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Wie das Hören gelingt: Göttinger Wissenschaftler entschlüsseln Details

Mechanismen der Transmitterfreisetzung Wie das Hören gelingt: Göttinger Wissenschaftler entschlüsseln Details

Das Phänomen „Hören“ birgt noch zahlreiche Rätsel. Eines davon: Auf welche Weise gelingt die Wandlung von Schallwellen in elektrische Signale, die das Gehirn weiterverarbeiten kann.

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Hören: auf welche Weise gelingt die Freisetzung von Botenstoffen so außerordentlich effektiv?

Quelle: dpa

Göttingen. Und zwar so unglaublich schnell, dass sie dem Hörreiz mit einer Präzision von weniger als einer Tausendstel Sekunde folgen kann? Göttinger Wissen-schaftler haben jetzt einen mikroskopischen Mechanismus im Ohr entschlüsselt, der entscheidend für die Weitergabe von Hör-Informationen an das Gehirn ist.

Die Hörforschung hat bisher nur theoretische Annahmen darüber, wie genau in der Haarzelle der Botenstoff in winzigsten membran-umhüllten Containern (synaptische Vesikel) transportiert und für die Freisetzung vorbereitet wird. Sie konnte bislang nicht klären, auf welche Weise die Freisetzung von Botenstoffen in der Haarzelle erfolgt.

In der klassischen Theorie der Transmitterfreisetzung wird davon ausgegangen, dass es einzelne synaptische Vesikel sind, die mit der Zellmembran fusionieren (uniquantale Freisetzung). Dagegen besteht im Bereich der Hörforschung seit etwa zwei Jahrzehnten die Annahme, dass jede Freisetzung durch mehrere Vesikel befördert wird. Bisher wurde von einer mehr oder weniger synchronisierten Fusion von etwa sechs Vesikeln ausgegangen.

Wissenschaftler der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) und zweier Max-Planck-Institute, die im Göttinger Sonderforschungsbereich SFB 889, dem Bernstein Zentrum für theoretische Neurowissenschaften (BCCN) und dem DFG-Forschungszentrum für Mikroskopie im Nanometerbereich und Molekularphysiologie des Gehirns (CNMPB) zusammenarbeiten, schlagen aufgrund neuer experimenteller Ergebnisse und theoretischer Modelle eine Abkehr von der Annahme der multiquantalen Freisetzung vor. Sie haben Hinweise gefunden, dass an der aktiven Zone der Haarsinneszelle die uniquantale   Freisetzung vorherrscht. Diese wird allerdings durch das Verhalten der Fusionspore – einer Eiweißpore, die die Fusion der Membranen initialisiert – reguliert.

„So wird Vieles besser erklärbar: etwa die Vielfalt der Erregungsmuster, die wir beobachten können, und ihre mögliche Regulation in der Haarzelle. Auch die Effizienz der Kodierung von Hörreizen an der Haarzellsynapse wird nachvollziehbar, wenn wir davon ausgehen können, dass ein Nervenimpuls durch die Freisetzung eines einzelnen Vesikels ausgelöst wird“, sagt Prof. Tobias Moser, Sprecher des SFB 889.

Zusammenspiel von Theorie und Experiment

In früheren Forschungsarbeiten hatten Moser und Kollegen bereits die Freisetzungsrate an den Synapsen auf maximal 700 Vesikel pro Sekunde geschätzt. Bei einer synchronisierten Freisetzung von sechs Vesikeln, würde dies in der Hörnerven-faser bestenfalls zirka 100 Nervenimpulse pro Sekunde auslösen. Die Hörnervenfasern können jedoch mindestens zwei- bis dreimal so oft „feuern“. Diese Diskrepanz und andere Widersprüche motivierten die Forscher. Auf der Suche nach einer alternativen Erklärung fanden sie schließlich zahlreiche Hinweise für die uniquantale Freisetzung und konnten deren Plausibilität durch Modellbildung weiter erhärten.

„Diese Studie zeigt beispielhaft, wie komplexe neurobiologische Probleme durch das Zusammenspiel von Theorie und Experiment erfolgreich angegangen werden können. Vorhersagen aus den mathematischen Modellen konnten experimentell getestet werden“, sagt Prof. Fred Wolf, Sprecher des Bernstein Zentrum für theoretische Neurowissenschaften (BCCN).  Dabei war die Kombination mehrerer experimenteller Methoden von entscheidender Bedeutung für die Konstruktion der mathematischen Modelle.

„Die experimentelle Bestimmung der Größe der synaptischen Vesikel an der Plasmamembran widersprach dem, was nach den Modellen der multiquantalen Freisetzung an Vergrößerung der synaptischen Vesikel kurz vor ihrer Fusion mit der Plasmamembran zu erwarten gewesen wäre“, sagt Dr. Carolin Wichmann, Leiterin der Arbeitsgruppe Molekulare Architektur von Synapsen.

Prof. Stefan Hell, Direktor am Göttinger MPI für biophysikalische Chemie, weist auf den Nutzen der höchstauflösenden Lichtmikroskopie in den Lebenswissenschaften hin. Er werde in dieser quantitativen Studie zur synaptischen Schallkodierung sehr deutlich. „Die mit der STED-Mikroskopie erfasste Verteilung der Glutamatrezeptoren bildet die Grundlage für die sehr effiziente Übertragung“, so Hell.

umg/chb

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