Fundamentale Frage der Informationsübertragung im Ohr mittels höchstauflösender Elektrophysiologie geklärt

Sinnesforscher entschlüsseln 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)“.

(umg/MPIbpc) 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. 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 Nervensystem.

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 Nobelpreisträger 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 beiträgt. Somit ist sie paradigmatisch für das geplante MBExC.“