Hörerlebnis chemisch untersucht Wie Moleküle im Gehirn unsere Klangwahrnehmung beeinflussen

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So wie wir aus einer Suppe einzelne Zutaten herausschmecken, so können wir auch aus einem Durcheinander von Geräuschen einzelne Elemente wie eine bekannte Stimme herausfiltern. Forscher haben nun gezeigt, dass diese Fähigkeit mit der Bewegung von Kalziumkanälen im Gehirn zusammenhängt. Die Studienergebnisse geben auch neue Ansätze zur Behandlung von Hörstörungen und neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie.

Stellen Sie sich vor, Sie könnten jedes Instrument in einem Orchester einzeln hören und doch gleichzeitig das Stück als harmonisches Ganzes wahrnehmen. Diese Fähigkeit, also aus einem Meer von Geräuschen spezifische Klänge herauszufiltern und zu einem sinnvollen Ganzen zusammenzufügen, ermöglicht unser Hörkortex.

Der Hörkortex ist der Bereich unseres Gehirns, der für die Verarbeitung und Interpretation von Geräuschen und Klängen zuständig ist. Wie ein Dirigent, der ein Orchester leitet, organisiert der Hörkortex die komplexen Außengeräusche, sodass wir in der Lage sind, Geräusche und Klänge zu interpretieren und in verständliche Einheiten umzuwandeln: das Lachen eines Freundes, das Zwitschern der Vögel oder ein bekanntes Lied, das wir aus der Menge der Geräusche des Alltags heraushören.

Konzepte und Wahrnehmung im Gehirn

Wenn das Telefon im Gehirn klingelt, obwohl es gar nicht da ist

Bewegungsfreiheit von Kalziumkanälen prägt das Hörerlebnis

Eine neu veröffentlichte Studie von Prof. Max Happel an der MSB Medical School Berlin und weiterer Kooperationspartner zeigt, welche entscheidende Rolle die Beweglichkeit von Kalziumkanälen (CaV2.1 VGCCs) spielt, die in der Zellmembran von Nervenzellen im Hörkortex bei der Verarbeitung von Klängen helfen. Die Forscher fanden heraus, dass diese Beweglichkeit für die präzise Verarbeitung von hochsynchronisierten Eingangssignalen notwendig ist, wie sie z. B. bei der Wahrnehmung schneller Rhythmen auftreten. Eine eingeschränkte Beweglichkeit dieser Kanäle in der Membran kann dazu führen, dass unser Gehirn weniger effektiv auf solch rasche Abfolgen von Klängen reagiert, was die Qualität unseres Hörerlebnisses beeinträchtigt. „Unsere Forschung unterstreicht das komplexe Zusammenspiel zwischen molekularer Dynamik und der Fähigkeit des Gehirns, Klänge zu verarbeiten“, sagte Katrina E. Deane, die Erstautorin der Studie. „Wir haben zeigen können, dass die Beweglichkeit der Kalziumkanäle in der Membran im Hörkortex entscheidend dazu beiträgt, dass wir eine Vielzahl von Klanginformationen in unsere wahrgenommene Realität integrieren können.“

Optogenetik: Ein Fenster zur molekularen Dynamik

Ohne die korrekte Funktion dieser Kalziumkanäle wäre die Fähigkeit des Hörkortex, Schallereignisse zu differenzieren und in eine stimmige Wahrnehmung umzuwandeln, beeinträchtigt. Die Forschenden setzten eine neue optogenetische Technik ein, die es ermöglicht, mit Licht die Funktion spezifischer Moleküle in lebenden Organismen zu steuern. Mit dieser Technologie lassen sich genetisch veränderte Moleküle durch Laserlicht aktivieren oder deaktivieren. Darüber können die Forschenden die Bewegung der Kalziumkanäle direkt beeinflussen und so die unmittelbaren Auswirkungen auf die Hirnfunktion beobachten.

Mit diesem Verfahren haben die Wissenschaftler mittels Laserlicht winzige, für das Hören relevante Moleküle in den Nervenzellen von Mäusen vorübergehend ‚festgeklebt‘. Dadurch konnten die Forschenden beobachten, wie sich das Hörverhalten ändert, wenn diese Moleküle weniger beweglich sind. Im Ergebnis stellten sie fest, dass die zeitlich präzise Verarbeitung von akustischen Signalen auf der Beweglichkeit der Kalziumkanäle beruht. Können die Moleküle nicht frei tanzen, verringert das die Fähigkeit des Gehirns, die Klänge der Außenwelt zu einem klaren Gesamtbild zusammenzufügen.

Potenziale für medizinische Forschung und Therapie

„Mit dieser innovativen Methode konnten wir erstmalig in einem lebenden Organismus verstehen, wie sehr die Dynamik von Ionenkanälen auf molekularer Ebene mit der Funktionsweise unseres Gehirns und der Wahrnehmung zusammenhängen“, sagt Studienleiter Happel. „Das bessere Verständnis eröffnet uns auch neue Wege bei potenziellen Anwendungen zur Behandlung von Krankheitsbildern, die mit Kalziumkanälen in Verbindung stehen, wie beispielsweise der Epilepsie.“ Daher ist die Untersuchung des Hörkortex nicht nur für die Neurowissenschaft von fundamentaler Bedeutung, sondern hat auch praktische Implikationen für die medizinische Forschung und Behandlung.

Originalpublikation: Katrina E. Deane, Ruslan Klymentiev, Jennifer Heck, Melanie D. Mark, Frank W. Ohl, Martin Heine, Max F. K. Happel: Inhibiting presynaptic calcium channel motility in the auditory cortex suppresses synchronized input processing, Front. Cell. Neurosci., 10 April 2024, Volume 18 - 2024; DOI: 10.3389/fncel.2024.1369047

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