Bio. Kap. 13 & 14 (Audirisches & Vestibularsystem)

Was ist Schall? Beschreibe kurz deren Wahrnehmung und die verschiedenen Arten von Schall.

Was ist Schall?

 

• Adäquater Reiz für das Gehör ist Schall – also mechanische Wellen, die sich in einem elastischen Medium (meist Luft) ausbreiten.

• Schallquellen sind Körper, die Schwingungen erzeugen können. Diese Schwingungen erzeugen Verdichtungs- und Verdünnungszonen in der Luft, die sich wellenförmig ausbreiten.

• Die Ausbreitung entsteht durch Impulsübertragung: Moleküle stoßen an benachbarte Moleküle, wodurch sich die Schwingung fortsetzt.

• Schallgeschwindigkeit in Luft: ca. 335 m/s.

 

Wie wird Schall wahrgenommen?

 

• Schallwellen treffen auf das Trommelfell, das dadurch zu Schwingungen angeregt wird.

• Diese Schwingungen werden in einem mehrstufigen Prozess (über Mittelohr, Innenohr, Haarzellen) in Nervenimpulse transformiert.

 

 

 

Arten von Schall

 

• Reiner Ton: nur eine Frequenz (z.B. Stimmgabel).

• Klang: Grundfrequenz + Obertöne (z.B. schwingende Saite).

• Geräusch: komplexes Frequenzgemisch ohne systematischen Zusammenhang.

Was sind die physikalischen Merkmale von Schall?

Physikalische Merkmale von Schallwellen

 

1. Amplitude:

   • Differenz zwischen Maximaldruck und Minimaldruck.

   • Entspricht der Lautstärke.

2. Frequenz:

   • Anzahl der Schwingungen pro Sekunde (Hertz, Hz).

   • Bestimmt die Tonhöhe.

 

 

 

Schallintensität

 

• Beschreibt, wie viel Schallenergie pro Sekunde durch eine Fläche tritt.

• Proportional zum Quadrat des Schalldrucks.

• Einheit: Watt/m².

Was ist der Schalldruckpegel?

Schalldruckpegel

 

• Wegen der enormen Spannweite der Hörschwelle wird der Schalldruck logarithmisch skaliert:

  • Formel: S = 20 log(p/p₀)

    • S: Schalldruckpegel (in dB)

    • p: Schalldruck

    • p₀: Referenzdruck (2 × 10⁻⁵ N/m²; entspricht Hörschwelle)

• Ein zehnfacher Schalldruck bedeutet eine Steigerung um 20 dB.

• Die Unterschiedsschwelle liegt bei etwa 1 dB, wenn Töne gleicher Frequenz unterschiedlich laut erscheinen sollen.

Schalldruckpegel-Skala

• Reicht von 0 dB (Hörschwelle) bis 160 dB (Schmerzgrenze).

• Werte über 120 dB gelten als gehörschädigend.

Beschreibe das äussere Ohr.

Äußeres Ohr

 

• Bestandteile:

  • Ohrmuschel (Auricula/Pinnae): bündelt Schallwellen wie ein Parabolspiegel in Richtung Gehörgang, bzw. leitet den Brennpunkt da.

  • Äußerer Gehörgang: ca. 3 cm lang, außen knorpelig, innen knöchern.

• Endpunkt: Trommelfell (Membrana tympani) – dünne Membran, trennt äußeres Ohr vom Mittelohr (aber diese gehört anatomische gesehen zum Mittelohr).

Beschreibe das Mittelohr (Aufbau, Funktion, Knocken, Muskeln)

Mittelohr

 

 

Aufbau und Funktion

• Lage: Direkt hinter dem Trommelfell; luftgefüllter Raum mit der Paukenhöhle als Hauptstruktur.

• Druckausgleich: Über die Eustachische Röhre (Tuba eustachii), die beim Schlucken den Druck an den Außendruck anpasst.

  • Wichtig beim Fliegen/Tauchen.

  • Fehlender Ausgleich (z. B. bei Erkältung) → Verformung des Trommelfells → Hörminderung.

 

 

Gehörknöchelchen

• Hammer (Malleus) – mit dem Trommelfell verwachsen.

• Amboss (Incus) – gelenkig mit Hammer und Steigbügel verbunden.

• Steigbügel (Stapes) – endet in der beweglichen Fußplatte im ovalen Fenster des Innenohrs.

  • Überträgt Schwingungen kolbenartig in die Flüssigkeit des Innenohrs.

 

 

Muskuläre Kontrolle

• Zwei Muskeln:

  • Musculus tensor tympani

  • Musculus stapedius

• Funktion: Dämpfung lauter Geräusche durch Einschränkung der Knöchelchen-Beweglichkeit.

Was ist eine Mittelohrentzündung (Synonym)? Beschreibe diese.

 Mittelohrentzündung (Otitis media acuta)

 

• Häufigste Ohrerkrankung, besonders bei Kindern.

• Ursprung meist: Infektion über die Eustachische Röhre aus dem Nasen-Rachen-Raum.

• Erreger: meist Bakterien (z. B. Streptokokken), seltener Viren.

• Symptome: Ohrenschmerzen, Fieber, Schwerhörigkeit.

• Komplikationen: Meningitis, Hirnabszesse, Gesichtslähmung.

• Therapie: i. d. R. Antibiotika, Ausheilung in 2–4 Wochen.

Was sind die verschiedenen Knocken im Mittelohr? Wozu dienen sie?

Gehörknöchelchen

• Hammer (Malleus) – mit dem Trommelfell verwachsen.

• Amboss (Incus) – gelenkig mit Hammer und Steigbügel verbunden.

• Steigbügel (Stapes) – endet in der beweglichen Fußplatte im ovalen Fenster des Innenohrs.

  • Überträgt Schwingungen kolbenartig in die Flüssigkeit des Innenohrs.

Physik der Schallübertragung:

 

Problem: Übergang Luft → Flüssigkeit

 

• Schallwellen verlieren 98 % ihrer Energie beim direkten Übergang Luft → Flüssigkeit wegen Impedanzunterschied.

• Das Ohr kompensiert diesen Energieverlust durch ein mechanisches Verstärkungssystem:

 

 

Lösungen durch das Mittelohr:

 

• Verhältnis der Flächen: Trommelfell ist 17-mal größer als die Steigbügelplatte → Druckverstärkung.

• Hebelwirkung durch Hammer–Amboss-Kombination.

• Gesamtverstärkung des Drucks: Faktor 22.

 

 

Optimale Übertragung

 

• Frequenzbereich von 300–3000 Hz wird am effizientesten weitergeleitet – genau der Bereich der menschlichen Sprache.

Beschreibe die Physik der Schallübertragung.

Physik der Schallübertragung

 

 

Problem: Übergang Luft → Flüssigkeit

 

• Schallwellen verlieren 98 % ihrer Energie beim direkten Übergang Luft → Flüssigkeit wegen Impedanzunterschied.

• Das Ohr kompensiert diesen Energieverlust durch ein mechanisches Verstärkungssystem:

 

 

Lösungen durch das Mittelohr:

 

• Verhältnis der Flächen: Trommelfell ist 17-mal größer als die Steigbügelplatte → Druckverstärkung.

• Hebelwirkung durch Hammer–Amboss-Kombination.

• Gesamtverstärkung des Drucks: Faktor 22.

 

 

Optimale Übertragung

 

• Frequenzbereich von 300–3000 Hz wird am effizientesten weitergeleitet – genau der Bereich der menschlichen Sprache.

Beschreibe das Innenohr (Aufbau, Anatomie, Stereozilen)

 Innenohr

 

 

Allgemeiner Aufbau

 

• Das Innenohr enthält zwei Sinnesorgane:

  1. Gleichgewichtsorgan (Vestibularapparat, → Kapitel 14)

  2. Hörorgan (Cochlea / Schnecke) – zuständig für Schallverarbeitung

• Die Cochlea:

  • Knöchernes, spiralförmig eingedrehtes Rohr

  • Teil des sogenannten Labyrinths, gemeinsam mit dem Gleichgewichtsorgan

 

 

 

Anatomie des Schneckengangs

 

• Cochlea besteht innen aus drei übereinanderliegenden Kanälen:

  • Scala vestibuli

  • Scala media (enthält das Corti-Organ)

  • Scala tympani

• Scala media:

  • Dünnster Kanal

  • Ort der Transduktion von Schallschwingungen in neuronale Signale

  • Liegt zwischen den beiden anderen Skalen

  • Getrennt von der Scala tympani durch die Basilarmembran

 

 

 

Corti-Organ (Hörsinnesorgan)

 

• Sitzt auf der Basilarmembran

• Bedeckt von der Tektorialmembran (membranöses „Dach“)

 

 

Haarzellen

 

• Sinneszellen des Hörens, unterteilt in:

  • 1 Reihe innerer Haarzellen

  • 3 Reihen äußerer Haarzellen

• Gesamtanzahl: ca. 16.000 Haarzellen

 

 

Stereozilien (Stereovilli)

 

• Feine Härchen auf der Zelloberfläche (ca. 80 pro Zelle), geordnet nach Länge

• Verbunden über Tip Links:

  • Dünne Eiweißfäden, die mechanisch gekoppelte Bewegung sicherstellen

  • Verbinden kleinere mit größeren Stereozilien

  • Kontrollieren Ionenkanäle, die sich durch mechanische Deformation öffnen/schließen

 

 

Unterschied Innen-/Außenhaarzellen

 

• Äußere Haarzellen: Stereozilien mit der Tektorialmembran verbunden

• Innere Haarzellen: Stereozilien nicht mit der Tektorialmembran verbunden

 

 

 

Neurophysiologie

 

• Haarzellen erzeugen Sensorpotenziale, aber keine Aktionspotenziale → sekundäre Sinneszellen

• Innervation durch bipolare Neuronen des Ganglion spirale

  • Deren Dendriten kontaktieren die Haarzellen und leiten Signale ins ZNS

Wie geschieht die Transduktion im auditorischen System (Sensitivität, Mechanik im Innenohr, Depolarisation…)?

Schalltransduktionsprozess

 

 

Grundprinzip

 

• Haarzellen im Innenohr sind extrem empfindlich – bereits Bewegungen in der Größenordnung eines Wasserstoffatoms (10⁻¹⁰ m) können sie aktivieren.

• Sie arbeiten damit an der Grenze des physikalisch Möglichen.

 

 

 

Mechanik der Transduktion

 

• Die Bewegung der Basilarmembran löst Mikrobewegungen im System von Haarzellen, Tektorialmembran und Endolymphe aus:

  • Aufwärtsbewegung der Basilarmembran → Stereozilien biegen sich in eine Richtung → Transduktionskanäle öffnen

  • Abwärtsbewegung → Kanäle schließen

 

 

 

Ionentransport & Depolarisation

 

• Kaliumeinstrom aus der Endolymphe (ca. +80 mV) in die Haarzelle (–70 mV) bei geöffneter Kanäle → Depolarisation

• Bei Kanalschluss → kein Kaliumeinstrom → keine Depolarisation

 

 

Repolarisation

 

• Erfolgt durch Kaliumausstrom an der basalen Zellwand über:

  • Spannungsabhängige Kaliumkanäle

  • Kalziumgesteuerte Kaliumkanäle

• Kalium wird in den kaliumarmen Extrazellulärraum ausgeschleust → Zellmembran repolarisiert

Aktive Verstärkung durch äußere Haarzellen

 

• Kontraktionsapparat der äußeren Haarzellen (ähnlich Muskelzellen):

  • Depolarisation → Zelle verlängert sich

  • Repolarisation → Zelle verkürzt sich

• Dadurch entsteht eine aktive Mitbewegung synchron zur Schallwelle, was die:

  • Schwingung der Basilarmembran verstärkt

  • Endolymphbewegung intensiviert

  • Wanderwelle verstärkt
    → So können auch die Stereozilien der inneren Haarzellen stärker gebogen werden.

 

 

 

Transduktion in den inneren Haarzellen

 

• Kein Längenwechsel, aber:

  • Kaliumeinstrom bei Stereozilienbiegen → führt zu Kalziumeinstrom an der Zellbasis

  • Kalzium löst Ausschüttung von Glutamat aus

  • Glutamat depolarisiert die afferente Hörnervenfaser (N. cochlearis) → Nervenimpuls wird weitergeleitet

Was ist die aktive Verstärkung im auditorischen System?

Aktive Verstärkung durch äußere Haarzellen

 

• Kontraktionsapparat der äußeren Haarzellen (ähnlich Muskelzellen):

  • Depolarisation → Zelle verlängert sich

  • Repolarisation → Zelle verkürzt sich

• Dadurch entsteht eine aktive Mitbewegung synchron zur Schallwelle, was die:

  • Schwingung der Basilarmembran verstärkt

  • Endolymphbewegung intensiviert

  • Wanderwelle verstärkt
    → So können auch die Stereozilien der inneren Haarzellen stärker gebogen werden.

 

 

 

Transduktion in den inneren Haarzellen

 

• Kein Längenwechsel, aber:

  • Kaliumeinstrom bei Stereozilienbiegen → führt zu Kalziumeinstrom an der Zellbasis

  • Kalzium löst Ausschüttung von Glutamat aus

  • Glutamat depolarisiert die afferente Hörnervenfaser (N. cochlearis) → Nervenimpuls wird weitergeleitet

 

 

 

Schutzmechanismus

 

• Reflektorische Kontraktion der äußeren Haarzellen bei sehr lauten Reizen:

  • Begrenzung der Basilarmembran-Auslenkung

  • Reduktion der Endolymphschwingung

  • Abschwächung der Reizung der inneren Haarzellen

• Schutz vor akustischer Überlastung des Corti-Organs

Wie gut ist die Frequenzdifferenzierung im auditorischen System?

Fähigkeit zur Frequenzdifferenzierung

 

• Das menschliche Ohr besitzt eine extrem feine Tonhöhenunterscheidung.

• Beispiel: Bei 1000 Hz beträgt die Unterscheidungsschwelle nur 3 Hz (= 0,3 %).

• Diese Präzision ist entscheidend für die Sprachverarbeitung.

Wer ist Georg von Békésky?

Wissenschaftliche Leistung: Georg von Békésy

 

• Physiker und Physiologe, u.a. tätig in Budapest, Stockholm, Harvard

• Entwickelte präzise Messinstrumente und Cochleamodelle

• Entdeckte den Ortsmechanismus der Frequenzcodierung

• Seine Forschung lieferte Grundlagen für das Verständnis von:

  • Hörvorgängen

  • Formen von Taubheit

• Nobelpreis für Medizin 1961

Was sind die Grenzen der zeitlichen Codierung?

Grenzen der zeitlichen Codierung (existiert nicht)

 

• Eine Eins-zu-eins-Codierung (ein Aktionspotenzial pro Schallschwingung) ist nur bis ca. 1000 Hzmöglich.

  • Grund: Refraktärzeit von Neuronen beträgt etwa 1 ms.

  • Frequenzen darüber hinaus müssen anders codiert werden.

Periodizitätsanalyse (für tiefe Frequenzen ≤ 5.000 Hz)

 

• Tiefere Frequenzen können zusätzlich über ein zweites Codierungssystem verarbeitet werden:

  • Die Periodizitätsanalyse basiert auf der zeitlichen Struktur der Aktivitätsmuster mehrerer Sinneszellen

  • Diese wird im ZNS (z. B. in der Cochleariskerne) verrechnet

Was ist die Ortscodierung?

Ortscodierung (Place Coding)

 

 

Prinzip

 

• Tonhöhe wird nicht zeitlich, sondern räumlich codiert – über die Position des maximalen Ausschlags auf der Basilarmembran.

• Dieses Prinzip wurde maßgeblich durch Georg von Békésy (Nobelpreis 1961) entdeckt.

 

 

Mechanismus

 

1. Schall trifft auf das Trommelfell → Bewegung der Steigbügelfußplatte → Druckwelle in der Scala media

2. Da Flüssigkeit inkompressibel ist, weicht die Welle über das runde Fenster aus.

3. Dadurch biegt sich die Basilarmembran → eine Wanderwelle pflanzt sich von Basis → Apex der Cochlea fort.

 

 

Struktur der Basilarmembran

 

• Basis (nahe Trommelfell): schmal und steif (~0.15 mm)

• Apex (Spitze der Cochlea): breit und flexibel (~0.5 mm)

• Steifigkeit sinkt um den Faktor 10.000 von Basis zu Apex

 

 

Resonanz & Frequenzortsabbildung

 

• Für jede Frequenz gibt es eine spezifische Resonanzstelle mit maximaler Membranauslenkung.

• Hinter dieser Stelle endet die Wellenbewegung (Energieverbrauch).

• Es entsteht eine Frequenz-Orts-Zuordnung:

  • Hohe Frequenzen (bis 20.000 Hz) → an der Basis

  • Niedrige Frequenzen (bis 200 Hz) → am Apex

Was wird schon subkortikal im auditorischen System verarbeitet?

Subkortikale Verarbeitung (unterhalb des Kortex)

 

• Bereits vor dem Kortex findet eine detaillierte Analyse der Schallsignale statt:

  • Tonhöhe (Frequenz)

  • Intensität (Lautstärke)

  • Dauer des Tons

  • Schallquellenlokalisation (räumliche Position)

• Nur die Sprachverarbeitung erfolgt kortikal.

 

 

 

Codierung der Schalleigenschaften

 

• Dauer des Schalls → durch Länge der Aktivierung einzelner Fasern

• Intensität:

  • Über Entladungsrate (firing rate) einzelner Neurone

  • Bei hoher Lautstärke: zusätzliche Codierung über Anzahl gleichzeitig aktiver Fasern

  • Hohe Intensitäten → größere Membranauslenkung → mehr aktivierte Haarzellen

Beschreibe die Hörbahn.

Hörbahn (Auditive Bahn)

 

 

Startpunkt: Nuclei cochleares (Hirnstamm, Medulla oblongata)

 

• Der Nervus cochlearis bringt Signale von den Haarzellen zur ventralen/dorsalen Cochleariskernen.

• Dort beginnt die Hörbahn (Weiterleitung der Schallinformation durch das ZNS).

 

 

Tonotopie

 

• Die Tonhöhenordnung (Tonotopie) der Cochlea bleibt entlang der gesamten Hörbahn bis zum Kortex erhalten.

  • Bedeutet: benachbarte Neurone verarbeiten benachbarte Frequenzen.

 

 

 

Stationen der Hörbahn

 

1. Nucleus cochlearis (erste Umschaltung)

2. Kreuzung der meisten Fasern zur Gegenseite

3. Oliva superior (zweite Umschaltung):

   • Erste binaurale Integration (Infos beider Ohren kombiniert)

   • Wichtig für Schalllokalisation

4. Lemniscus lateralis:

   • Verbindet Oliva superior mit Colliculi inferiores

   • Weitere Umschaltungen in den Nuclei lemnisci lateralis

   • Einige Fasern kreuzen erneut zur ursprünglichen Seite zurück

5. Colliculi inferiores (Mittelhirn):

   • Integration und Weiterleitung

   • Einige Fasern kreuzen hier erneut

6. Corpus geniculatum mediale (Thalamus):

   • Letzte Umschaltung vor dem Kortex

7. Primäre Hörrinde (Temporallappen):

   • Über Hörstrahlung (Radiatio acustica) gelangen die Signale dorthin

 

 

 

Kollaterale Verschaltungen

 

• Einige Fasern senden Kollateralen in andere Hirnbereiche:

  • Formatio reticularis (ARAS):

    • Alarmreaktionen, Weckreaktion bei lauten Geräuschen

    • Aktivierung des gesamten Kortex (aufsteigend)

    • Motorische Reflexe (absteigend via Rückenmark)

  • Kleinhirn: Koordination von Reaktionen auf akustische Reize

 

 

 

Funktionelle Redundanz

 

• Durch mehrfache Kreuzungen gelangt Information aus beiden Ohren zu beiden Hemisphären.

• Vorteil: Bei einseitigen Schädigungen (zwischen Nuclei cochleares und Thalamus) erreicht redundante Information trotzdem die primäre Hörrinde.

Wo genau werden welche auditorische Eigenschaften verarbeitet?

Vorverarbeitung in subkortikalen Arealen

 

• Bereits im Nucleus cochlearis dorsalis werden akustische Informationen vorgefiltert:

  • Reizbeginn und -ende

  • Frequenzveränderungen

• In den Colliculi inferiores:

  • Weitere zeitliche Merkmale eines Schallsignals werden verarbeitet.

  • Wichtig für die Periodizitätsanalyse (Verarbeitung tiefer Frequenzen).

  • Empfangen zusätzlich somatosensorische Information → polymodale Integration (Integration verschiedener Sinne bereits auf subkortikaler Ebene).

 

 

 

Periodizitätsanalyse

 

Neben der Ortscodierung (Tonhöhe durch Ort auf der Basilarmembran) existiert eine zweite Codierungsstrategie:

Periodizitätsanalyse, für Frequenzen bis ca. 5.000 Hz.

 

Dies geschieht in den Hirnstammkernen (Nucleus cochlearis + obere Oliven).

Was ist Phasenkopplung? Die Prinzipen? Implante?

Prinzipien

 

• Phasenkopplung:

  • Neuronen feuern synchron zur gleichen Phase jeder Schwingungsperiode (z. B. dem Wellenmaximum).

  • Eine einzelne Faser kann nicht jede Periode feuern (Refraktärzeit), daher:

    • Mehrere Neuronen teilen sich den Rhythmus auf.

    • Gemeinsam ergeben sie ein Entladungsmuster, das die Periodendauer (und somit die Frequenz) widerspiegelt.

• Das Gehirn nutzt diese zeitlichen Abstände zwischen den Impulsen über alle beteiligten Fasern, um die Grundfrequenz zu extrahieren.

• Ort dieser Verarbeitung: vermutlich bereits im Nucleus cochlearis.

 

 

Bedeutung

 

• Nachweisbar durch Patienten mit Zerstörung des Apex der Cochlea:

  • Obwohl dort die tiefen Frequenzen nach Ortsprinzip verarbeitet würden, können sie weiterhin gehört werden.

  • Begründung: Periodizitätsanalyse aus verbleibender Cochlea-Region.

 

 

 

Cochleaimplantate

 

• Eingesetzt bei nahezu vollständiger Innenohrtaubheit, vorausgesetzt:

  • Hörnerv und Hörbahn sind intakt

• Funktionsweise:

  • Mikrofon nimmt Schall auf

  • Mikroprozessor zerlegt und analysiert Schallfrequenzen

  • Elektrische Impulse werden über Induktionsspule an Hörnervenfasern weitergegeben

  • Das erzeugte Muster simuliert die Aktionspotenziale eines gesunden Innenohrs

 

 

Tonhöhenverarbeitung bei Implantaten

 

• Rein über Periodizitätsanalyse (da Ortskodierung über Basilarmembran fehlt)

• Patienten können nach intensivem Training oft wieder gesprochene Sprache verstehen

Wie und wo wird die räumliche Ortung einer Schallquelle verarbeitet? Wie präzise sind diese?

Grundprinzip

 

• Der Mensch kann eine Schallquelle im Raum präzise lokalisieren, basierend auf:

  1. Laufzeitunterschieden

  2. Intensitätsunterschieden (Geräuschschatten)

• Beide Mechanismen beruhen auf der unterschiedlichen Position der Ohren relativ zur Schallquelle.

  • Nur bei mittiger Position (genau vor/hinter dem Kopf) herrscht Symmetrie.

 

 

 

1. Laufzeitunterschiede (interaurale Zeitdifferenz – ITD)

 

• Signale erreichen das dem Schall näheren Ohr früher.

• Diese minimalen Zeitdifferenzen werden bereits im Nucleus olivaris superior (obere Olive) analysiert.

• Extrem hohe Empfindlichkeit: Unterscheidung von Laufzeitunterschieden bis zu 30 Mikrosekunden (30 μs).

• Dieser Mechanismus ist besonders wichtig für tieffrequente Geräusche.

 

 

 

2. Intensitätsunterschiede (interaurale Pegeldifferenz – ILD)

 

• Der Kopf erzeugt einen “Geräuschschatten” für das weiter entfernte Ohr.

• Es entsteht ein Lautstärkeunterschied zwischen linkem und rechtem Ohr.

• Schon 1 dB Unterschied kann für die Lokalisation genutzt werden.

• Besonders wirksam bei hochfrequenten Tönen (wegen stärkerer Abschattung durch den Kopf).

 

 

 

Leistung des binauralen Systems

 

• Schon bei 3° Abweichung von der Mittellinie kann eine Schallquelle zuverlässig lokalisiert werden.

• ITD und ILD ergänzen sich und ermöglichen präzise horizontale Ortung (links–rechts).

 

 

 

Vertikale Lokalisation & Rolle der Ohrmuschel

 

• ITD und ILD sind ungeeignet für die vertikale Ebene (oben/unten, vorne/hinten).

• Hier ist die Ohrmuschel entscheidend:

  • Ihre individuelle Form verändert die Frequenzzusammensetzung des eintreffenden Schalls je nach Richtung.

  • Schall von vorne wird anders gefiltert als Schall von hinten oder oben/unten.

  • Diese richtungsabhängige Modifikation (sogenannte monokulare Spektralcues) wirkt bereits auf dem Weg zum Trommelfell.

• Spezialisierte Neuronen in der Hörbahn analysieren diese Unterschiede und helfen bei der dreidimensionalen Lokalisation.

Was sind die Quellen unserer Körperlage?

• Multisensorische Informationsquelle:

  • Informationen über Körperlage im Raum und Bewegungszustand stammen nicht aus einem einzigen System.

  • Hauptquelle: Vestibularorgan (Gleichgewichtsorgan).

  • Weitere beteiligte Systeme:

    • Visuelles System (Lage im Raum)

    • Propriozeptive Signale aus Muskulatur und Gelenken

    • Taktile Reize durch Druckrezeptoren in der Haut

• Integration im Gehirn:

  • Die Signale werden auf mehreren Ebenen des Gehirns zusammengeführt, um:

    • ein ganzheitliches Bild der Körperlage

    • sowie der Bewegungsabläufe zu erzeugen.

  • Diese Verarbeitung ist entscheidend für:

    • aufrechte Körperhaltung

    • koordinierten Gang

  • Beide sind komplexe Leistungen, die eine präzise Koordination von Sinnesinformationenerfordern.

  • Dabei werden u.a. berücksichtigt:

    • äußere Kräfte (z. B. Schwerkraft, Beschleunigung)

    • momentane Stellung der Gliedmaßen

Beschreibe den Aufbau und die Funktion des Vestibularorgans.

• Vestibularorgan – Aufbau und Funktion:
  

  • Lokalisation: Im Innenohr, gemeinsam mit der Cochlea → gemeinsam als Labyrinth bezeichnet.

  • Unterteilung:

    • Zwei Makulaorgane:

      • Registrieren Linearbeschleunigungen

      • Besonders empfindlich für Reize durch Gravitationskraft

    • Drei Bogengänge:

      • Registrieren Drehbewegungen des Kopfes

      • Reagieren auf Rotationsbeschleunigungen

Beschreibe die Makulaorgane (Anatomie, Struktur, Funktion, Aktivität).

Makulaorgane: Sacculus und Utriculus

 

• Lokalisation: Am Zusammenfluss der Bogengänge im Vestibularsystem.

• Aufgabe: Registrierung von geradlinigen (linearen) Beschleunigungen, insbesondere durch Gravitation.

 

 

Anatomie & Zellstruktur

 

• Makulae: Spezialisierte Areale mit ca. 30.000 Haarzellen.

• Jede Haarzelle trägt 60–100 Stereozilien (nach Länge gestaffelt) + 1 Kinozilium (langste Zilie).

• Stereozilien sind über Tip Links verbunden → Ort der Reiztransduktion.

• Haarzellen sind eingebettet in eine gallertige Otolithenmembran, auf der Otolithen (Kalkkristalle) sitzen:

  • Diese erhöhen die Masse → größere Trägheit.

 

 

Funktionsprinzip bei Linearbeschleunigung

 

• Bewegung des Kopfes → Träge Otolithenmembran „verschiebt“ sich gegenüber der darunterliegenden Haarzellschicht.

• → Stereozilien werden ausgelenkt (mechanische Deformation).

• → Tip Links werden gedehnt oder entlastet:

  • Öffnung oder Schließung von Kaliumkanälen

  • Modulation der Glutamatfreisetzung

  • → Aktionspotenziale im N. vestibularis entstehen

 

 

Grundaktivität

 

• Auch ohne Reiz: 60–90 Spontanentladungen/Sekunde

• Durch Daueraktivität ist relative Veränderung entscheidend

• Orientierung über Lage des Kopfes durch Vergleich der Aktivitätsmuster von:

  • Sacculus (vertikale Ausrichtung)

  • Utriculus (horizontale Ausrichtung)

  • Beidseitige Inputs → Lageberechnung durch das Gehirn

Was ist die Mernière-Krankheit (Symptome, Ursache, Therapie)

Menière-Krankheit

 

 

Symptome

 

• Spontane Schwindelanfälle (Minuten bis Stunden, selten >24h)

• Einseitige Hörminderung während des Anfalls

• Tinnitus (einseitiges Ohrgeräusch)

• Übelkeit und Erbrechen

• Symptomstärke reicht von leichtem Unwohlsein bis zu schwerem Drehschwindel

 

 

Pathophysiologie

 

• Ursache unklar (idiopathisch)

• Häufig: Dysregulation der Endolymphe im Vestibularorgan:

  • Druckveränderungen oder Ödeme

  • Gestörte Erneuerung der Endolymphe

  • → Funktionseinschränkung der Haarzellen

 

 

Therapie

 

• Keine standardisierte Heilung

• Teilweise wirksam:

  • Diuretika, salzarme Diät

• Schwere Fälle:

  • Bypass-Operation → Ableitung der Endolymphe in Liquorraum

  • Zerstörung der Haarzellen:

    • Chemisch (z. B. Gentamicin)

    • Chirurgisch: Entfernung des gesamten Vestibularorgans (Labyrinthektomie) als letzte Option

Beschreibe die Bogengänge (Anatomie, Mechanismus, Signalverarbeitung).

Registrierung von Drehbewegungen durch die Bogengänge

 

 

Anatomie und Ausrichtung

 

• Drei Bogengänge, jeweils senkrecht zueinander → Abdeckung aller drei Raumrichtungen.

• Jeder Bogengang ist empfindlich für eine spezifische Rotationsrichtung des Kopfes.

 

 

Physiologischer Mechanismus

 

• Kopfbewegung → Bogengänge bewegen sich mit dem Schädel, da fest eingebettet.

• Die darin enthaltene Endolymphe reagiert verzögert aufgrund ihrer Massenträgheit:

  • → erzeugt Druck auf die Cupula (gallertige Struktur).

  • Die Cupula befindet sich im erweiterten Abschnitt jedes Bogengangs.

• Auslenkung der Cupula je nach Rotationsrichtung → verbiegt die Stereozilien der Haarzellen.

• Dies führt zu:

  • Ionenströmen (Kalium)

  • Modulation der Glutamatfreisetzung

  • → Aktionspotenziale im N. vestibularis

Signalverarbeitung

 

• Nicht jede Bewegung entspricht exakt der Achse eines Bogengangs → meist werden mehrere Bogengänge gleichzeitig aktiviert.

• Das Gehirn verrechnet die eingehenden Signale, um die präzise Rotationsrichtung zu rekonstruieren.

Was ist eine Bewegungskrankheit (Synonym, Ursache, Symptome, Physiologie, Therapie..)?

 

Bewegungskrankheit (Kinetose)

 

 

Ursache

 

• Entsteht bei inkongruenten Informationen:

  • Vestibularorgan meldet Bewegung (v. a. durch Bogengänge und Makulaorgane)

  • Visuelles System meldet visuelle Stabilität (z. B. in einer Kabine auf einem Schiff)

• → Konflikt zwischen sensorischen Inputs

  • Das Gehirn ist verwirrt, da externe und interne Reize widersprüchlich sind.

 

 

Symptome

 

• Schwindel, kalter Schweiß, Übelkeit, Blässe, vermehrter Speichelfluss, Erbrechen

• Beispiel: Seekrankheit

  • Vestibularsystem registriert Bewegung → Augen sehen jedoch keine.

 

 

Physiologische Reaktion

 

• Übermäßige Aktivierung des sympathischen Nervensystems:

  • Ausschüttung von Adrenalin, Noradrenalin, Vasopressin

• Magenmuskulatur kontrahiert statt wie normal 3×/Minute nun bis zu 9×/Minute

• → verstärkte Übelkeit und Erbrechen

 

 

Therapie & Prävention

 

• Spontan remittierend, sobald Bewegung endet

• Verhaltenstipps:

  • Ruhige Sitzhaltung, Augen schließen oder auf entfernte Punkte fokussieren

  • Keine exzessive Nahrungsaufnahme, kein Lesen

  • Stress vermeiden

• Medikamentöse Optionen:

  • Scopolamin

  • Flunarizin

  • Antihistaminika

Beschreibe die generelle Weiterleitung vestibulärer Informationen.

Zentrale Weiterverarbeitung der vestibulären Information

 

 

Primäre Verschaltung

 

• Haarzellen des Vestibularorgans → synaptische Verbindung mit afferenten Fasern des Vestibularnervs(N. vestibularis)

• Zellkörper dieser Fasern liegen im Ganglion vestibulare nahe dem Innenohr.

 

 

Zentrale Projektion

 

• Die Fasern verlaufen zentralwärts zu den Vestibulariskernen in der Medulla oblongata.

• Ein Teil der Fasern umgeht die Vestibulariskerne und zieht direkt zum Kleinhirn.

 

 

Multisensorische Integration

 

• Die Vestibulariskerne erhalten zusätzlich:

  • Afferenzen vom visuellen System

  • Afferenzen von Propriozeptoren (Muskeln, Gelenke)

• → Diese Informationen werden zusammengeführt, um Bewegung und Lageveränderungen im Raum präzise zu interpretieren.

 

 

 

Weiterleitung der vestibulären Information – Hauptausgänge:

 

1. Zum Kleinhirn (Cerebellum):

   • Zuständig für Feinabstimmung von Bewegung & Gleichgewicht

   • Reziproke Rückprojektionen zu den Vestibulariskernen

2. Zum Hypothalamus:

   • Beteiligung an vegetativen Reaktionen (z. B. Übelkeit bei Schwindel)

3. Zum Thalamus → Kortex:
   

   • Übertragung an:

     • Primärer somatosensorischer Kortex

     • Sekundärer somatosensorischer Kortex

     • Insulärer Kortex (Inselrinde)

   • → Dort entsteht die bewusste Wahrnehmung der Körperlage

4. Zu den Augenmuskelkernen im Mittelhirn:

   • Wichtig für reflektorische Augenbewegungen (Vestibulo-okulärer Reflex, VOR)

   • Funktion: Kompensation von Kopfbewegungen, um stabile Sicht zu ermöglichen

   • Hier erfolgt auch Integration mit Informationen aus:

     • Auge

     • Nackenmuskulatur

   • Fehlanpassungen an dieser Stelle → Ursache für Bewegungskrankheit

5. Zu Motoneuronen im Rückenmark:

   • Zuständig für:

     • Reflexe zur Haltungsregulation

     • Feinsteuerung des Gangs

   • Integration ermöglicht stabile Körperhaltung trotz Bewegung

 

 

 

Bewusste Körperwahrnehmung

 

• Entsteht im:

  • Sekundären somatosensorischen Kortex

  • Insulären Kortex

• Dort erfolgt:

  • Integration vestibulärer Infos mit:

    • Hautreizen (Druckrezeptoren)

    • Gelenkstellungen (Propriozeption)

• Ziel: Ganzheitliches Körperschema im Raum → Grundlage für Handlung, Orientierung, Gleichgewicht.