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Neue Erkenntnisse: Datenübertragung im Innenohr ist höchst effizient

Nur nichts verschwenden Neue Erkenntnisse: Datenübertragung im Innenohr ist höchst effizient

Die Haarzellen des Innenohres übersetzen feinste Vibrationen in Nervenimpulse. Durch genau abgestimmte biophysikalische Prozesse gelingt es ihnen, akustische Signale in elektrische Impulse zu übersetzen, die ins Gehirn „gefunkt“ werden.

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Kurzer Weg: Calziumionen müssen nur eine winzige Distanz zurücklegen, um in den Haarzellen ihre Empfangsstation zu erreichen.

Quelle: Gabrielaitis

Göttingen. Wissenschaftler der Universitätsmedizin Göttingen (UMG), des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation und des Bernstein Zentrum Göttingen haben untersucht, wie kurz die Wege sind, über die sich der Botenstoff Calcium in der Zelle ausbreitet und wie genau dieser Botenstoff dabei auf Kurs gehalten wird.

Sinnes- und Nervenzellen übertragen Informationen durch spezialisierte Zellkontakte, die  Synapsen. Die Synapsen übertragen Informationen, indem eine der Zellen in Bläschen (Vesikel) gespeicherte Botenstoffe freisetzt, die von der Nachbarzelle erkannt werden können. Die Anweisung zur Freisetzung der Botenstoffe gibt die „sendende “ Zelle mit Hilfe von Calciumionen. In ihrer Zellmembran befinden sich molekulare „Poren“, sogenannte Ionenkanäle, die die Erregung der Zelle registrieren und ab einem bestimmten Niveau Calciumionen in die Zelle einfließen lassen. In Haarzellen bilden diese Poren die Übersetzungsmaschine zwischen den akustischen Signalen und den Nervenimpulsen, die ans Gehirn gesendet werden.

Um ihren Auftrag zu erfüllen, müssen die Calciumionen zügig ihre Empfängerstation auf dem Vesikel erreichen. Dieser molekulare Sensor befindet sich nach den Berechnungen der Forscher weniger als 20 Nanometer von der Eintrittsstelle der Ionen in die Zelle entfernt. Es ist physikalisch unvermeidlich, dass sich viele der Ionen als Irrläufer in die falsche Richtung bewegen. Ohne weitere Vorsichtsmaßnahmen würden diese Ionen außerhalb der Kontaktstellen die Freisetzung von Botenstoffen auslösen – dort können sie aber nicht erkannt werden.

Da nach jeder Freisetzung Vesikel und Botenstoffe recycelt werden müssen, wäre eine solche Freisetzung am falschen Ort eine erhebliche Energieverschwendung.
Die Ergebnisse des Teams um die Professoren Tobias Moser und Fred Wolf zeigen, dass die Haarzellen im Innenohr spezielle Eiweiße, sogenannte Calciumpuffereiweiße, verwenden, um „fehlgeleitete“ Ionen einzufangen. Drei verschiedene Calciumpufferproteinen finden sich in großer Konzentration.

Ermöglicht wurden die Arbeiten durch eine von Prof. Beat Schwaller entwickelte Triple-Knock-Out Maus, in der alle wesentlichen Calciumpufferproteine genetisch entfernt wurden. Mit ihrer Hilfe konnten Tina Pangrsic und Nicola Strenzke an der UMG erstmals untersuchen, wie sich die Freisetzung der Botenstoffe und die neuronale Kodierung bei Abwesenheit der Calciumpuffer verändern.

„Bei der Triple-Knock-Out-Maus werden viel mehr der Vesikel freigesetzt“, so Pangrsic. Das konnten die Forscher mit einer von Erwin Neher in Göttingen entwickelten Messmethode für die Zelloberfläche nachweisen, die sich mit jedem freigesetzten Vesikel um ein winziges Flächenstück vergrößert. „In den Hörnervenzellen – die über Synapsen den Botenstoff der Haarzellen erhalten – war diese zusätzliche Freisetzung jedoch nicht nachweisbar, sie verhielten sich völlig normal“, so Strenzke. „Im Inneren der Haarzelle wird also eine unnötig große Maschinerie in Gang gesetzt und Botenstoff auch außerhalb der Synapsen freigesetzt, wo er seine Wirkung nicht entfalten kann.“

Die beiden Forscher Mantas Gabrielaitis und Prof. Fred Wolf haben ein Computermodell entwickelt, das die Bewegungen der Calciumionen und die Rolle der Calcium bindenden Eiweiße berechnet. Diese Eiweiße „helfen der Haarzelle, das Calcium-Signal auf die Synapse zu fokussieren und so Hörreize mit minimalem Energieeinsatz an das Gehirn weiterzugeben “, erklärt Gabrielaitis.

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