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Anna Wittekindt

• Die Haarzellen des Innenohrs setzen durch Schallreize ausgelöste Schwingungen der Basilarmembran in elektrische Impulse um, die über Nerven an das Gehirn geleitet werden und dort nach komplexer neuronaler Verarbeitung die Hörwahrnehmung auslösen. Gleichzeitig erhalten die äußeren Haarzellen über absteigende Nervenverbindungen, die olivo-cochleären Neurone, auch Informationen vom Gehirn, durch die ihre Empfindlichkeit verändert werden kann. Über die Mechanismen dieser efferenten Beeinflussung der Reizverarbeitung im Innenohr ist noch wenig bekannt und auch ihre biologische Funktion ist noch nicht geklärt. Diskutiert wird eine Rolle bei der Verbesserung des Signal-Hintergrundrausch-Verhältnisses und im Zusammenhang mit selektiver Aufmerksamkeit, durch die relevante Anteile der akustischen Umwelt gezielt „herausgehört“ werden können. Ziel dieser Promotionsarbeit ist die Untersuchung der efferenten Beeinflussung der Vorgänge im Innenohr mithilfe der nicht-invasiven Messung von akustischen Beiprodukten der aktiven Reizverstärkung durch die äußeren Haarzellen, den otoakustischen Emissionen. Bei dieser Methode werden mit einem empfindlichen Mikrophon im Gehörgang Schallereignisse aufgenommen, die das Ohr selbst produziert. Die olivo-cochleären Efferenzen können experimentell durch Applikation von Rausch-Stimuli auf dem kontralateralen Ohr aktiviert werden und ihre Wirkung auf die Empfindlichkeit des Innenohrs anhand der Veränderungen der otoakustischen Emissionen auf dem anderen, ipsilateralen Ohr gemessen werden. In Messungen unterschiedlicher Typen von otoakustischen Emissionen am Menschen und an der Mongolischen Wüstenrennmaus konnten deutliche Veränderungen der otoakustischen Emissionen bei gleichzeitiger Beschallung des kontralateralen Ohrs gezeigt werden, die als Modulation der Haarzelleigenschaften und Beeinflussung der cochleären Verstärkung durch Aktivierung der absteigenden Nervenbahnen interpretiert werden können: Spontane otoakustische Emissionen (SOAE), die ohne jegliche akustische Stimulation vom Innenohr generiert werden, zeigten bei kontralateraler akustischer Stimulation eine Verminderung ihres Pegels und eine Erhöhung ihrer Frequenz. Die Pegelverminderung deutet auf eine Dämpfung der cochleären Verstärkungsmechanismen und die Frequenzerhöhung auf eine Erhöhung der Steifigkeit im Corti-Organ und hierdurch veränderte Resonanzeigenschaften nach Aktivierung der efferenten Neurone hin. Distorsionsprodukt-otoakustische Emissionen (DPOAE), die bei Stimulation mit zwei Reintönen (f1 und f2) in Folge der nichtlinearen Verstärkung durch die äußeren Haarzellen entstehen, waren durch kontralaterale akustische Stimulation ebenfalls klar in ihrem Pegel beeinflusst. Die Effekte, sowohl auf SOAE als auch auf DPOAE, waren abhängig vom Pegel des kontralateralen Stimulus und traten bereits bei niedrigen kontralateralen Stimuluspegeln, deutlich unter der Schwelle des Mittelohrreflexes, auf. Durch ihren Zeitverlauf konnten die Effekte den in der Literatur beschriebenen efferenten Vorgängen zugeschrieben werden. Bei anhaltender akustischer Stimulation traten Adaptationsphänomene auf. Weiterhin zeigte sich in Experimenten mit kontralateralem Schmalbandrauschen und Reintönen, dass die efferente Modulation selektiv auf bestimmte Bereiche des tonotop organisierten Innenohrs zielt, also frequenzspezifisch agiert, wobei Reintöne mit Frequenzen, die etwas tiefer als die Stimulationsfrequenz lagen, die größten Effekte erzielten. Dies steht in guter Übereinstimmung zu anatomischen Daten. Besonders interessant an den DPOAE-Messungen war, dass das quadratische Distorsionsprodukt der Frequenz f2-f1 wesentlich empfindlicher reagierte als das kubische Distorsionsprodukt der Frequenz 2f1-f2. Bisher gibt es kaum Daten zu Veränderungen der f2-f1-DPOAE durch efferente Mechanismen. Die beiden DPOAE-Typen sind durch unterschiedliche Parameter der dem Verstärkungsprozess zu Grunde liegenden Transferfunktion beeinflusst, und die experimentell nachgewiesenen Unterschiede deuten darauf hin, dass die Aktivierung der olivo-cochleären Efferenzen ihre dämpfende Wirkung auf die Schallverarbeitung im Innenohr durch eine Verschiebung des Arbeitspunktes der Transfercharakteristik des cochleären Verstärkers entfaltet. Diese Hypothese wurde an der Wüstenrennmaus durch einen ergänzenden methodischen Ansatz unterstützt, bei dem zusätzlich zur Evozierung und Messung von DPOAE mit und ohne gleichzeitiger kontralateraler Aktivierung der Efferenzen ein sehr tieffrequenter „Bias“-Ton mit hohem Pegel appliziert wurde, der das Corti-Organ und damit den Arbeitspunkt des cochleären Verstärkers periodisch auslenkte. Diese Tieftonstimulation hatte eine sehr starke, von der Phase des Bias-Tons abhängige Modulation des f2-f1-Pegels zur Folge, während 2f1-f2 kaum beeinflusst wurde. Das Muster der f2-f1-Pegelmodulation änderte bei zusätzlicher kontralateraler Schallapplikation deutlich seinen Charakter. Entsprechende Veränderungen in den Verzerrungsmustern konnten mithilfe eines einfachen Modells zur DPOAE-Generation, das auf der Beschreibung des Verstärkungsmechanismus durch eine Boltzman-Funktion basierte, simuliert werden. Die Befunde der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Schallverstärkung im Innenohr durch efferente Mechanismen moduliert wird und dies anhand der nicht-invasiven Messung von otoakustischen Emissionen nachweisbar ist. Dabei deuten die Ergebnisse auf eine Verschiebung des Arbeitspunktes der Transfercharakteristik des cochleären Verstärkers als Mechanismus der olivo-cochleären Modulation der Reizverarbeitung im Innenohr hin.
• In the mammalian cochlea, mechanosensory hair cells are the key elements for the transduction of sound into electrical potentials, which are transmitted to the brain via afferent fibres and cause the perception of hearing. In parallel, the outer hair cells are densely innervated by efferent neurons of the olivo-cochlear bundle, which is part of the descending auditory pathway and can modulate the outer hair cells’ sensitivity. The specific mechanisms and functions of this efferent modulation of sound processing in the inner ear are still unclear. The aim of this study was to investigate the efferent influence on the inner ear by means of the non-invasive measurement of otoacoustic emissions (OAE). Otoacoustic emissions are acoustic signals produced by the inner ear during active amplification of low-level sound and can be measured in the outer ear channel by a sensitive microphone. Experimentally, the olivo-cochlear efferents can be activated by contralateral acoustic stimulation, and its impact on the cochlear amplifier can be monitored by measuring otoacoustic emissions in the ipsilateral ear. Changes in the otoacoustic emissions due to contralateral sound reflect changes in the amplification process and the hair cell properties due to efferent mechanisms. In experiments in humans and in the mongolian gerbil, otoacoustic emissions were shown to be significantly influenced by contralateral acoustic stimulation. This can be interpreted as the result of the modulation of sound processing by efferent neurons. Spontaneous otoacoustic emissions (SOAE), which are generated without any external stimulation decreased in level, and simultaneously the SOAE frequency shifted upwards. These observations seem to indicate that the efferents suppress the outer hair cell electromotility and increase the stiffness in the organ of corti, therefore changing its resonance properties. Distortion product otoacoustic emissions (DPOAE), which are generated during two-tone stimulation with two sinusoids (f1 and f2) due to non-linear amplification by outer hair cells, were also clearly affected by activation of the efferent system. The extent of the effect depended on the contralateral sound level, with significant effects already appearing at very low contralateral sound levels, and not caused by the middle ear reflex. By means of their timecourse, the effects of contralateral acoustic stimulation on otoacoustic emissions could be ascribed to efferent mechanisms as described in the literature. During long-term contralateral stimulation, additional adaptation-like phenomena appeared. In experiments including contralateral stimulation with pure tones and narrow-band noise of varying center frequency, a frequency specificity of the efferents could be demonstrated: Contralateral frequencies slightly below the stimulation frequency induced the biggest effects, an observation which corresponds well to the innervation pattern of the olivo-cochlear projections in the tonotopic cochlea. Interestingly, in all DPOAE measurements, the quadratic distortion product at frequency f2-f1 was affected much stronger than the cubic distortion product at frequency 2f1-f2. So far, there are only few studies focussing changes in the f2-f1 DPOAE due to efferent induced mechanisms. Both types of DPOAE, quadratic and cubic, reflect different parameters of the non-linear transfer function of the outer hair cell transduction and amplification, and the sensitivity of f2-f1 for efferent stimulation seems to indicate a shift of the operating point of the cochlear amplifier transfer function. This hypothesis was confirmed by an additional methodological approach, which uses a low frequency “bias-tone” of high level to shift the cochlear partition and hence the operating point of the hair cell transduction periodically. This low frequency biasing caused a strong, phase-dependent f2-f1-DPOAE level modulation, while 2f1-f2 was much less affected. The f2-f1 level modulation pattern changed considerably through additional contralateral acoustic stimulation. Similar changes of the DPOAE level patterns could be simulated by a simple model for DPOAE generation based on a Boltzman function. The present study clearly shows that the active sound amplification process in the cochlea is modulated by efferent neuronal mechanisms and that this can be demonstrated by the non-invasive method of measuring otoacoustic emissions. The results suggest that the mechanism for olivo-cochlear efferent influence on the outer hair cell function is shifting the operating point of the cochlear amplifier transfer function.