Ludwig-Maximilians-Universität München
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Neurowissenschaften

Gebremste Nervenzellen hören besser

München, 15.05.2014

Erst das komplexe Zusammenspiel hemmender und erregender Signale ermöglicht die räumliche Wahrnehmung von Geräuschen, wie eine neue Studie belegt. Die Lokalisation von Geräuschen wäre ohne zellulären Schalldämpfer nicht möglich.

Hemmende Signale kontrollieren den Zeitpunkt der maximalen Erregung der Nervenzelle
Hemmende Signale kontrollieren den Zeitpunkt der maximalen Erregung der Nervenzelle

Brüllt der Löwe von rechts oder von links? Und ist ein Löwe oder sind es zwei? Für Räuber und Beute ist es essenziell, Geräusche nicht nur zu hören, sondern die Schallquelle auch lokalisieren und räumlich trennen zu können. Auch beim Menschen ist diese Fähigkeit für die räumliche Orientierung und zur Schallquellentrennung wichtig. Das gelingt, indem die Signale beider Ohren über Nervenzellen zur zuständigen Schaltzentrale im Hirnstamm geleitet und dort verrechnet werden. „Jede Nervenzelle dieser Schaltzentrale bekommt aber nicht nur erregende, sondern auch hemmende Signale“, sagt der LMU-Neurowissenschaftler Professor Benedikt Grothe, „wir konnten nun auf zellulärer Ebene nachweisen, wie der eingebaute Schalldämpfer für die Schallortung funktioniert und warum er eine entscheidende Rolle spielt“.

Die Schallortung beruht darauf, dass das schallzugewandte Ohr ein Geräusch minimal früher als das schallabgewandte Ohr wahrnimmt. Um diese Unterschiede, die nur Bruchteile von Milli-Sekunden ausmachen, wahrnehmen zu können, muss die Integration dieser Nervenzellen sehr präzise arbeiten. Lange Zeit herrschte die Theorie, dass die Schallrichtung allein durch das Messen der unterschiedlichen Ankunftszeiten der erregenden Signale bestimmt wird. „Aber die erregenden Signale allein genügen nicht, um diese Zeitunterschiede, die im Mikrosekundenbereich liegen, präzise zu differenzieren“, sagt Grothe.

Hemmung entzerrt Geräuschkulisse

Mithilfe eines höchst anspruchsvollen Experiments konnte Grothe mit seinem Team nun zeigen, dass sich jedes Geräusch im Hirnstamm in vier unterschiedlichen Signalen widerspiegelt: Je einem hemmenden und einem erregenden von jedem Ohr. Wie die Verrechnung der Signale von beiden Ohren tatsächlich funktioniert, konnten die Wissenschaftler nun mithilfe der sogenannten Dynamic-Clamp-Technik nachweisen, mit der man elektrische Signale in Zellen messen, in Echtzeit verrechnen und wieder in die Zelle einspeisen kann. „Das gibt die Möglichkeit, elektrische Ströme in der Zelle zu messen und zu manipulieren. Mit dieser hoch komplexen Methode konnten wir sowohl den Einfluss hemmender als auch erregender Signale auf zellulärer Ebene nachweisen und deren Integration bei der Schallortung untersuchen“, sagt Grothe.

Dabei zeigte sich, dass die Hemmung den Zeitpunkt der maximalen Erregung der Zelle kontrolliert und einstellt. Durch dieses Feintuning kann die zeitliche Differenz zwischen rechtem und linkem Signal deutlicher wahrnehmbar gemacht werden. „Das ist ein sehr dynamischer Prozess, der extrem präzise und genau eingesetzt wird. Dabei kann das Verhältnis von erregendem zu hemmendem Signal immer wieder neu angepasst und eingestellt werden. Mit nur zwei Signalen wäre das gar nicht machbar“, sagt Grothe. Wie das richtige Timing eingestellt wird, ist derzeit noch ein ungeklärtes Phänomen, dem Grothe in weiteren Studien auf die Spur kommen möchte.
(Nature Communications 2014)          göd