezeigt: Kanarienvogel (gestrichelte grüne Linie) und eine Extrapolation (siehe unten) für einen ausgestorbenen Dinosaurier (Brachiosaurus, gestrichelte graue Linie). Die jeweiligen Arten können nur die Frequenz- und Pegel-Kombination hören, die sich oberhalb der jeweiligen Linie befindet. Der für die Sprache wichtigste Frequenzbereich ist ebenfalls gekennzeichnet.

Die Hörbereiche von Mensch und Wüstenrennmaus sind also sehr ähnlich. Im Gegensatz dazu ist die Wahrnehmung von Sprache und Musik bei Maus, Kanarienvogel und dem Saurier deutlich beeinträchtigt. Der Saurier kann den Gesang des Goldhähnchens überhaupt nicht wahrnehmen.
Innerhalb der Archosaurier konnten wir kürzlich zeigen, dass eine inverse Korrelation besteht zwischen der Länge der Papilla basilaris oder dem Körpergewicht und der besten oder höchsten Frequenz die wahrgenommen wird: je kürzer die Papilla basilaris desto besser das hochfrequente Hören. Extrapoliert man diese Ergebnisse auf die ausgestorbenen Dinosaurier, so kommt man zu dem Schluss, dass diese aufgrund ihres Gewichts und der Papilla-Länge Frequenzen über 2-3kHz nicht hören konnten.

Die Variation von Körpergröße und der Dimensionen des Innenohrs ist in der folgenden Abbildung aus Gleich et al. (2004) illustriert. Dabei sind links von oben nach unten ein ausgestorbener Dinosaurier (Brachiosaurus brancai, Höhe ca. 12m, Gewicht 75 Tonnen) ein Huhn und ein Kanarienvogel dargestellt. Da die beiden Vögel im Vergleich zum Saurier so klein sind, werden sie links von der Originalgröße zusätzlich mit 20-facher Vergrößerung gezeigt. Rechts sind die Labyrinthe der entsprechenden Tiere mit den Bogengängen und der nach unten weisenden Lagena, welche auch die Papilla basilaris enthält dargestellt. Das Innenohr von Brachiosaurus ist ein Ausguß, der im Naturhistorischen Museum der Humboldt-Universität Berlin aufbewahrt wird. Es wird deutlich, dass die Körpergröße zwischen den Arten erheblich stärker variiert als die Dimensionen des Innenohrs.

Aus Kapitel 8 'Hearing Organ Evolution and Specialization: Archosaurs.', S. 224-255 in 'Springer Handbook of Auditory Research' Vol. 22: 'Evolution of the Vertebrate Auditory System', O. Gleich, F.-P. Fischer, C. Köppl und G.A. Manley, Springer Verlag, 2004. Mit freundlicher Genehmigung von Springer Science and Business Media.
Aus Kapitel 8 'Hearing Organ Evolution and Specialization: Archosaurs.', S. 224-255 in 'Springer Handbook of Auditory Research' Vol. 22: 'Evolution of the Vertebrate Auditory System', O. Gleich, F.-P. Fischer, C. Köppl und G.A. Manley, Springer Verlag, 2004. Mit freundlicher Genehmigung von Springer Science and Business Media.
    
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Letzte Aktualisierung: 25.02.2013 | Online-Redaktion
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