AUDITIEF SYSTEEM

CURSUS NEUROBIOFYSICA

Dr. J.A.M. van Gisbergen

OVERZICHT

anatomie auditief systeem

functie middenoor

mechanica van de cochlea

haarcellen

codering in gehoorzenuw

GELUID

AUDIOGRAM

hoordrempel als functie van toon frequentie

gehoorverlies als functie van leeftijd

vooral bij hoge frequenties

OVERZICHT AUDITIEF SYSTEEM

FUNCTIONEEL OVERZICHT

• binnenoor brengt geluid in lucht over naar vloeistoffen in binnenoor

• in het binnenoor vertoont de basilaire membraan een frequentie afhankelijk trillingspatroon

• dit patroon wordt door haarcellen gedetecteerd en doorgegeven aan gehoorzenuwvezels

FUNCTIE MIDDENOOR

1. middenoor reflex (bescherming tegen lawaai)

2. impedantie aanpassing (geluid in lucht => geluid in vloeistof) die berust op 2 mechanismen:

• oppervlak trommelvlies is groter dan de stijgbeugel voetplaat, hierdoor ontstaat drukverhoging

• hefboomwerkíng van de middenoorbotjes versterkt dit effect nog

ANATOMIE COCHLEA

de cochlea is een spiraalvormig gewonden buis met 3 windingen, gevuld met vloeistof

op dwarsdoorsnede drie compartimenten: scala vestibuli, scala media en scala tympani

de stijgbeugel brengt via het ovale venster de drukvariaties over in de scala vestibuli. Als de druk oploopt in de vloeistofcompartimenten buigt het ronde venster, een onderdeel van de scala tympani, uit naar de middenoor ruimte.

ANATOMIE COCHLEA

op dwarsdoorsnede drie compartimenten:

• scala vestibuli

• scala media

• scala tympani

COCHLEA

BASILAIRE MEMBRAAN

de basilaire membraan is breed in de top (apex) en smal aan de basale kant

STIJFHEID BASILAIRE MEMBRAAN

de stijfheid van basilaire membraan is gekoppeld aan haar breedte en bepaalt de frequentie gevoeligheid

MECHANICA VAN DE COCHLEA

MECHANICA COCHLEA

hoge frequenties bij stapes, aan basale kant

lage frequenties apicaal

gemeten aan dode cochlea

(von Bekesy)

MECHANICA BERUST OP EEN PASSIEF EN EEN ACTIEF MECHANISME

mechanica van de basilaire membraan vertoont bij levend dier veel scherpere filtering

er moet dus naast de passieve mechanica ook nog een actief mechanisme zijn

Waarop berust het actieve mechanisme?

BINNEN EN BUITEN HAARCELLEN

• de meeste gehoorzenuw vezels zijn verbonden met binnenhaarcellen: binnenhaarcellen zijn sensorisch

• buitenhaarcellen blijken motorische functie te hebben

BINNEN EN BUITEN HAARCELLENIN BOVENAANZICHT

HAARCELLEN ZIJN GEPOLARISEERD

afbuiging ciliën in richting kinocilium geeft depolarisatie

afbuiging in tegengestelde richting geeft hyperpolarisatie

nietlineair gedrag:

eenzijdige gelijkrichter

GELIJKRICHTING IN HAARCELLEN

• afbuiging van ciliën in richting kinocilium geeft sterke depolarisatie

• afbuiging in tegenovergestelde richting geeft zwakke hyperpolarisatie

GELIJKRICHTING IN HAARCELLEN

haarcel geeft bij hoge frequenties de individuele perioden niet door (laag doorlaat filter)

NEURALE TUNING CURVE

• meet actiepotentialen van één gehoorzenuw vezel

• bepaal voor elke tonale frequentie de drempel waarbij vezel net vuurt

• gevoeligste frequentie wordt CF genoemd (characteristic frequency)

• de CF verschilt van vezel to vezel

NEURALE TUNING CURVES

tuning curves van 6 verschillende gehoorzenuw vezels

waarom zijn de CFs zo verschillend?

NEURALE TUNING CURVES

CF hangt samen met plaats op de cochlea waarmee vezel verbonden is

hoge CFs aan de basale kant (rechts in figuur)

VERGELIJKING MET AUDIOGRAM

NEURALE EN MECHANISCHE TUNING

breedte van de neurale tuning curve weerspiegelt mechanische tuning van de cochlea ter plaatse

ROL BUITENHAARCELLEN IN ACTIEF PROCES

• na verlies van buitenhaarcellen verliest de neurale tuning curve zijn scherpe punt

• hetzelfde geldt voor de mechanische tuning curve van de cochlea

• gevolg: hardhorendheid en slechte frequentie resolutie

alleen passief proces blijft over

BUITENHAARCELLEN WERKEN ALS MOTOR

In vitro experimenten met geïsoleerde buitenhaarcellen:

• depolarisatie doet de cel verkorten

• hyperpolarisatie geeft verlenging

BUITENHAARCELLEN VERSTERKEN BEWEGING BASILAIRE MEMBRAAN

verkorten

verlengen

BUITENHAARCELLEN VERSTERKEN BEWEGING BASILAIRE MEMBRAAN

actief mechanisme van de buitenhaarcellen wordt in gang gezet door de passieve mechanica (lopende golf)

PRESTINE EIWIT IN BUITENHAARCELLEN

prestin kleuring controle kleuring beide kleuringen

PRESTINE KNOCKOUT MUIS

muizen waarbij prestine gen ontbreekt hebben veel hogere drempels, vooral bij hogere frequenties (actief mechanisme ontbreekt)

PRESTINE ALS MOLECULAIRE MOTOR

prestine

configuratie prestine eiwit verandert, afhankelijk van membraan potentiaal

PRESTINE ALS MOLECULAIRE MOTOR

Fettiplace (2006) Nature reviews neuroscience

PRESTINE ALS MOLECULAIRE MOTOR

verkorting bij depolarisatie

PROBLEEM MET DEZE THEORIE

haarcellen werken als laagdoorlaat filter (boven 1-a 2 kHz)

hoe kunnen ze dan prestine motor activeren bij veel hogere frequenties?

nog onopgelost

PHASE LOCKING IN GEHOORZENUW

spikes komen bij voorkeur bij bepaalde fase van de toon

treedt alleen op bij lage frequenties

van belang voor geluidslocalisatie

spike komt niet bij elke periode, daarom veel vezels nodig

PHASE LOCKING IN GEHOORZENUW

verdwijnen phase lock bij hogere frequenties komt door laag doorlaat filtering binnenhaarcellen

SAMENVATTING COCHLEAIRE MECHANISMEN

• middenoor reflex en impedantie aanpassing in middenoor

• frequentie analyse basilaire membraan

• passief mechanisme

• actief mechanisme

• sensorische transductie in haarcellen

• gelijkrichting

• laag-doorlaat filter (beperkt phase locking)

• spike codering in gehoorzenuwvezels

PARALLELE KANALEN IN CZS

• gehoorzenuwvezels projecteren naar 3 cochleaire kernen

• maken daar contact met groot aantal neuronen met verschillende specialisaties

HOGERE CENTRA

THE END