Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Fundamentale Frage der Informationsübertragung im Ohr geklärt

23.11.2018

Göttinger Sinnesforscher entschlüsseln mittels höchstauflösender Elektrophysiologie das elementare Datenpaket der Informationsübertragung im Innenohr und weisen damit einzigartige Effizienz beim Hören nach. Publikation in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)“.

Göttinger Wissenschaftler sind dem Verständnis, wie der Mensch hört, einen wichtigen Schritt nähergekommen. Die Umwandlung von akustischer Information in ein Nervensignal erfolgt an speziellen Kontaktstellen (den sogenannten Bandsynapsen) zwischen Haarsinneszellen und Hörnervenzellen im Innenohr.


Abb. 1: Hypothesen zur Botenstofffreisetzung an der Haarzellsynapse. A: ursprüngliche Hypothese. B: alternative Hypothese.

Quelle: Dr. Jakob Neef

Dort wird Information über den Schall mittels Freisetzung von Bläschen (synaptischen Vesikeln) weitergegeben, die mit Botenstoffen gefüllt sind.

Anders als bisher von Hörforschern angenommen, konnten die Göttinger Sinnesforscher nun nachweisen, dass bei der Umwandlung von akustischer Information in ein Nervensignal an der Haarzellsynapse im Innenohr überwiegend einzelne synaptische Vesikel freigesetzt werden.

Damit ist das elementare Datenpaket der hochspezialisierten Haarzellsynapse grundsätzlich vergleichbar mit dem anderer Synapsen des Nervensystems.

Die Forschungsergebnisse der Untersuchungen unter der Leitung von Prof. Dr. Tobias Moser, Direktor des Instituts für Auditorische Neurowissenschaften an der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) und Sprecher des Sonderforschungsbereichs 889 „Zelluläre Mechanismen Sensorischer Verarbeitung“, und Dr. Chad Grabner in der Forschungsgruppe „Synaptische Nanophysiologie“ am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie wurden im November in der renommierten Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Originalveröffentlichung
Chad P Grabner & Tobias Moser (2018) Individual synaptic vesicles mediate stimulated exocytosis from cochlear inner hair cells. PNAS, im Druck.
doi: 10.1073/pnas.1811814115

Die neuen Ergebnisse der Wissenschaftler deuten gleichzeitig auf eine einzigartige Effizienz des Hörvorgangs hin: Denn die Erkenntnisse legen nahe, dass es an der Haarzellsynapse bei moderatem Schall sogar ausreicht, nur ein einzelnes, mit dem Botenstoff Glutamat gefülltes synaptisches Vesikel freizusetzen, um in der Hörnervenzelle einen Nervenimpuls auszulösen.

Bislang galt über zwei Jahrzehnte hinweg die Annahme, dass jedes Freisetzungsereignis im Mittel sechs synaptische Vesikel umfasst, die – über einen unbekannten Mechanismus koordiniert – gleichzeitig mit der Zellmembran verschmelzen (Abb. 1). Dies beruhte unter anderem auf der Beobachtung, dass die durch Botenstoffe aktivierten Nervenzellen neben „einfachen“ (in der Abb. 1 links) auch „komplexere“ Antworten von vergleichbarer Stärke zeigten (in der Abb. 1 rechts), welche bisher durch leicht zeitversetzte Freisetzung mehrerer Vesikel erklärt wurden.

Damit wird klar, dass einzelne Vesikel ausreichen, um in der Hörnervenzelle einen Nervenimpuls auszulösen. Daran zeigt sich, dass die Hörnervenzelle extrem empfindlich für Glutamat ist, dessen Freisetzung sehr effizient genutzt wird. Diese hohe Effizienz hat aber nach Einschätzung der Forscher auch ihren Preis: Zu lauter Schall kann diese empfindliche Zelle durch Glutamat-Übererregung unwiederbringlich schädigen.

Im Jahr 2014 hatten Göttinger Wissenschaftler des Sonderforschungsbereichs (SFB) 889 und des Bernstein Zentrums für Theoretische Neurowissenschaften auf der Grundlage von Experimenten und Computer-Simulationen erstmals Zweifel an der Annahme von sechs Vesikeln als kleinstmögliches Signal angemeldet und eine alternative Hypothese vorgestellt: die statisch-unabhängige Freisetzung einzelner synaptischer Vesikel. Hier würden die „komplexen“ Antworten durch ein schnelles Öffnen und Schließen einer kleinen Pore entstehen, durch welche das Vesikel seine Botenstoffe ausschüttet.

NEUER METHODISCHER ZUGANG: NANOPHYSIOLOGIE ERLAUBT DIE ANALYSE VON KLEINSTEN FUNKTIONSEINHEITEN VON ZELLEN

Der resultierende wissenschaftliche Dissens erforderte dringend weitere Untersuchungen. Diese sollten idealerweise unabhängig von der Ableitung von Hörnervenzellen sein und die Freisetzung von Botenstoffen direkt an der Haarzelle untersuchen. Ein besonders geeigneter Zugang bestand in der höchstauflösenden Messung der Kapazität der Zellmembran, die als „Nanophysiologie“ die Verschmelzung einzelner synaptischer Vesikel auflösen kann (Abb. 2). Dr. Chad Grabner und Prof. Dr. Tobias Moser nutzten dieses in Göttingen von Nobelpreis-träger Prof. Dr. Erwin Neher und Prof. Dr. Manfred Lindau entwickelte Messverfahren, um ihre Hypothese zu überprüfen. Für die Anwendung auf die Haarzellsynapse mussten sie diesen Messaufbau aufwändig optimieren. Es gelang ihnen, durch elektrische Vermessung der Membranoberfläche nachzuweisen, dass sich diese tatsächlich durch die Verschmelzung einzelner synaptischer Vesikel mit der Zellmembran vergrößert. Bisher war mit Kapazitätsmessungen von der gesamten Haarzelle nur die Verschmelzung hunderter solcher Vesikel nachweisbar, da jedes Vesikel während der Botenstoff-Freisetzung die ohnehin schon winzige Oberfläche der Zelle um weniger als ein 1/2.000.000 (ca. 40 x 10-18 Farad) erweitert.

„Es war sehr aufwändig, die Messempfindlichkeit auf das erforderliche Niveau zu bringen, aber es hat sich gelohnt“, sagt Dr. Chad Grabner, Erstautor der Studie. „Die Ergebnisse legen die statisch-unabhängige Freisetzung einzelner synaptischer Vesikel an der Synapse nahe und brechen so mit dem aktuellen Dogma.“

WAS BEDEUTET DER DURCHBRUCH FÜR DAS VERSTÄNDNIS DES HÖRENS?

„Das Hochleistungssystem der Haarzellsynapse ist auf Effizienz getrimmt. Die Möglichkeit, dass ein einzelnes von der Haarzelle freigesetztes synaptisches Vesikel ausreicht, einen Nervenimpuls in der Hörnervenzelle auszulösen, ist faszinierend. Eine solche Effizienz ist unseres Wissens nach bislang einzigartig in der Natur“, sagt Seniorautor Prof. Dr. Tobias Moser, Max Planck Fellow und designierter Sprecher des Göttinger Exzellenzclusters „Multiscale Bioimaging: From Molecular Machines to Networks of Excitable Cells (MBExC)“. „Die Studie zeigt auch, wie die Nanophysiologie die Analyse von kleinsten Funktionseinheiten von Zellen ermöglicht und so zu fundamentalen Einsichten in das Nervensystem bei-trägt. Somit ist sie paradigmatisch für das geplante MBExC.“

WEITERE INFORMATIONEN:
Dr. Chad Grabner, Prof. Dr. Tobias Moser
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Forschungsgruppe „Synaptische Nanophysiologie“

Universitätsmedizin Göttingen, Georg-August-Universität
Institut für Auditorische Neurowissenschaften und InnenOhrLabor
Telefon 0551 / 39-63071, tmoser@gwdg.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Chad Grabner, Prof. Dr. Tobias Moser
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Forschungsgruppe „Synaptische Nanophysiologie“

Universitätsmedizin Göttingen, Georg-August-Universität
Institut für Auditorische Neurowissenschaften und InnenOhrLabor
Telefon 0551 / 39-63071, tmoser@gwdg.de

Originalpublikation:

Chad P Grabner & Tobias Moser (2018) Individual synaptic vesicles mediate stimulated exocytosis from cochlear inner hair cells. PNAS, im Druck.
doi: 10.1073/pnas.1811814115

Stefan Weller | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.universitaetsmedizin-goettingen.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Trockenstress – Biologen entschlüsseln SOS-Signal von Pflanzen
27.03.2020 | Universität Hohenheim

nachricht Der Venusfliegenfallen-Effekt: Neue Studie zeigt Fortschritte der Forschung an Immunproteinen
26.03.2020 | Jacobs University Bremen gGmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Nachwuchswissenschaftler der Universität Rostock erfinden einen Trichter für Lichtteilchen

Physiker der Arbeitsgruppe von Professor Alexander Szameit an der Universität Rostock ist es in Zusammenarbeit mit Kollegen von der Universität Würzburg gelungen, einen „Trichter für Licht“ zu entwickeln, der bisher nicht geahnte Möglichkeiten zur Entwicklung von hypersensiblen Sensoren und neuen Technologien in der Informations- und Kommunikationstechnologie eröffnet. Die Forschungsergebnisse wurden jüngst im renommierten Fachblatt Science veröffentlicht.

Der Rostocker Physikprofessor Alexander Szameit befasst sich seit seinem Studium mit den quantenoptischen Eigenschaften von Licht und seiner Wechselwirkung mit...

Im Focus: Junior scientists at the University of Rostock invent a funnel for light

Together with their colleagues from the University of Würzburg, physicists from the group of Professor Alexander Szameit at the University of Rostock have devised a “funnel” for photons. Their discovery was recently published in the renowned journal Science and holds great promise for novel ultra-sensitive detectors as well as innovative applications in telecommunications and information processing.

The quantum-optical properties of light and its interaction with matter has fascinated the Rostock professor Alexander Szameit since College.

Im Focus: Künstliche Intelligenz findet das optimale Werkstoffrezept

Die möglichen Eigenschaften nanostrukturierter Schichten sind zahllos – wie aber ohne langes Experimentieren die optimale finden? Ein Team der Materialforschung der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat eine Abkürzung ausprobiert: Mit einem Machine-Learning-Algorithmus konnten die Forscher die strukturellen Eigenschaften einer solchen Schicht zuverlässig vorhersagen. Sie berichten in der neuen Fachzeitschrift „Communications Materials“ vom 26. März 2020.

Porös oder dicht, Säulen oder Fasern

Im Focus: Erdbeben auf Island über Telefonglasfaserkabel registriert

Am 12. März 2020, 10.26 Uhr, ereignete sich in Südwestisland, ca. 5 km nordöstlich von Grindavík, ein Erdbeben mit einer Magnitude von 4.7, während eines längeren Erdbebenschwarms. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ haben jetzt dort ein neues Verfahren zur Überwachung des Untergrunds mithilfe von Telefonglasfaserkabeln getestet.

Ein von GFZ-Forschenden aus den Sektionen „Oberflächennahe Geophysik“ und „Geoenergie“ durchgeführtes Online-Monitoring, das Glasfaserkabel des isländischen...

Im Focus: Quantenoptiker zwingen Lichtteilchen, sich wie Elektronen zu verhalten

Auf der Basis theoretischer Überlegungen von Physikern der Universität Greifswald ist es Mitarbeitern der AG Festkörperoptik um Professor Alexander Szameit an der Universität Rostock gelungen, photonische topologische Isolatoren als Lichtwellenleiter zu realisieren, in denen sich Photonen wie Elektronen verhalten, und somit fermionische Eigenschaften zeigen. Ihre Entdeckung wurde jüngst im renommierten Fachblatt „Nature Materials“ veröffentlicht.

Dass es elektronische topologische Isolatoren gibt – Festkörper die im Innern den elektrischen Strom nicht leiten, dafür aber umso besser über die Oberfläche –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

“4th Hybrid Materials and Structures 2020” findet web-basiert statt

26.03.2020 | Veranstaltungen

Wichtigste internationale Konferenz zu Learning Analytics findet statt – komplett online

23.03.2020 | Veranstaltungen

UN World Water Day 22 March: Water and climate change - How cities and their inhabitants can counter the consequences

17.03.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Weltweit einzigartig: Neue Anlage zur Untersuchung von biogener Schwefelsäurekorrosion in Betrieb

27.03.2020 | Architektur Bauwesen

Schutzmasken aus dem 3D-Drucker

27.03.2020 | Materialwissenschaften

Nachwuchswissenschaftler der Universität Rostock erfinden einen Trichter für Lichtteilchen

27.03.2020 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics