Die neuronalen Grundlagen der Schallortung

[Gefördert im Rahmen des SFB/TRR 31 "Das aktive Gehör"]

Die räumliche Ortung von Reizen ist eine zentrale Aufgabe jedes Sinnessystems. Eine Schallquelle zu lokalisieren ist allerdings umständlicher als in anderen Sinnesmodalitäten, denn das Hörorgan (die Cochlea) bildet die Umwelt nicht räumlich ab, wie z.B. die Retina des Auges. Der räumliche Ursprung einer Schallquelle muss aus indirekten Anhaltspunkten berechnet werden und dies ist eine Aufgabe für die auditorischen Zentren des Gehirns.

Tiere wie Menschen orientieren sich dafür an winzigsten Unterschieden im zeitlichen Eintreffen und in der Lautstärke eines Geräusches an den beiden Ohren: Liegt die Schallquelle seitlich, so trifft der Schall etwas früher und etwas lauter am zugewandten Ohr ein als am abgewandten. Diese sog. interauralen Unterschiede werden im Gehirn durch den Vergleich der Eingänge von beiden Ohren bestimmt und bilden die Grundlage für neuronale Karten des auditorischen Raums um ein Tier.

Die neuronalen Karten entstehen erst allmählich, in vielen kleinen Schritten, im Gehirn. Für die Verarbeitung von interauralen Zeitunterschieden sind die Schritte am besten bekannt. Dazu hat die Forschung an Schleiereulen entscheidend beigetragen. Allerdings herrscht Uneinigkeit, ob das Gehirn von Säugetieren interaurale Zeitunterschiede genauso verarbeitet oder nicht.

Unsere Arbeitsgruppe führt elektrophysiologische Ableitungen in einem hier wichtigen Gehirngebiet (Nucleus laminaris) bei Hühnern und Schleiereulen durch. Wir wollen klären, ob verschiedene Mechanismen zur Verarbeitung von interauralen Zeitunterschieden vor allem vom Frequenzbereich des Hörens abhängen oder tatsächlich Artunterschiede sind.

Die schwarz gefärbte Struktur in diesem mikroskopischen Bild ist eine einzelne, mit einem künstlichen Farbstoff gefüllte Nervenzelle im Hirnstamm eines Huhns. Diese auditorische Zelle antwortete am stärksten wenn ein Geräusch im linken Ohr 60 µs früher eintraf als am rechten Ohr. Für ein Huhn bedeutet dieser Zeitunterschied, dass die Geräuschquelle etwa 30° links von der Mitte liegt. Benachbarte Nervenzellen (lila im Bild) antworteten bevorzugt auf andere interaurale Zeitunterschiede. Zusammen bildeten alle diese Zellen eine komplette Repräsentation des akustischen Horizonts.

Welche interauralen Zeitunterschiede aber hört ein Vogel genau?

Bei den elektrophysiologischen Ableitungen wird mit Kopfhörern gearbeitet, über die beliebige interaurale Zeitunterschiede präsentiert werden können. Ein weiterer Aspekt unserer Untersuchungen zur Schallortung ist es daher zu klären, wie groß die auftretenden interauralen Zeitunterschiede unter natürlichen Bedingungen tatsächlich sind. Das ist gar nicht so einfach! Im Unterschied zu Säugetieren sind die beiden Mittelohren eines Vogels über weit verzweigte Hohlräume der Schädelknochen miteinander verbunden. Dies hat zur Folge, dass Schall das Trommelfell nicht nur von außen, sondern auch von innen erreichen kann – was wiederum zu Interferenzen führt, die letztlich auch interaurale Zeituntschiede beeinflußen. Zusammen mit Kollegen in Dänemark versuchen wir, über Messungen von Trommefellvibrationen und cochleären Summenpotentialen zu bestimmen, was ein Huhn als Endergebnis genau hört.

Schematisierte Darstellung der Schallwege zu den Trommelfellen eines Vogels. Es gibt nicht nur Zugänge von außen (blaue Pfeile), sondern Schall kann auch über das contralaterale Trommelfell und durch den Schädel schließlich von innen auftreffen (grüne Pfeile) – buchstäblich zum einen Ohr rein und zum anderen wieder raus! Die Nettobewegung des Trommelfells (rote Kurven) ist entsprechend die Summe des von außen (blau) und innen (grün) auftreffenden Schalls. Beachte auch die geringe, aber durchaus signifikante, zeitliche Verschiebung.


Die Grundlagen ultraschneller Zeitverarbeitung im Innenohr

Hören ist der Sinn mit der höchsten zeitlichen Auflösung. Dies gilt für Mensch und Tier und kommt z.B. bei der (unbewussten) Bestimmung von interauralen Zeitunterschieden zum Tragen, ein wichtiger Anhaltspunkt bei der Schallortung. Der Rekordhalter unter den Tieren ist hierbei die Schleiereule, ein nächtlicher Beutegreifer, dessen Jagderfolg direkt von erfolgreicher Schallortung abhängt. Die Nervenzellen des Hörnervs der Eule, die die Informationen des Innenohrs zum Gehirn tragen, melden den Zeitverlauf eines Geräuschs mit einer Genauigkeit von 30 µs.

Streuung (oder Ungenauigkeit) der zeitlichen Kodierung in Hörnervenzellen, in Abhängigkeit von der Schallfrequenz. 

How are ribbon synapses involved in that?

[Übersetzung noch nicht erfolgt ....]

Although well documented, it is still unknown how that kind of temporal precision is achieved. Specialisations both at the level of the hair cells and the afferent neurones are probably necessary. The specialised ribbon synapses between a hair cell and its afferent fibres are commonly assumed to play a crucial role. We are currently comparing numbers of ribbons and expression levels of salient proteins between hair cells in the chicken, an average bird, and the barn owl, an auditory specialist.

  • Cross-section of a chicken cochlea at high magnification under the light microscope, focussing through successive layers in depth. Several sensory hair cells are labelled blue, their cell nuclei in a pale red-green shade. Ribbon synapses at the bases of the hair cells are labelled by antibodies against synaptic proteins and appear as little, bright red and green dots.


Die Entwicklung des Innenohrs

[Übersetzung noch nicht erfolgt .....]

Vertebrate inner ears consist of several sensory organs (e.g. 5-6 vestibular organs in mammals and 7 in birds, respectively, in addition to the auditory organ). All develop from specified regions of the common embryonic otocyst (see diagram). The dorsal ear comprises the vestibular apparatus. Ventrally, the cochlear duct of birds and mammals houses the auditory organ and the vestibular lagena macula (although most mammals lack the latter).

Morphogenesis from the otocyst through to the 3-dimensional labyrinth of semicircular canals and the cochlear duct that houses the auditory sensory organ.

Inner ear development involves multiple processes from sensory fate specification to cell differentiation, axon guidance, synaptogenesis, and specialization of mechanosensory cells with individual physiological and morphological properties. These processes are all under tight genetic control.

In chicken embryos, a cartilaginous otic capsule (Alcian blue staining) surrounds the developing cochlear duct, which houses two sensory epithelia (brown), the auditory basilar papilla and the vestibular lagenar macula. Sensory hair cells labeled with anti-HCA antibody (brown); embryonic day 10, transverse section.

Although information has recently accumulated rapidly, our picture of the molecular network controlling these processes is broadly incomplete and in many cases we don't know the role of interacting signaling pathways or genes. Thus, investigation of gene function is at the heart of our interest.

Gene expression - Mapping of gene expression patterns at different stages of inner ear development

Exploration of the genes that are active during inner ear development is our first approach (method: RT-PCR), followed by detailed studies of their spatial and temporal distribution.
We perform systematic mapping of the expression patterns of a large catalogue of genes (such as members of the Wnt gene family) and document their expression on serial sections at different embryonic stages (method: in-situ hybridization).
Such studies allow us to pinpoint putative key players in particular developmental events and select these genes for further investigation and functional analyses.

 

Wnts are an ancient class of signaling molecules that play many varied roles in development and disease. These secreted cysteine-rich glycoproteins have at least three major intracellular signaling pathways (beta-catenin pathway, calcium pathway, planar cell polarity pathway). A plethora of Wnt-related genes has been shown to accompany many steps of the formation of the inner ear in chickens (Sienknecht and Fekete, 2008, 2009). Wnt pathways are hypothesized to play a role in numerous distinct aspects of inner ear development, such as:

  • Specifying sensory organ fates

  • Controlling growth and morphogenesis

  • Cell proliferation, differentiation and programmed cell death

  • Axon guidance, and synaptogenesis

  • Polarity of sensory hair cell stereovillar bundles, the mechanoreceptive apparatus

Complementary expression of two Wnt receptors (Frizzled, Fz) in the developing auditory epithelium. The micrographs show co-labeling of mRNA (blue) by in situ hybridization (probed for Fz9 and Fz10, respectively) and neurofilament- associated antigen (brown); chicken, embryonic day 10, transversal sections.

Gene function - Planar cell polarity (PCP) formation during sensory organ development

One of the major developmental processes during the embryonic formation of mechanosensory epithelia is the development of planar cell polarity (PCP), i.e., the systematic orientation of cells within an epithelial sheet.
Our investigation of gene function is exemplified here by examining this developmental phenomenon in the bird's auditory epithelium.
Deflection of the sensory hair cell's stereovillar bundle along its mechanosensitive axis is the functional element for stimulus transduction, thus a precise orientation angle of the hair-cell bundle is crucial.
Developmental processes move and direct the differentiating hair-cell bundle to the periphery of the cell's surface and then lead to an adjustment of the proper orientation angle (see diagram).

Schematic diagram of the developmental steps that first define a rough polarity at the apical surface of young sensory cells (left) and, secondly, control the refinement of cell orientation in the auditory sheet that displays a characteristic pattern of cell polarity. This finally involves regional re-orientation of groups of cells that rotate their stereovillar bundles accordingly, the mechanoreceptive apparatus of sensory hair cells (right).

We are interested in the molecular mechanisms that control this kind of PCP achievement and seek to know which genes are involved and what their function is in this machinery.

Example of the critical involvement of the gene Vangl2 for proper sensory cell orientation in the auditory epithelium of the chicken (Sienknecht et al. 2011). Confocal microscopy images of whole-mount preparations of the sensory epithelium show hair cell stereovillar bundles labeled for f-actin with phalloidin (red). A) control, normal hair-cell bundle orientation. B) disturbed hair-cell bundle orientation after gene (Vangl2) misexpression.

In addition to the bird's inner ear, we follow up on comparative aspects as well. For example we investigate PCP development in lizards such as geckos. Lizard inner ears display an interesting hair-cell orientation pattern in their auditory epithelium, with facing groups of cells of mirrored orientation. Using comparative studies we aim to gain insights into common or derived mechanistic aspects of developmental genetic control systems.