Untersuchungen zur Plastizität der laminären Dendriten im ... · der Struktur sowie der...

Aus dem Institut für Zellbiologie und Tierökologie

der Tierärztlichen Hochschule Hannover

und der Klinik für Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde

der Medizinischen Hochschule Hannover

Untersuchungen zur Plastizität der laminären Dendriten

im auditorischen Cortex von

akustisch deprivierten sowie chronisch elektrisch intracochleär stimulierten

Hauskatzen (Felis domestica)

INAUGURAL-DISSERTATION

zur Erlangung des Grades einer Doktorin

(Dr. med. vet.)

durch die Tierärztliche Hochschule Hannover

Vorgelegt von

Heike Rieger

aus Bremen

Hannover 2004

Wissenschaftliche Betreuung: Prof. Dr. rer. nat. G. Bicker

für die Tierärztliche Hochschule Hannover

Prof. Dr. rer. nat. G. Reuter

für die Medizinische Hochschule Hannover

1. Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. G. Bicker

2. Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. E. Zimmermann

Tag der mündlichen Prüfung: 24.11.2004

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Abkürzungsverzeichnis

i


AI primäres auditorisches Feld

AII sekundäres auditorisches Feld

AAF anteriores auditorisches Feld

AC auditorischer Cortex

AES anteriorer ectosylvanischer Sulcus

AVNC anteriorer ventraler Nucleus cochlearis

CAP zusammengesetztes Aktionspotential des Hörnerven („compound action

potential“)

CF charakteristische Frequenz

CI Cochlea-Implantat

CIS-Strategie “continuous interleaved sampling”-Strategie

dB Dezibel

DNC dorsaler Nucleus cochlearis

DiA 4-Di-16-ASP, Dialkylaminosteryl

DiI DiIC18(3), 1,1´-dioctadecyl-3,3,3´,3´-tetramethylindo-carbocyanine

perchlorate, Dialkylcarbocyanin

DNLL dorsaler Nucleus des lateralen Lemniscus

FAEP frühe akustisch evozierte Potentiale

FEEP frühe elektrisch evozierte Potentiale

FITC Fluoresceine-isothiocyanate

fMRI funktionelle Magnetresonanztomographie

Hz Hertz

IC inferiorer Colliculus

ICC Nucleus centralis des inferioren Colliculus

IHC innere Haarzellen („inner hair cells“)

INLL intermediärer Nucleus des lateralen Lemniscus

KGW Körpergewicht

kHz Kilohertz

LL Nucleus lemnisci lateralis, lateraler Lemniscus

LSO lateraler superiorer Olivenkern

MGB Corpus geniculatum mediale („medial geniculate body”)

MSO medialer superiorer Olivenkern


ii

MW Mittelwert

NC Nucleus cochlearis

OHC äußere Haarzellen („outer hair cells“)

p Irrtumswahrscheinlichkeit

PAF posteriores auditorisches Feld

PBS phosphate balanced salt

PEG posteriorer ectosylvanischer Gyrus

PCIT portabler Cochlea-Implantat Tester

PES posteriorer ectosylvanischer Sulcus

PFA Paraformaldehyd

PVNC posteriorer ventraler Nucleus cochlearis

SOC superiorer Olivenkomplex

SPL Lautstärke (“sound pressure level”)

SSS suprasylvanischer Sulcus

RITC Rhodamine-B-isothiocyanate

VAF ventrales auditorisches Feld

VNLL ventraler Nucleus des lateralen Lemniscus

VPAF ventroposteriores auditorisches Feld

VPON ventraler periolivärer Kern

µA Mikroampere

Inhaltsverzeichnis

I

Inhaltsverzeichnis

1. EINLEITUNG 11

2. LITERATURÜBERSICHT 13

2.1 Die Anatomie des Hörorgans 13

2.2 Die Grundlagen des Hörvorgangs 15

2.2.1 Das physiologische Hören 15

2.2.2 Das Hören mit dem Cochlea-Implantat 17

2.3 Die afferente Hörbahn 18

2.4 Der auditorische Cortex 21

2.4.1 Die Lage und makroskopische Anatomie des auditorischen Cortex 21

2.4.2 Der histophysiologische Aufbau des auditorischen Cortex 24

2.4.2.1 Die tonotope Organisation der auditorischen Felder 24

2.4.2.2 Die detaillierte Verteilung der afferenten Projektionen 25

2.4.2.3 Die intra- und intercorticalen Verbindungen

des auditorischen Cortex 28

2.4.3 Die Cytoarchitektur und neuronale Organisation des

auditorischen Cortex 31

2.5 Die Veränderungen im auditorischen System der Katze 38

2.5.1 Die physiologische Entwicklung und Ausreifung des

auditorischen Systems 38

2.5.1.1 Das Hörorgan und die afferente Hörbahn 38

2.5.1.2 Der auditorische Cortex 38

2.5.2 Die plastischen Umstrukturierungen im auditorischen System nach

neonataler akustischer Deprivation 40



Inhaltsverzeichnis

II

2.5.3 Die plastischen Umstrukturierungen im auditorischen System nach

neonataler akustischer Deprivation und anschließender chronischer

elektrischer intracochleärer Stimulation 45



2.6 Die Ziele der Untersuchung 48

3. MATERIAL UND METHODEN 49

3.1 Material 49

3.1.1 Die Versuchstiere 49

3.1.2 Die Sachmaterialien 51

3.1.2.1 Die Pharmaka 51

3.1.2.2 Die Chemikalien 51

3.1.2.3 Die Verbrauchsmaterialien 52

3.1.2.4 Die Gebrauchsgegenstände 52

3.1.2.5 Die technische Ausstattung 53

3.2 Methoden 53

3.2.1 Die experimentelle neonatale Ertaubung der Katzen 53

3.2.2 Die Implantation der elektronischen Innenohrprothesen in neonatal

experimentell ertaubte Katzen 54

3.2.3 Die chronische elektrische intracochleäre Stimulation

der neonatal ertaubten, implantierten Katzen 55

3.2.4 Die histologische Aufbereitung des auditorischen Cortex 56

3.2.5 Die Fluoreszenzfarbstoff-Tracingtechnik 56

3.2.5.1 DiA/DiI als neuronale Tracer 57

3.2.5.2 Die Methode der DiA/DiI-Färbung 57

3.2.6 Die Anfertigung der Gewebeschnitte 59

3.2.7 Die Methode der Kresyl-Violett-Färbung (NISSL-Ersatzfärbung) 61

3.2.8 Die histologisch-morphologische Auswertung des auditorischen Cortex 62

3.2.9 Die statistische Analyse 65

Inhaltsverzeichnis

III

4. ERGEBNISSE 66

4.1 Die Morphometrie der Dendriten der Laminae I bis VI im

auditorischen Cortex 66

4.1.1 Horizontale Dendritenverläufe im AAF, AI und AII 66

4.1.1.1 Hörende Versuchstiergruppe 66

4.1.1.2 Ertaubte Versuchstiergruppe 67

4.1.1.3 Chronisch elektrisch intracochleär stimulierte

Versuchstiergruppe 68

4.1.2 Diagonale Dendritenverläufe im AAF, AI und AII 69





4.1.3 Vertikale Dendritenverläufe im AAF, AI und AII 73





4.2 Der direkte Vergleich der Laminae zwischen der hörenden, neonatal

ertaubten sowie chronisch elektrisch intracochleär stimulierten

Versuchstiergruppen im AAF, AI und AII 76

4.3 Eine Zusammenfassung der Ergebnisse 76

5. DISKUSSION 80

5.1 Material und Methoden 80

5.2 Die Morphometrie der Dendriten der Laminae I bis VI im AAF, AI und AII

normal hörender Katzen 85

5.3 Die Auswirkungen einer experimentell induzierten neonatalen akustischen

Deprivation auf die Morphometrie der Dendriten der Laminae I bis VI

im AAF, AI und AII der Katze 88

Inhaltsverzeichnis

IV

5.4 Die Auswirkungen einer chronischen elektrischen intracochleären

Stimulation auf die Morphometrie der Dendriten der Laminae I bis VI

im AAF, AI und AII der Katze 94

5.5 Die Schlussfolgerungen 98

6. ZUSAMMENFASSUNG 100

7. SUMMARY 102

8. LITERATURVERZEICHNIS 104

9. ANHANG 121

9.1 Das Cochlea-Implantat 121

9.2 Die chronische elektrische intracochleäre Stimulation 122

9.3 Die Überprüfung des Hörstatus durch Messung der frühen

akustisch (FAEP) und elektrisch (FEEP) evozierten Potentiale 123

9.4 Die täglichen Körpergewichtszunahmen der Versuchstiere 125

9.5 Die Herstellung der verwendeten Chemikalien-Lösungen 127

9.5.1 PBS-Lösung (Perfusionslösung) 127

9.5.2 Paraformaldehyd-Lösung (Fixationslösung) 127

9.5.3 Agar agar (Verschluss- und Einbettmedium) 128

9.5.4 Kresyl-Violett-Färbelösung (Nissl-Ersatzfärbung) 128

9.5.5 Mowiol (Eindeckelmedium) 128

9.6 Die Fluoreszenz-Farbstoffe DiA und DiI 129

9.6.1 Die Struktur des DiA 129

9.6.2 Das Absoptions- und Emissionsspektrum des DiA 129

9.6.3 Die Struktur des DiI 130

9.6.4 Das Absoptions- und Emissionsspektrum des DiI 130

Inhaltsverzeichnis

V

9.7 Die Daten der Auswertung 131

9.7.1 Das primäre auditorische Feld (AI) 131

9.7.1.1 Hörende Tiere (Prozent) 131

9.7.1.2 Neonatal ertaubte Tiere (Prozent) 131

9.7.1.3 Neonatal ertaubte, anschließend chronisch elektrisch

intracochleär stimulierte Tiere (Prozent) 132

9.7.2 Das sekundäre auditorische Feld (AII) 132





9.7.3. Das anteriore auditorische Feld (AAF) 134





10. VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN 136

11. VERZEICHNIS DER TABELLEN 139

12. DANKSAGUNG 141

1. Einleitung

11

1. EINLEITUNG

Das Hören, als im Innenohr stattfindender Transduktionsprozess, ist auf die Funktions-

tüchtigkeit weniger tausend Hörsinneszellen angewiesen. Sind diese inneren Haarzellen

zerstört, kommt es zu einer progressiven Degeneration der in der zentralen auditorischen

Hörbahn nachgeschalteten Nervenzellen (HARDIE und SHEPHERD 1999). Ein

Charakteristikum neuronaler Zellen ist jedoch, dass diese nach ihrer Differenzierung die

Teilungsfähigkeit eingebüßt haben. Zu Beginn der Erforschung neuronaler Vernetzungen und

der Struktur sowie der Entwicklung des Großhirns wurde daher die Fragestellung

aufgeworfen, inwieweit nach Beendigung der embryonalen und neonatalen Entwicklung die

Möglichkeit einer Restrukturierung oder Plastizität innerhalb bereits entwickelter komplexer

neuronaler Strukturen stattfinden kann. Während man früher davon ausging, dass aufgrund

der Charakteristik der zugrundeliegenden zellulären Strukturen nach vollständiger Ausreifung

der cerebralen Strukturen keine Reorganisationsfähigkeit vorliegt, konnten neuere

Untersuchungen (PETITTO et al. 2000; RAUSCHECKER und KORTE 1993; REBILLARD

et al. 1977, 1980) zeigen, dass bereits spezialisierte Gehirnareale nach einem Funktionsverlust

von noch aktiven Bereichen vereinnahmt werden (sogenannte cross-modale Plastizität).

Mit Hilfe einer elektronischen Innenohrprothese (Cochlea-Implantat) können vollständig im

Innenohr ertaubten Patienten Höreindrücke vermittelt werden, die von der Wahrnehmung von

Umgebungsgeräuschen bis zu einem offenen Sprachverständnis des Patienten reichen. Bei

prälingual ertaubten Kindern kann es den Erwerb einer annähernd normalen Vokalisation

ermöglichen (SHEPHERD et al. 1997). Trotz des erfolgreichen Einsatzes des Cochlea-

Implantats bei prä- und postlingual ertaubten Patienten bestehen noch Defizite in Bezug auf

die Auswirkungen einer Taubheit sowie einer chronischen elektrischen Stimulation auf die

Funktion, Plastizität und Reifung der Nervenzellen im auditorischen Cortex.

Verschiedene Arbeiten vergangener Jahre konnten zeigen, dass eine experimentelle

Ertaubung sowie eine chronische elektrische intracochleäre Stimulation Auswirkungen auf

die Physiologie der zentralen auditorischen Hörbahn nach sich zieht (CORDS 1996; KELLER

1997). Auf morphologischer Ebene konnten in diversen Schaltzentren der Hörbahn (HEID et

al. 1998; SNYDER et al. 1990; TERAYAMA et al. 1977; VOGT et al. 1997) sowie dem

auditorischen Cortex (REUTER et al. 2002b; WENKE 1999; WURTH 1999) Veränderungen

im Zellbild beobachtet werden.

1. Einleitung

12

Hinweise darauf, dass eine experimentell erzeugte Taubheit auch funktionelle Auswirkungen

auf den auditorischen Cortex, als höchste Station der zentralen Hörbahn hat, konnten

insbesondere DINSE et al. (1997) und IRVINE et al. (2001) nachweisen. Wie es zu dieser

funktionellen Umstrukturierung kommt und inwieweit dieser eine Veränderung der

neuronalen Verknüpfung in den auditorischen Feldern zugrunde liegt, ist jedoch noch nicht

bekannt.

In der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, inwieweit durch eine experimentelle

direkte Stimulation des Hörnerven mittels Cochlea-Implantat bei neonatal ertaubten

Individuen eine Plastizität im auditorischen Cortex induziert werden kann. Dazu wurde das

Tiermodell der neonatal ertaubten Hauskatze als Modell für prälingual ertaubte Kinder

verwendet.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist ein Vergleich der Struktur der Dendriten innerhalb des

auditorischen Cortex normal hörender, neonatal experimentell ertaubter sowie neonatal

experimentell ertaubter, anschließend chronisch elektrisch intracochleär stimulierter Katzen.

Dazu wird mit Hilfe einer Tracingtechnik unter Verwendung von Fluoreszenzfarbstoffen

gearbeitet. Innerhalb des anterioren, primären und sekundären auditorischen Feldes wird jede

der sechs corticalen Schichten betrachtet.

Insbesondere soll in dieser Arbeit der Frage nachgegangen werden, inwieweit es durch eine

neonatale Ertaubung zu einer qualitativen und/oder quantitativen Veränderung der Dendriten

im auditorischen Cortex kommt und ob diese durch den Einsatz eines Cochlea-Implantats

beeinflusst werden kann.

2. Literaturübersicht

13

2. LITERATURÜBERSICHT

2.1 Die Anatomie des Hörorgans

Das Hörorgan besteht aus einer Reihe informationsaufnehmender und informations-

übertragender Elemente. Funktionell und anatomisch besteht es aus drei Abschnitten: dem

äußeren Ohr, dem Mittel- und dem Innenohr (Abb. 1).

Das Außenohr (Auris externa) wird von der Ohrmuschel (Auricula) und dem äußeren

Gehörgang (Meatus acusticus externus) gebildet. Das membranöse Trommelfell (Membrana

tympani) schließt den äußeren Gehörgang ab und bildet die Grenze zum luftgefüllten,

schleimhautausgekleideten Mittelohr (Auris media). Zu den Strukturen des in der Pars

tympanica des Felsenbeins gelegenen Mittelohres gehört die medial vom Trommelfell

gelegene Paukenhöhle (Cavum tympani) mit den drei Gehörknöchelchen (Ossicula auditus).

Von diesen ist der Stiel des Hammers (Malleus) mit dem Trommelfell verwachsen und über

den Amboss (Incus) mit dem Steigbügel (Stapes) verbunden. Die Ossicula bilden ein an

Bändern, Sehnen und Bindegewebe aufgehängtes Hebelsystem zur Schallübertragung auf das

Innenohr (Auris interna).

Abb. 1: Schematische Darstellung der Kranialansicht eines Transversalschnittes durch das rechte Ohr einer Katze (aus HUDSON und HAMILTON 1993)

1 Schädeldach; 2 M. temporalis; 3-6` äußeres Ohr: 3-4 Ohrmuschelknorpel, (3 Scapha, 4 Concha), 5 Halbringförmiger Knorpel, 6 Äußerer Gehörgang (vertikaler Anteil), 6`Äußerer Gehörgang (horizontaler Anteil); 7-12 Mittelohr: 7 Bulla tympanica, 8 Septum bullae, 9 Trommelfell, 10 -12 Knochen des Ohres (10 Hammer, 11 Amboss, 12 Steigbügel); 13 Ohrtrompete (Eustachische Röhre); 14 Pars petrosa der Felsenbeinpyramide; 15-17 Knöchernes Labyrinth: 15 Bogengänge, 16 Vestibulum, 17 Cochlea


14

Im Innenohr befindet sich, neben dem Vestibularapparat, das im inneren Gehörgang (Meatus

acusticus internus) gelegene eigentliche Hörorgan, die Hörschnecke (Cochlea). Die Cochlea

ist ein blind endendes schlauchförmiges Organ, das in Form eines Schneckenhauses beim

Menschen in viereinhalb und bei der Katze in zweieinhalb Windungen um die knöcherne

Schneckenspindel (Modiolus) aufgerollt ist. Sie besteht aus drei übereinanderliegenden

Kanälen (Skalen), von denen zwei, die oben gelegene Vorhoftreppe (Scala vestibuli) und die

untere Paukentreppe (Scala tympani), über das Helikotrema miteinander verbunden sind. Die

Membrana vestibularis (Reißnersche Membran) trennt die Scala media (Ductus cochlearis)

von der Scala vestibuli, während die Basilarmembran (Lamina basilaris) die Scala media von

der Scala tympani abgrenzt (Abb. 2). Die Scala vestibuli und die Scala tympani sind mit aus

dem Liquor cerebrospinalis stammender kaliumarmer Perilymphe gefüllt. In der Scala media

befindet sich von der Stria vascularis produzierte kaliumreiche Endolymphe.

Abb. 2: Schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Cochleawindung mit Corti-Organ

(modifiziert nach BLOOM und FAWCETT 1975)

Die zentrale Funktionseinheit der Cochlea ist die häutige Basilarmembran. Sie inseriert am

Labium limbi vestibulare der Lamina spiralis ossea und zieht an die laterale Wand der

Cochlea. Auf ihr ist das Corti-Organ (Organum spirale) mit den in Stützzellen eingebetteten

eigentlichen Sinneszellen des Hörorgans, den Haarzellen, lokalisiert.


15

In der Cochlea höherer Vertebraten werden innere und äußere Haarzellen („inner hair cells“,

IHC respektive „outer hair cells“, OHC) unterschieden. Diese am apikalen Pol mit bis zu 100

Stereovilli versehenen sekundären Sinneszellen sind in drei (OHC) bzw. einer Reihe (IHC)

spiralförmig entlang der Cochleawindung angeordnet und durch den Cortischen Tunnel

getrennt (Abb. 3). Über diesen Zellen befindet sich die Tektorialmembran (Membrana

tectoria), welche die Spitzen der längsten Stereovilli der äußeren Haarzellen touchiert (EDGE

et al. 1998).

Abb. 3: Anatomie des Corti-Organs (modifiziert nach ZENNER und GITTER 1987)

Aufgabe der inneren Haarzellen ist es, das mechanische Schallsignal in ein körpereigenes,

biochemisches bzw. bioelektrisches Signal zu transformieren (mechano-elektrische

Transduktion nach ZENNER 1994). Aufgrund ihrer motilen Eigenschaften spielen die

äußeren Haarzellen dagegen eine aktive Rolle als Kraftgeneratoren beim Tuning der Cochlea.

Sie stellen damit das zelluläre Substrat für diesen sogenannten cochleären Verstärker dar

(BROWNELL et al. 1985).

2.2 Die Grundlagen des Hörvorgangs

2.2.1 Das physiologische Hören

Das Ohr ist das empfindlichste Sinnesorgan des Menschen (KLINKE 1987). Der physikalisch

adäquate Reiz für das Ohr ist der Schall. Für den Menschen sind altersabhängig Schallwellen

mit einer Frequenz von 16 Hz bis 20 kHz hörbar (SILBERNAGL und DESPOPOULOS

2003). Eine Katze kann Frequenzen von 40 Hz bis 80 kHz wahrnehmen (HEFFNER und

HEFFNER 1985). Die Frequenzanalyse der ankommenden akustischen Signale wird

mechanisch durch die Resonanzeigenschaften der Basilarmembran vorgenommen.


16

Schallwellen gelangen als Druckschwankungen in der Luft in den äußeren Gehörgang und

treffen auf das Trommelfell. Die per Luftleitung weitergegebene Energie des Schalls führt

zum Schwingen des Trommelfells und damit zu einem Ein- und Auswärtsvibrieren der

Gehörknöchelchenkette (HÜTTENBRINK 1992). Die beweglich im ovalen Fenster der

Cochlea sitzende Fußplatte des Stapes leitet die Schallenergie an die Perilymphe der Scala

vestibuli im Innenohr fort. Diese nicht-kompressible Flüssigkeit drückt in Folge dessen die

Reißnersche Membran in Richtung Scala media sowie das auf der Basilarmembran gelegene

Corti-Organ nach unten. Durch die Auslenkung entsteht eine sich von basal nach apikal

ausbreitende passive Welle der Basilarmembran, so dass die Schallenergie als Wanderwelle

weiterläuft. Die Laufzeit der Wanderwelle vom apikalen bis zum basalen Ende der

Basilarmembran beträgt beim Menschen etwa sechs Millisekunden (KLINKE 1987).

In Abhängigkeit von der Frequenz des auslösenden Schalls kommt es aufgrund der

progressiven Zunahme der Elastizität der Basilarmembran von der Schneckenbasis bis zur

Spitze zu einer maximalen Auslenkung der Wanderwelle an verschiedenen Orten entlang der

cochleären Membranen (VON BÉKÉSY 1928). Nach diesem sogenannten Tonotopieprinzip

finden sich innerhalb der Cochlea die Resonanzstellen der hohen Frequenzen basal, jene der

tiefen Frequenzen sind apikal lokalisiert (Cochleotopie). Die nach dem Frequenz-Ort-

Transformations-Prinzip beobachtete Wanderwelle ist jedoch zu breit, um die scharfe

Frequenzabstimmung des Hörorgans zu erklären. Die theoretischen Arbeiten von KEMP

(1979) zeigten, dass die scharfe Frequenzabstimmung des intakten Hörorgans nur mit Hilfe

eines aktiven, mechanischen Prozesses erreicht werden kann, welcher Energie in die

Wanderwelle einkoppelt.

Die von der Wanderwelle ausgelöste Auslenkung führt zu einer relativen Scherbewegung

zwischen Tektorial- und Basilarmembran und damit zum Abscheren der Stereovilli der

äußeren Haarzellen. Aufgrund der mechanischen Lageveränderung kommt es zur Öffnung

von Ionenkanälen an der Zellapex und zur Auslösung eines Rezeptorpotentials. Es resultieren

aktive, oszillierende Längenänderungen der äußeren Haarzellen, welche zur lokalen

Verstärkung der Wanderwelle führen (REUTER et al. 1991). Dabei weisen die angeregten

Zellen bei einer Hyperpolarisation eine Verlängerung und während einer Depolarisation eine

Verkürzung in einem Bereich von ca. 4 % auf (ASHMORE 1987).


17

Als Folge subtektorialer Flüssigkeitsströmungen erfolgt daraufhin die Deflexion der

Stereovilli der inneren Haarzellen (DALLOS 1986), worauf ein Ca2+ -Einstrom am basalen

Zellpol folgt. Im Anschluss wird der Transmitterstoff Glutamat an die afferenten Fasern des

Ganglion spirale cochleae abgegeben (EYBALIN und PUJOL 1987). Nach Überschreiten des

postsynaptischen Schwellenwertes kommt es zur Auslösung von in den Nervenfasern

weitergeleiteten Aktionspotentialen. Da 90 % aller afferenten Neurone mit den inneren

Haarzellen assoziiert sind (SPOENDLIN 1969), wird so die neuronale Weiterleitung des

Höreindrucks über den Hörnerv und die auditiven Kerne im Hirnstamm bis zum auditorischen

Cortex im Temporallappen induziert.

Durch das Tonotopieprinzip und der lokalen Verstärkung der Wanderwelle durch die äußeren

Haarzellen reflektiert die Cochlea die zeitliche Struktur und Intensität ankommender

komplexer Signale und verteilt die Kodierung der spektrotemporalen Komponenten des

Schalls auf die tonotop organisierte Anordnung primärer afferenter Fasern. Jeder inneren

Haarzelle mit den dazugehörigen afferenten Nervenfasern ist somit eine bestimmte optimale

Reizfrequenz zugeordnet, der sogenannten charakteristischen Frequenz (CF). Die Tonotopie,

welche entlang der Cochleawindungen beginnt, setzt sich so entlang der verschiedenen

Strukturen der zentralen Hörbahn bis in den auditorischen Cortex fort (MERZENICH et al.

1982).

Zusätzlich zur Frequenzerkennung ist im Hörnerv eine zweite Kodierungsmöglichkeit

vorhanden (SACHS 1984). Bei der Beschallung des Ohres mit niedrigen Frequenzen treten

die neuronalen Entladungen im Hörnerv bevorzugt zu bestimmten Zeitpunkten innerhalb des

Schwingungszyklus auf (sogenannte frequenzgekoppelte Entladung). Zeitstrukturen im

Schallreiz werden so durch zeitgerecht auftretende Aktionspotentiale im Hörnerven

abgebildet und über die aufsteigende Hörbahn weitergeleitet. Das zentrale Nervensystem ist

in der Lage, das dadurch in den neuronalen Aktionspotentialen entstehende Zeitmuster

auszuwerten und zur Frequenzanalyse zu nutzen (Periodizitätsanalyse).

2.2.2 Das Hören mit dem Cochlea-Implantat

Beim „elektrischen“ Hören mit dem Cochlea-Implantat wird die Funktion der inneren

Haarzellen durch die direkte Aktivierung des Hörnerven mittels eines elektrischen Impulses

der intracochleär platzierten Elektrodenkontakte überbrückt.


18

Der Wegfall der mechanischen cochleären Komponente und der damit einhergehende

Zeitgewinn zwischen Schallauftritt und Auslösung von Aktionspotentialen am Hörnerven

spiegelt sich bei der Messung der Hörbahnaktivität in einer Verkürzung der Zeit zwischen

Reizdarbietung und Auftreten von Aktivitäten der auditorischen Hörbahn (sogenannte Latenz)

wieder (CORDS 1996).

Die ortsgebundene Frequenzspezifität wird bei Gebrauch eines Cochlea-Implantats nicht

durch die Auslösung der cochleären mechanischen Prozesse, sondern durch die individuelle

Aktivierung der einzelnen in der Cochlea platzierten Elektrodenkontakte durch geeignete

Stimulationsstrategien erreicht (zur Übersicht siehe BÜCHNER 2002). Die Frequenz-

erkennung des ankommenden Schalls erfolgt hierbei durch den an das Mikrophon

angeschlossenen Sprachprozessor (siehe Anhang 9.1). Dadurch bleibt auch beim Hören mit

einem Cochlea-Implantat über die gesamte auditorische Hörbahn und auf Ebene des

auditorischen Cortex die grundsätzliche cochleäre Tonotopie erhalten (POPELAR et al.

1995).

2.3 Die afferente Hörbahn

Die die inneren und äußeren Haarzellen der Cochlea innervierenden afferenten Nervenfasern

erreichen den auditorischen Cortex im Temporallappen über die aufsteigende Hörbahn. Dabei

divergiert die Information von einem Ort der Cochlea über mehr als 10 Hirnstammkerne und

24 identifizierte Zelltypen und konvergiert schließlich wieder auf ein Frequenzband im

inferioren Colliculus (IRVINE 1992). Bis zum Mittelhirn werden alle Informationen über die

cochleotopen (tonotopen) Verbindungen der sogenannten lemniscalen, zentralen Hörbahn

geschaltet. Ab dem inferioren Colliculus unterscheidet man eine zusätzliche, extralemniscale,

diffuse, nicht-tonotop organisierte Bahn.

Als sekundäre Sinneszellen bilden sowohl die inneren als auch die äußeren Haarzellen keine

eigenen Nervenfortsätze aus. Stattdessen werden sie von den peripheren Dendriten der

Bipolarzellen des Ganglion spirale cochleae, dem in der Schneckenspindel gelegenen Beginn

des Hörnerven, innerviert. Die von den Basalganglien des Ganglion spirale cochleae

ausgehenden afferenten zentralen Fortsätze bilden die Pars cochlearis des Nervus

vestibulocochlearis, dem 8. Gehirnnerv. Sie ziehen durch den inneren Gehörgang im

Felsenbein zum Rautenhirn und projizieren in den jeweiligen Nucleus cochlearis (NC), den

ersten synaptischen Kerngebieten der zentralen Hörbahn (siehe Abb. 4). Der NC jeder Seite

befindet sich oberflächlich nahe der Eintrittsstelle des Hörnerven im Tuberculum acusticum.


19

Er besteht aus einem, in der Medulla oblongata gelegenen, dorsalen Nucleus (DNC) sowie

einem ventralen Ganglion, welches aus einem anterioren ventralen (AVNC) und einem

posterioren ventralen (PVNC) Nucleus zusammengesetzt ist (MELCHER et al. 1996). Die

von den äußeren und inneren Haarzellen ausgehenden Axone gabeln sich nach Erreichen des

ipsilateralen Nucleus cochlearis systematisch auf: jede Faser gibt einen aufsteigenden Ast an

den AVNC sowie einen absteigenden Ast ab, welcher im PVNC und DNC endet (LORENTE

DE NÓ 1933). Somit erhält jede Untereinheit des Nucleus cochlearis cochleotope (tonotope)

Informationen vom gesamten Verband der äußeren und inneren Haarzellen. Im DNC kommt

es zudem zur Aufteilung der Hörbahn. Während lediglich 10 % der Fasern ipsilateral weiter

verlaufen, werden etwa 90 % aller afferenten Fasern zur Gegenseite umgeschaltet (HEID et

al. 1997). Vom Nucleus cochlearis aus projizieren die sekundären afferenten Fasern, auch

zweites Neuron genannt, zu Zellgruppen in der Medulla, der Pons und dem Mittelhirn

(AITKIN 1986). Dabei formen sie drei Hauptfaserbündel: die ventrale akustische Stria,

welcher sich das Corpus trapezoideum in der ventralen Pons anschließt, die intermediäre Stria

(Heldsche Stria) und die dorsale akustische Stria (Monakowsche-Stria).

Abb. 4: Schematische Darstellung der afferenten zentralen Hörbahn der linken Cochlea (modifiziert

nach ZENNER 1993)


20

Die ventrale Stria erreicht die Hauptzellgruppen des im querverlaufenden Corpus

trapezoideum gelegenen, kontralateralen superioren Olivenkomplexes (SOC). Hierbei handelt

es sich um eine nicht-obligatorische Schaltstelle für alle Fasern der Hörbahn. Die im SOC

entspringenden Fasern verbinden sich mit Projektionen aus dem ipsi- und kontralateralen

Nucleus cochlearis und betreten den ipsilateralen Nucleus lemnisci lateralis (lateraler

Lemniscus, LL). Von dessen dorsalen Nucleus (DNLL) aus steigen sie als drittes Neuron

bilateral sowie vom intermediären (INLL) und ventralen Nucleus (VNLL) vornehmlich

ipsilateral zum rostral gelegenen inferioren Colliculus (IC) der Vierhügelplatte auf (HEID et

al. 1997).

Der IC wird traditionell in einen zentralen, perizentralen und externalen Nucleus unterteilt.

Der Nucleus centralis (ICC) wird als obligatorische Schaltstelle für über den lateralen

Lemniscus übertragene Informationen aller auditorischen Hirnstammkerne angesehen. Dabei

hält er Kontakt mit annähernd 20 Neuronentypen, welche in ungefähr einem duzend Arealen

des Hirnstamms und des Cortex lokalisiert sind. Vom ICC aus werden die tonotopen

Informationen, weiterhin als drittes Neuron, zumeist ungekreuzt über das Brachium colli, dem

im Vorderhirn gelegenen auditorischen Thalamus, übermittelt.

Die hauptsächlich mit dem auditorischen System assoziierten thalamischen Kerne sind das

Corpus geniculatum mediale („medial geniculate body“, MGB) und der laterale Anteil der

posterioren Gruppe der thalamischen Kerne. Diese Nuclei stellen die wichtigsten und letzten

synaptischen Stationen der auditorischen Hörbahn dar. Cytoarchitektonisch lässt sich der

MGB in einen ventralen, einen dorsalen und einen medialen Hauptanteil unterteilen.

Innerhalb dieser Hauptgebiete sind weitere Unterbereiche zu unterscheiden (ANDERSEN et

al. 1980).

Die thalamocorticalen Neurone des lemniscalen, zentralen auditorischen Systems projizieren

als viertes Neuron vor allem aus dem ventralen Anteil über die Hörstrahlung (Radiatio

acustica) in einer Art Punkt- zu Streifen- System zu den tonotop organisierten auditorischen

Rindenfeldern im Temporallappen der Großhirnhemisphären (Henlesche-Querwindung).

Dadurch erhalten das primäre auditorische Feld, das anteriore auditorische Feld sowie das

ventroposteriore (ANDERSEN et al. 1980) und wahrscheinlich auch das posteriore

auditorische Feld (FITZPATRICK et al. 1977) hoch konvergierenden Input von einer

Vielzahl von auditorischen thalamischen Kernen. Die auf diese Weise gebildeten

ausgedehnten Konvergenzen und Divergenzen berücksichtigen auf allen Stufen der

Verarbeitung die von den inneren Haarzellen der Cochlea ausgehende Tonotopie

(MERZENICH et al. 1982).


21

Das zweite aufsteigende auditorische System, die extralemniscale, diffuse Hörbahn erhält den

Großteil der afferenten Informationen von außerhalb der zentralen auditorisch-thalamischen

Hörbahn gelegenen Gebieten. Anders als die lemniscale auditorische Hörbahn weist das

extralemniscale System keine oder eine nur gering ausgeprägte tonotope Organisation auf. Es

beinhaltet den externalen und perizentralen Nucleus des inferioren Colliculus, die mediale

Abteilung des Corpus geniculatum mediale und das sekundäre auditorische Feld sowie

weitere sekundäre corticale Bereiche, welche die tonotopen auditorischen Felder ringartig

umgeben. Weiterer „nichtspezifischer“ den auditorischen Cortex erreichender Input entspringt

in der Formatio reticularis des Hirnstamms sowie in den medialen/intralaminären Nuclei des

Thalamus.

Zusätzlich zu dem konvergierenden/divergierenden afferenten auditorischen System existiert

ein eher massives und komplexes System von Bahnen, die als efferente Fasern in den

auditorischen Arealen des Cortex als sogenanntes „Rasmussen-Bündel“ ihren Ursprung

nehmen und bis in den Bereich des Corti-Organs reichen. Dabei durchlaufen sie die

genannten Schaltstationen und werden in der Peripherie als zwei relativ eigenständige Bahnen

unterschieden, welche sich im superioren Olivenkomplex teilen (WARR 1992). Der Hauptteil

der efferenten Fasern erreicht die äußeren Haarzellen und stammt von medial im superioren

Olivenkomplex gelagerten Neuronen. Die inneren Haarzellen erhalten Informationen von

kleinen, unmyelinisierten Neuronen des lateralen superioren Olivenkomplexes.

Das efferente System hat eine inhibitorische Wirkung im Sinne einer selektiven Filterung von

Tönen und Geräuschen. Diese Funktion wird über axodendritische Synapsen zwischen den

afferenten und efferenten Fasern der Haarzellen erreicht (HOTH und LENARZ 1994).

2.4 Der auditorische Cortex

2.4.1 Die Lage und makroskopische Anatomie des auditorischen Cortex

Der auditorische Cortex ist das Zielgebiet der afferenten Neurone der aufsteigenden

lemniscalen und extralemniscalen Hörbahnen. Die Bezeichnung „auditorischer Cortex“

bezieht sich im klassischen Sinne auf die Bereiche des cerebralen Cortex, deren

hauptsächliche afferente Projektionen dem Corpus geniculatum mediale entspringen und

Neurone enthält, die auf akustische Reize reagieren (EHRET 1997).


22

Im weiteren Sinnen sind zum auditorischen Cortex auch jene corticalen Areale zu zählen,

welche als „polysensorisch“, „nicht-spezifisch“ oder „assoziativ“ bezeichnet werden.

Anatomisch gehört dieser Bereich zur Facies parietalis des Telencephalon, dem superioren

Bereich des Temporallappens.

Histologische, physiologische und verhaltenskundliche Untersuchungen haben gezeigt, dass

der auditorische Bereich des Neocortex eine komplexe Struktur mit mehreren Teilgebieten ist.

Er ist zusammengesetzt aus einem tonotop organisierten primären auditorischen Feld (AI) und

speziesabhängig von einem oder mehreren weiteren angrenzenden Feldern, welche ebenfalls

eine tonotope Organisation aufweisen können (BRUGGE und REALE 1985).

Die Anzahl der auditorischen Felder nimmt von drei bis vier bei Insektivoren über fünf bis

sieben bei Rodentiern hin zu sechs und mehr als acht bei Carnivoren und Primaten zu (siehe

Tab. 1). Sie scheint abhängig von der auf einer bestimmten Evolutionsstufe erreichten

relativen Größe der corticalen Oberfläche zu sein (MERZENICH und SCHREINER 1992).

Die einzelnen auditorischen Felder können auf der Grundlage ihrer Cytoarchitektur, ihren

Verbindungsstrukturen und ihrer funktionellen Unterschiede differenziert werden.

Tab.1: Auflistung der auditorischen Felder ausgewählter Spezies (modifiziert nach CLAREY et al. 1991)

Der auditorische Cortex des Menschen entspricht den nach BRODMANN (1909)

cytoarchitektonisch eingeteilten Arealen 41, 42 und 22. Nach den cytoarchitektonischen

Untersuchungen von VON ECONOMO und HORN (1930) konnte er in ein primäres

auditorisches Feld (AI) und vier weitere, das AI umgebenen, Areale unterteilt werden.

Das AI, auch Area TC genannt, entspricht dem Brodmann-Areal 41. Es liegt im sylvanischen

Anteil des Gyrus temporalis superior in der Tiefe der Henleschen Querwindung (LIGEOIS-

CHAUVEL et al. 1991). Seine dorsoventrale Ausbreitung beträgt etwa 3 mm, mit einer

Fläche von ca. 900-1600 mm². Es handelt sich um ein primär rezeptives Feld, welches

wichtige thalamische Afferenzen erhält (siehe Kapitel 2.4.2.2).

Spezies Auditorische Felder (zusätzlich zu einem tonotopen primären auditorischen Feld)

Referenzen

Meerschweinchen (Cavia procellus)

Zwei tonotope Felder, drei sekundäre Felder (REDIES et al. 1989)

Hauskatze (Felis domestica)

Drei tonotope Felder, vier sekundäre Felder (REALE und IMIG 1980)

Makake (Macaca mulatta)

Ein rostrolaterales und laterales tonotopes Feld; ein caudomediales sekundäres Feld und ein auditorischer „Gürtel“ mit bis zu drei Untereinheiten

(WOOLSEY und WALZL 1982)


23

Dabei scheint es eine Art Verteiler darzustellen, welcher alle einkommenden Informationen

auf die anderen corticalen Felder weiterleitet (PHILIPPS und IRVINE 1982).

Morphologisch ist das primäre auditorische Feld durch eine starke reziproke Verbindung mit

dem ventralen Nucleus des Corpus geniculatum mediale des Thalamus charakterisiert

(MOREL und IMIG 1984). Physiologisch ist es durch Neurone gekennzeichnet, welche stabil

und gut abgestimmt auf Tonhäufungen antworten und in einer Tonotopie angeordnet sind,

welche im wesentlichen den Gradienten der cochleären Frequenzrepräsentation reflektiert

(EHRET 1997). Dabei scheint es zusätzlich, im Vergleich zu den nicht-primären Arealen,

sensibler für Schwankungen innerhalb des Frequenz- und Geräuschlevels zu sein (HALL

2003).

Die nicht-primären Assoziationsareale liegen anterior, posterior und lateral vom AI. Diese

sekundären auditorischen Gebiete entsprechen den Brodmann-Arealen 42 und 22. Sie

schließen sich außen an den Temporallappen an, wo sie die posteriore Hälfte des superioren

temporalen Gyrus bedecken. Das Areal 22 liegt direkt im Planum temporale und ist beim

Menschen an der Sprachfunktion beteiligt. Physiologisch sind die sekundären auditorischen

Felder durch Neurone gekennzeichnet, welche einen breiteren Frequenzantwortbereich

aufweisen. Die Empfindlichkeit dieser Neurone ist dabei im Vergleich zu Neuronen des AI

deutlich geringer (SCHREINER und CYNADER 1984).

Verschiedene Studien haben gezeigt, dass die sekundären auditorischen Bereiche der

humanen Hörrinde in einer Gehirnhälfte, vornehmlich auf der linken, größer sind

(GESCHWIND und LEVITSKY 1968) und bei der physiologischen Sprachverarbeitung

hemisphärische Unterschiede auftreten. So werden in der posterioren Area 22 der linken

Hemisphäre (Wernicke Sprachregion) Sprachsignale verarbeitet, während die

korrespondierende Region der rechten Hemisphäre dazu nicht fähig ist (SELDON 1982). Von

den corticalen Arealen im rechten superioren temporalen Cortex ist vor allem die

Verarbeitung der räumlichen Informationen abhängig. So ist der rechte auditorische Cortex

auf die Verarbeitung der Richtung eintreffender frequenzmodulierter Töne spezialisiert

(BRECHMANN 2003). In diesen Phänomenen liegt die Sprachlateralisation des Menschen

begründet.

Zusätzlich besteht in den Brodmann-Arealen 37, 39 und 40 ein tertiäres Assoziationsgebiet,

welches als Übergangsregion zwischen den sekundären visuellen, auditiven und taktilen bzw.

kinästhetischen Assoziationsgebieten fungiert.


24

Der feline auditorische Cortex lässt sich ebenfalls in mehrere Teilgebiete einteilen. Er

erstreckt sich zwischen dem suprasylvanischen (SSS), anterioren ectosylvanischen (AES) und

posterioren ectosylvanischen Sulcus (PES) (WINER 1992).

Auch bei dieser Spezies ist das primäre auditorische Feld der größte Bereich der Hörrinde. Es

liegt auf dem mittleren ectosylvanischen Gyrus und reicht caudal bis zur caudalen Spitze des

PES sowie in einen kleinen Bereich des posterioren ectosylvanischen Gyrus (PEG) hinein. Im

rostralen Bereich ist die Grenze des AI durch die Spitze des AES gekennzeichnet (BRUGGE

und REALE 1985). Direkt rostral des AI, auf dem suprasylvanischen Gyrus beginnend und

sich auf den anterioren ectosylvanischen Gyrus ausbreitend, ist das anteriore auditorische Feld

(AAF) der Katze gelegen. Auf dem PEG ist caudal des AI das posteriore auditorische Feld

(PAF) und ventrocaudal des AI das ventroposteriore auditorische Feld (VPAF) lokalisiert.

Neben diesen vier tonotop organisierten auditorischen Feldern befindet sich direkt ventral im

Anschluss an das AI zwischen dem AES und dem PES das nicht tonotop aufgebaute

sekundäre auditorische Feld (AII). Dieses breitet sich über mindestens 4 mm nach ventral aus.

Ventrocaudal des AII, längs des mittleren ectosylvanischen Sulcus bis rostral auf den PEG

reichend, liegt das ventrale auditorische Feld (VAF). Auch dieses Areal besitzt eine tonotope

Organisation, deren Frequenzrepräsentation jedoch im Hinblick auf die Repräsentation der

anderen tonotopen Felder keine feste Beziehung aufweist.

Im Bereich des „polysensorischen“ oder „nicht-spezifischen“ Cortex sind bei der Katze drei

weitere auf auditorische Stimuli reagierende Felder gelegen. Sie erhalten neben

konvergierenden auditorischen Informationen der extralemniscalen Hörbahn, visuelle und

somatosensorische Eingänge (REALE und IMIG 1980).

2.4.2 Der histophysiologische Aufbau des auditorischen Cortex

2.4.2.1 Die tonotope Organisation der auditorischen Felder

Wie im Kapitel 2.3 bereits beschrieben, setzt sich die tonotope Organisation der zentralen

auditorischen Hörbahn von der Cochlea über den Hirnstamm bis zum auditorischen Cortex

fort. Durch elektrophysiologische Untersuchungen (Einzelzellableitungen) konnte die

tonotope Organisation in den einzelnen auditorischen Feldern dargestellt werden.

Bei der Katze werden vier tonotope Felder unterschieden (REALE und IMIG 1980): das

primäre auditorische Feld (AI), das anteriore auditorische Feld (AAF), das posteriore

auditorische Feld (PAF) und das ventroposteriore auditorische Feld (VPAF).


25

Jedes dieser Felder erhält über die lemniscale Hörbahn afferente Informationen aus dem

Nucleus centralis des inferioren Colliculus sowie der ventralen Abteilung des Corpus

geniculatum mediale (MGB). Dabei wird auf allen Ebenen dieser Verbindung die cochleotope

Tonotopie eingehalten. In den tonotop organisierten Feldern sind Neurone in sogenannten

isofrequenten Bändern angeordnet. Diese beinhalten Nervenzellen mit identischer oder sehr

ähnlicher charakteristischer Frequenz (Frequenz, bei welcher die Reizschwelle einer Zelle am

kleinsten ist, CF) und sind in Streifen in dorsoventraler Richtung (d. h. vertikal zur

Cortexoberfläche) über alle sechs Schichten angeordnet (KRUCKER 1996).

Neben der tonotopen Repräsentation der Schallfrequenz gibt es im auditorischen Cortex

zusätzlich Repräsentationen für die Reizintensität und Tuningschärfe (Breite des zur

Aktivierung des betreffenden Neurons führenden Frequenzbandes) sowie über den binauralen

Vergleich auch eine Repräsentation für die Lokalisation der Schallquelle im Raum (HEIL et

al. 1994; REALE und KETTNER 1986).

Im AI ist eine komplette Repräsentation der Cochlea wiederzufinden. Dabei sind Neurone mit

hoher CF rostral lokalisiert, die Repräsentation der niedrigen Frequenzen aus dem apikalen

Bereich der Cochlea findet caudal innerhalb des AI statt (WOOLSEY und WALZL 1942).

Für den primären auditorischen Cortex des Menschen haben experimentelle Arbeiten von

HOWARD et al. (1996) Hinweise auf eine ebenfalls tonotope Organisation gegeben.

Der Frequenzgradient des AAF stellt sich spiegelbildlich zur Frequenzrepräsentation im AI

dar (WINER 1992). Die aufeinander folgenden Repräsentationsgebiete der niedrigen

Frequenzen liegen anterioventral auf dem anterioren ectosylvanischem Gyrus entlang einer

sogenannten „isofrequenten Kontour“.

Im Gegensatz zu den tonotop organisierten auditorischen Feldern besitzt das sekundäre

auditorische Feld Neurone mit deutlich unschärfer begrenzten charakteristischen Frequenzen

und eine ungenauere Tonotopie. Die relativ breiten Frequenzbereiche verlaufen jedoch

parallel zum Frequenzgradienten des AI (SCHREINER und CYNADER 1984). Diese

Eigenschaften reflektieren die relativ diffusen vom MGB ausgehenden afferenten

Verbindungen.

2.4.2.2 Die detaillierte Verteilung der afferenten Projektionen

Der Neocortex ist ein neuronales Netzwerk mit zahlreichen Zwischenverbindungen, welches

überwiegend durch seine eigene Leistung erregt wird.


26

Diese Definition wird durch die Tatsache getragen, dass nur 0,01 bis 0,1 % der Verbindungen

der Pyramidenzellen, als Träger der sensorischen Information, thalamischen Ursprungs sind,

während die übrigen zu corticalen Zellen vor allem in der ipsilateralen Hemisphäre bestehen.

Selbst in der Lamina IV (siehe Kapitel 2.4.3) machen die thalamischen Projektionen nur 15

bis 20 % des gesamten Inputs aus (LEVAY und GILBERT 1976).

Beginnend mit der klassischen Methode der retrograden Degeneration konnte die präzise

Organisation der Verknüpfung der auditorischen thalamischen Kerne mit den verschiedenen

corticalen auditorischen Feldern nicht eindeutig dargestellt werden (SOUSA-PINTO 1973a).

Neuere Untersuchungen mit retrograden und anterograden axonalen Mikroinjektionen

erlauben dagegen neben der detaillierten Darstellung der Verbindungen zusätzlich Aussagen

über die Reziprozität der Projektionen. Die Kombination dieser Tracingtechniken mit elektro-

physiologischen Untersuchungen zeigt, dass jedes der corticalen auditorischen Felder

Afferenzen von mehreren Thalamuskernen erhält. Daneben besteht für jedes Feld ein

gesondertes thalamisches Untergebiet, mit welchem es besonders stark verbunden ist

(ANDERSEN et al. 1980). So wird das primäre auditorische Feld als einziger corticaler

Bereich von einer großen Anzahl thalamocorticaler Projektionen aus dem ovoiden und

besonders aus dem lateralen Anteil der ventralen Subbereiche des MGB gespeist (ROSE und

WOOLSEY 1949). Daneben bestehen Afferenzen vom tiefen dorsalen Anteil des dorsalen

Bereiches, vom nicht-tonotop organisierten medialen Anteil und von Neuronen aus der

lateralen Abteilung der posterioren Gruppe der thalamischen Kerne.

Der hauptsächliche Unterschied der thalamocorticalen Bahnen des primären (AI) und des

anterioren auditorischen Feldes (AAF) bestehen in der Ausprägung der jeweiligen

Verbindungen. Während das AI stärkeren und kontinuierlicheren Input vom ventralen MGB

erhält, verfügt das AAF über eine stärkere Verbindung mit dem lateralen Anteil der

posterioren Gruppe der thalamischen Kerne sowie des tiefen dorsalen Anteils des dorsalen

Bereiches (MOREL und IMIG 1984). Dennoch liefern die Ähnlichkeiten der afferenten

thalamischen Projektionen zwischen dem AI und dem AAF Hinweise auf eine parallele

Verarbeitung von Informationen zwischen diesen beiden Feldern (PHILIPPS und IRVINE

1982), wobei das AAF auf die Verarbeitung von transienten Geräuschen spezialisiert zu sein

scheint (TIAN 1992). Begrenzte Bereiche im AI und AAF erhalten zudem koextensiven Input

von Neuronenbögen, welche den ventralen Anteil des MGB passieren, von Zellkolumnen des

tiefen dorsalen Nucleus des dorsalen MGB, von Neuronen aus dem medialen Anteil des MGB

sowie von Zellen des lateralen Anteils der posterioren Gruppe der thalamischen Kerne.


27

Auch senden viele zum AI projizierende Zellen des ventralen MGB Axonkollaterale zum

AAF (MOREL und IMIG 1984). Dabei sind diese Verbindungen sowohl konvergierender als

auch divergierender, isofrequenter Natur (DICKSON und GERSTEIN 1974).

Das posteriore und ventroposteriore auditorische Feld erhalten ausgedehnte afferente

Informationen von mindestens vier Unterbereichen des MGB (IMIG und MOREL 1983).

Das sekundäre auditorische Feld bezieht seine afferenten, nicht tonotopen Informationen von

der über den perizentralen Nucleus des inferioren Colliculus und den medialen Anteil des

MGB geschalteten diffusen, extralemniscalen Hörbahn. Zusätzlich ist es reziprok mit dem

lateralen und dem caudalen Anteil des dorsalen Nucleus des MGB verbunden.

Die laminäre Verteilung der thalamocorticalen Projektionen zeigt innerhalb einer Spezies in

unterschiedlichen corticalen Arealen eine starke Einheitlichkeit. Besonders deutlich zeigt sich

das laminäre Verteilungsmuster im primären auditorischen Feld. Dort erhalten die

pyramidalen Neurone in den Laminae I und III bis VI die Masse des direkten thalamischen

afferenten Inputs (MITANI et al. 1985). Die Afferenzen aus dem medialen Anteil des MGB

ziehen hauptsächlich in die Lamina I und zu einem geringen Anteil in die Lamina IV

(MITANI et al. 1984). Diese Projektionen laufen parallel zu in die Laminae III und IV

ziehenden Verbindungen, sind aber aufgrund der großen Axonendurchmesser und der

monosynaptischen Verbindung langsamer leitend (WINER 1992). Der ventrale Bereich des

MGB projiziert überwiegend in die Lamina IV (LEVAY und GILBERT 1976). Neben diesen

direkten Einflüssen der thalamischen Kerne besteht durch die extensiven intracorticalen

Verbindungsstrukturen der lokal vernetzten Pyramidenzellen ein zusätzlicher indirekter

Einfluss auf die übrigen Laminae. So erhalten die pyramidalen Zellen der Lamina II

zusammen mit den Pyramidenzellen der Lamina III zusätzlich thalamische Eingänge, welche

zuvor über die Lamina IV geschaltet wurden (NIIMI und NAITO 1974). Die Pyramidenzellen

der Laminae II und III senden wiederum Projektionen in ipsilaterale corticocorticale

(WINGUTH und WINER 1986) und comissurale Gebiete (IMIG und BRUGGE 1978).

Weitere Verschaltungen konnten durch intralaminare Messungen von synaptischen Strömen

verifiziert werden. Nach einer direkten thalamocorticalen Aktivierung der Laminae III bis VI

folgten synaptische Aktivitäten in den infragranulären Schichten (KRAL et al. 2000).

Die Gesamtheit dieser Verknüpfungen führt dazu, dass das Projektionsgebiet einer einzelnen

thalamischen Nervenfaser ein Gebiet von mehreren Millimetern und eine Vielzahl von

corticalen Nervenzellen aktiviert.


28

Daneben werden durch Projektionen der thalamisch modifizierten pyramidalen Zellen auf

reziprokem Weg der Thalamus, das Mesencephalon und die auditorischen Kerngebiete im

Hirnstamm erreicht.

2.4.2.3 Die intra- und intercorticalen Verbindungen des auditorischen Cortex

Während die thalamischen Kerne untereinander nicht verbunden sind, bestehen im

auditorischen Cortex eine Vielzahl von Interaktionen.

Innerhalb und zwischen den einzelnen Feldern sowie mit anderen funktionellen Arealen

beider Hemisphären und mit subcorticalen Strukturen bestehen zahlreiche Verknüpfungen.

An der Bildung dieser Verbindungen beteiligen sich sowohl pyramidale, als auch nicht-

pyramidale Neurone aus den Laminae II bis IV (WINGUTH und WINER 1986). Die

intrinsischen Verbindungen einzelner corticaler Neurone können als „kurz“, d.h. grob

innerhalb der betroffenen Zellkolumne oder als „lang“, also über die Ausdehnung des

Dendritenbaums hinaus ragend, klassifiziert werden. Dabei können die „langen“

Verbindungsfasern eine Strecke von mehreren Quadratmillimeter bedecken (zur Übersicht

siehe MARTIN 1984).

Der Gesamteindruck der intracorticalen Verbindungen ist, dass die ipsilateralen Felder AI,

AAF, PAF und VPAF topographisch und reziprok miteinander verbunden sind (IMIG und

BRUGGE 1978). Zusätzlich projiziert jedes dieser Felder zu mehreren Arealen des peripheren

auditorischen Gürtels (siehe Tab. 2, 3). Weiterhin ist jedes der vier tonotop organisierten

Felder reziprok und topographisch über das Corpus callosum mit dem jeweilig homologen

Feld der anderen Hemisphäre verbunden. Die Verknüpfungen mit den nicht-tonotopen

Feldern sind dagegen schwächer und divergierender Natur.

AI AAF AII PAF VPAF AI + * * * -

AAF * + ~ * % AII - - + - - PAF - - ~ * -

VPAF - - ~ - *

Termination

Tab. 2: Commissurale Verbindungen der auditorischen Felder (modifiziert nach WINER 1992)

Urs

pru

ng

+: stark * : moderat ~ : schwach -: nicht vorhanden %: unbekannt


29

Innerhalb eines auditorischen Feldes können die verschiedenen Verbindungen speziellen

Funktionen zugewiesen werden. So verfügen Regionen des AI, deren Neurone

Summationseffekte bei binauraler Stimulation aufweisen, über viele callosale Verbindungen

(IMIG und BRUGGE 1978), wohingegen Regionen außerhalb der Summationskolumnen

viele ipsilaterale Afferenzen vom AAF und PAF erhalten (IMIG und REALE 1981). Zudem

scheinen Neurone mit gleicher oder sehr ähnlicher charakteristischer Frequenz über die

Feldgrenzen hinweg bevorzugt miteinander verbunden zu sein (CLARKE et al. 1993).

Bei Betrachtung der laminären Verteilung der Verbindungen im primären auditorischen Feld

sind die supragranulären pyramidalen Neurone in erster Linie an der Verbreitung von

Informationen zu anderen corticalen Bereichen beteiligt, während die infragranulären Zellen

die prinzipiellen Elemente für die Übermittlung von Informationen zu subcorticalen

Strukturen darstellen.

In der Lamina I befinden sich die apikalen Verzweigungen der Dendriten von pyramidalen

Neuronen, deren Somata in allen Schichten lokalisiert sind. Zusätzlich beteiligen sich die

laminaeigenen Zellen mit ihren meist parallel zur Cortexoberfläche verlaufenden Dendriten

mit den Endverzweigungen von afferenten Assoziations- und Kommissurenfasern an der

Bildung des intralaminaren feinfaserigen tangentiellen Flechtwerks (Stria laminaris). In den

Laminae II und III befinden sich corticocorticale und callosale pyramidale Zellen. Die

wichtigsten Verbindungen der in der Lamina II lokalisierten Neurone ziehen zu den

angrenzenden sekundären auditorischen Feldern. In der Lamina III befinden sich 75 % der

Gesamtprojektionen der commissuralen Afferenzen (CODE und WINER 1985). Zwei Drittel

dieser Zellen sind Pyramidenzellen, den Rest bilden bipolare und einzelne große multipolare

Zellen.

AI AAF AII PAF VPAF AI - + + * +

AAF + - + + * AII + % - * * PAF + + + - +

VPAF + + + % -

Termination U

rsp

run

g

Tab. 3: Corticocorticale Verbindungen der auditorischen Felder (modifiziert nach WINER 1992)

+: stark * : moderat ~ : schwach -: nicht vorhanden %: unbekannt


30

Aus den Laminae III und V stammen zusätzlich jeweils ca. 30 % der Projektionen des AI zum

AII (WINGUTH und WINER 1986) und der Großteil der weiteren corticocorticalen

Verbindungen. Etwa 50 % der Neurone, vor allem kleine Pyramidenzellen und

spindelförmige Zellen, in der Lamina IV sind mit dem Corpus geniculatum mediale (MGB)

verbunden (WONG und KELLY 1981). Zum commissuralen System im primären

auditorischen Feld tragen die Zellen der Lamina IV jedoch wenig bei und projizieren darüber

hinaus auch nicht in die sekundären auditorischen Felder. Sie übernehmen wahrscheinlich

eine lokale Schaltfunktion innerhalb des AI (LEVAY und GILBERT 1976). In der Lamina V

sind große Pyramidenzellen lokalisiert, die zum Striatum und den superioren sowie inferioren

Colliculi projizieren (OJIMA et al. 1992). Die mittelgroßen Pyramidenzellen sind

überwiegend mit dem MGB verbunden. Weitere Verbindungen zu ipsilateralen sekundären

auditorischen Feldern, zum kontralateralen auditorischen Cortex und zum Claustrum zeigen

die Vielfältigkeit der hier entspringenden Verschaltungen. Zudem erhält die Lamina V eine

bedeutende Anzahl von Afferenzen commissuralen und corticocorticalen Ursprungs.

Anhand anatomischer, pharmakologischer und physiologischer Untersuchungen wurde darauf

geschlossen, dass der wichtigste vertikale Informationsfluss innerhalb eines auditorischen

corticalen Feldes durch die corticalen Schichten L-IV:� /-II/III:� /-V:� /-VI verläuft

(BOLZ et al. 1989). Neben diesem vertikalen Informationsfluss besteht eine beträchtliche

horizontale Verbindung, welche Informationen von benachbarten Regionen und spezifischen,

weiter entfernten Bereichen integriert. Wie viele Synapsen innerhalb der einzelnen Schichten

diesem horizontalen Informationsfluss zuzuordnen sind, ist nicht bekannt. In der Lamina IV

jedoch erhalten lediglich 15 bis 20 % der Synapsen thalamische Eingänge (LEVAY und

GILBERT 1976), die meisten Verbindungen scheinen mit intra- und interlaminaren Neuronen

zu bestehen.

Bei den intrinsischen Verbindungen speziell des AI zeigt sich eine dorsoventrale Orientierung

der dendritischen Felder, die mit der Orientierung der isofrequenten Bänder übereinstimmt

(OJIMA et al. 1992). Aufgrund dieser dorsoventralen Ausrichtung der Dendritenbäume sowie

unterschiedlicher thalamocorticaler und corticocorticaler Verbindungen innerhalb des AI der

Katze wird angenommen, dass dieser aus den funktionell unterschiedlichen dorsalen (AId)

und ventralen (AIv) Unterbereichen besteht (SUTTER und SCHREINER 1995). Dabei wird

dem AId vor allem die Unterscheidung und Verarbeitung der räumlichen Informationen

zugerechnet. Die Organisation des AIv deutet auf eine verstärkte Rolle bei der Detektion

sowie der lokalen Verarbeitung räumlicher Informationen hin.


31

Weitere Untersuchungen der laminären Verteilung corticocorticaler Verbindungen

offenbarten, dass in der Hierarchie der zentralen Hörbahn das AI sowie das AAF auf einer

gleichen, niedrigeren Ebene liegen als das AII, das PAF und das VPAF (ROUILLER et al.

1991).

2.4.3 Die Cytoarchitektur und neuronale Organisation des auditorischen Cortex

Der Neocortex der Großhirnrinde (Cortex cerebri), zu welchem auch der auditorische Cortex

gehört, zeigt in den meisten Bereichen eine auffallende laminäre, areale und cytochemische

Homogenität (COW und LEIMAN 1970). Er wird deswegen auch als homoitypischer

Isocortex bezeichnet. Dennoch können funktionell verschiedene Regionen oft deutlich anhand

ihrer Cytoarchitektur unterschieden werden (POWELL und MOUNTCASTLE 1959).

Bereits in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts haben die Studien von VON ECONOMO

und HORN (1930) am menschlichen Cortex die charakteristische sechsschichtige

Grundanordnung der Nervenzellen im Neocortex der Säugetiere offenbart. Die meisten

Untersuchungen über die cytoarchitektonische Struktur und die neuronale Organisation des

auditorischen Cortex sind jedoch bei der Katze vorgenommen worden. Durch Golgi-

Imprägnationen und intrazelluläre Farbstoffinjektionen erhielt man eine Übersicht über

vorhandene Neurone und deren Projektionsgebiete (SOUSA-PINTO 1973b). Nachfolgende

Untersuchungen von MITANI et al. (1985) und WINER (1984 a, b, c) ergänzen diese

Beschreibungen.

Senkrecht zur Hirnoberfläche werden von der Cortexoberfläche zur weißen Substanz die

Molekularschicht (Lamina I; molecularis), die äußere Körnerschicht (Lamina II; granularis

externa), die äußere Pyramidenschicht (Lamina III; pyramidalis externa), die innere

Körnerschicht (Lamina IV; granularis interna), die innere Pyramidenschicht (Lamina V;

pyramidalis interna) und die multiforme Schicht (Lamina VI; multiformis) angetroffen. In

jeder Schicht können, basierend auf Unterschieden in der neuronalen Architektur,

Verknüpfungen mit anderen Gebieten und immunhistochemischen Kriterien, weitere

Unterschichten differenziert werden. Im Bereich des auditorischen Cortex wird diese laminäre

Zellarchitektur durch die Myeloarchitektur der von der Lamina II zu Lamina III zunehmend

dicker werdenden Axonquerschnitte vervollständigt. In den auditorischen Subarealen fällt im

Zusammenhang mit dem allgemeinen Aufbau der einzelnen Laminae eine deutliche granuläre

Heterotypie auf. Der auditorische Cortex wird daher ähnlich den Riech- und Sehfeldern dem

granulären Rindentyp (Coniocortex) zugeordnet.


32

Neben der horizontal zur Cortexoberfläche verlaufenden Zellanordnung in Schichten fällt im

gesamten cerebralen Cortex die vertikal zur Oberfläche organisierte Ansammlung von

Nervenzellen auf. Diese Struktureinheiten werden auch als „corticale Kolumnen“ bezeichnet.

Auch diese säulenartige Anordnung erscheint im auditorischen Cortex höher entwickelt als in

anderen Regionen des Neocortex (LORENTE DE NÓ 1949).

Die neuronale Population des cerebralen Cortex besteht aus zwei Hauptkomponenten, welche

anhand der Form ihrer Zellkörper und der Länge ihrer Axone klassifiziert werden. Die

Pyramidenzellen, deren lange Axone in die weiße Substanz eintauchen und meist ihr

Ursprungsfeld verlassen, machen bis zu 85 % aller Neurone im menschlichen Gehirn aus

(BRAITENBERG und SCHÜTZ 1991). Die restlichen Nervenzellen werden als nicht-

pyramidale Zellen bezeichnet und besitzen meist lokal endende Axone. Auf der Basis ihrer

Dendritenbäume werden diese Zellen als multipolar, bipolar oder büschelförmig klassifiziert

(PETERS und JONES 1984). Die morphologischen Variationen dieser zwei Gruppen

corticaler Neurone stehen im Zusammenhang mit ihren jeweiligen funktionellen

Eigenschaften (LUND 1988).

Neben den Unterschieden zu anderen funktionellen Gebieten des Neocortex können auch die

einzelnen Felder des auditorischen Cortex anhand ihrer cytoarchitektonischen Struktur

differenziert werden (ROSE und WOOLSEY 1949).

Ein charakteristisches cytoarchitektonisches Merkmal des primären auditorischen Feldes (AI)

ist die ausgeprägte vertikale Anordnung der dendritischen und axonalen Felder der

pyramidalen Nervenzellen, insbesondere in der Lamina IV. So zeigte die Auswertung der

Dendritenorientierung innerhalb der Laminae IV und V des AI eine deutlich signifikante

(p<0.05) nicht-randomisierte vertikale sowie eine randomisierte tangentiale Verteilung der

basalen Dendriten von pyramidalen Zellen, nicht aber von denen nicht-pyramidaler

Sternzellen (GLASER et al. 1979).

Direkt unter der Pia mater liegt die nur 150 µm breite Molekularschicht, auch Lamina

plexiformis oder Lamina I genannt. Diese Schicht besteht vorwiegend aus Neuropil und

enthält keine Pyramidenzellen sowie nur eine geringe Anzahl nicht-pyramidaler Neurone.


33

Das reichhaltige Neuropil zeichnet sich durch eine unter den corticalen Schichten einzigartige

neurochemische Homogenität aus. Anhand der Nervenfaserstruktur kann innerhalb der

Lamina I eine oberflächliche und tiefe Schicht differenziert werden.

Die obere Schicht Ia enthält viele myelinisierte Axone und einige aufsteigende dendritische

Äste. Die tiefe, besonders zellarme und neuropilreiche Schicht Ib hingegen beherbergt

hauptsächlich unmyelinisierte Axone und umfangreichere, aus den tieferen Schichten

aufsteigende, apikale Dendriten (SOUSA-PINTO et al. 1975). Die auffallendsten Neurone in

der Lamina I sind horizontale Zellen, deren marklose Dendriten meist parallel zur

Cortexoberfläche verlaufen. Die mittelgroßen Nervenzellen der Lamina I entsenden ihre

zahlreichen Dendriten in ungeordneter Struktur vertikal in zwei Richtungen. Die wenigen

nicht-pyramidalen Zellen in der Lamina I sind meist spindelförmig und verschieden groß. Sie

besitzen zumeist maximal fünf Dendriten, deren distale Abzweigungen nur wenig entwickelt

sind.

In der äußeren Körnerschicht, oder Lamina II, können sowohl pyramidale als auch nicht-

pyramidale Zellen angetroffen werden, wobei letztere den weitaus größeren Anteil

ausmachen.

Auch diese, sich etwa 150 bis 200 µm unter der weichen Hirnhaut an die Molekularschicht

anschließende Schicht, kann in zwei Unterschichten geteilt werden. Die weniger dichte

oberflächliche Schicht IIa enthält vorwiegend kleinere, zumeist nicht-pyramidale, multipolare

Neurone mit rundem oder blitzförmigem Soma und feinen, meist lokal begrenzten,

ungeordnet verlaufenden nicht-myelinisierten Dendriten. In der unteren Schicht IIb sind vor

allem die lateral und vertikal in andere Schichten projizierenden Pyramidenzellen angesiedelt

(WINGUTH und WINER 1986). Diese sind im Vergleich zu den Pyramidenzellen der

Lamina III kleiner und besitzen weniger gut entwickelte dendritische Felder. Im Vergleich zur

Lamina IIa sind die Dendriten der Lamina IIb jedoch massiver. In Golgi-gefärbten Schnitten

lassen sich von jedem Zelltyp noch verschiedene Größen darstellen. Zu unterscheiden sind

kleine und mittlere Pyramidenzellen, deren apikale Dendriten in die Lamina I projizieren,

bipolare Zellen mit dünnen Dendriten, kleine runde oder spindelförmige multipolare Neurone

mit strahlenförmigen Ausläufern, welche ein enges dendritisches Feld beschreiben, und große

multipolare Zellen, deren gut ausgebildete Fortsätze hoch entwickelt sind. Die nicht-

pyramidalen Körner- oder Sternzellen sind so arrangiert, dass sie als Schaltneurone innerhalb

der vertikalen Zellkolumnen fungieren.


34

Die Grenze zwischen der Lamina II und der äußeren Pyramidenschicht, Lamina III, ist durch

das Auftreten der markanten großen Pyramidenzellen bei etwa 400 µm charakterisiert. Mit

300 µm (SOUSA-PINTO 1973b) bzw. 500 µm Dicke (WINER 1992) macht die Lamina III

etwa ein Viertel der Gesamtdicke des primären auditorischen Feldes aus. Die in dieser Schicht

zahlreich vorkommenden pyramidalen Zellen variieren in drei Größen, wobei sich die

charakteristischen großen Pyramidenzellen vor allem in der unteren Teilschicht, Lamina IIIb

befinden. Diese Nervenzellen erhalten Afferenzen aus dem Thalamus, aus ipsilateralen und

intrinsischen corticalen Bereichen und aus Gebieten der kommisuralen Windungen. Ihre

Dendriten bilden ein lokales Netzwerk, welches in die eigene Lamina und die Lamina IV

einstrahlt und durch ausgedehnte afferente Ausläufer das kontralaterale AI innerviert. Einige

projizieren auch in andere ipsilaterale auditorische Felder (CODE und WINER 1985).

Vor allem in der Lamina IIIb sind auch die am zahlreichsten vorkommenden mittleren

Pyramidenzellen lokalisiert. Während die apikalen Ausläufer dieser dicht gepackten Neurone

in die Lamina I projizieren, ziehen die lateral ausgerichteten basilaren Ausläufer in das

laminaeigene Neuropil und demarkieren die schwer erkennbare Grenze zur Lamina IV. Die

Abgrenzung zur Lamina IV ist auch mit Hilfe der Nissl-Färbung nicht eindeutig zu

bestimmen, da sich einige der Pyramidenzellen der Lamina III mit den granulären Zellen der

Lamina IV vermischen.

In der oberflächlichen Schicht IIIa finden sich kleine Zellen mit ovalen Somata und eine

Vielzahl an kleinen Pyramidenzellen, deren apikale Dendritenäste in die Lamina II ziehen.

Die in der Lamina III vorkommenden nicht-pyramidalen Zellen scheinen hauptsächlich

lokalen Einfluss in die Lamina II zu haben. Neben bipolaren Varianten, deren Axon in

Richtung Lamina II orientiert ist, kommen auch kleine multipolare Zellen vor, welche in

genau definierte corticale Gebiete projizieren. Die meisten dieser Neurone sind kleiner als 50

µm und bilden im Gegensatz zu den meist tangential ausgerichteten Dendriten der

Pyramidenzellen wenig vertikal polarisierte, kugelige dendritische Felder. MEYER et al.

(1984) beschrieben zusätzlich nicht-pyramidale Sternzellen, deren meist parallel zu den

Dendriten der Pyramidenzellen verlaufende Ausläufer hauptsächlich lokalen Einfluss

besitzen, und kleine axonfreie Nervenzellen mit feinen Dendriten.

Das Neuropil der Lamina III wird sowohl von feinen Dendriten aus der schichteigenen

Neuroglia, als auch von aufsteigenden Axonen aus der oberflächlichen und tiefen Schicht der

Lamina IV, die Quellen der intracorticalen Verbindungen sind, gebildet.


35

Der Beginn der 200 bis 250 µm dünnen inneren Körnerzellschicht, Lamina IV, ist durch

kleine ovale Zellen markiert. Diese Zellschicht ist charakterisiert durch vorwiegend kleine,

dicht gepackte nicht-pyramidale Zellen, die überaus deutliche corticale Kolumnen bilden. Der

säulenartige Aufbau entsteht durch den vertikalen Verlauf der eigenen Perikarya mit ihren

Ausläufern und durch einstrahlende Axone der aufsteigenden intrinsischen Fasern

corticocorticalen und thalamischen Ursprungs.

Von den in dieser Schicht anzutreffenden sechs verschiedenen Nervenzelltypen befinden sich

die kleineren Neurone mit ihrem lokal begrenzten Einfluss zumeist in der oberen Hälfte

(Lamina IVa). Auffällig sind die sogenannten „Double bouquet“ – Zellen („bitufted cells“),

welche zu den höchst entwickelten Zellen dieser Schicht zählen. Sie besitzen die größte

Anzahl an Dendriten, welche pferdeschwanzartig entweder in horizontaler Projektion die

intralaminare Grenze der inneren Körnerschicht markieren, oder lang und stielförmig

ausgebildet in die Lamina III ziehen. In der Lamina IVb befinden sich große, meist

multipolare und büschelförmige Zellen, deren Spine-reiche Ausläufer auch in die Lamina III

reichen.

Die etwa 1000 bis 1100 µm unter der Pia mater beginnende innere Pyramidenzellschicht,

Lamina V, ist wie die Lamina III ungefähr 400 µm dick und enthält eine umfassende

morphologische Ansammlung von pyramidalen und nicht-pyramidalen Zellen. Diese

Nervenzellen sind in weniger dichten vertikalen, strahlenförmigen Fäden angeordnet, welche

nur von dünnen Streifen somafreien Neuropils unterbrochen sind. Die herausragende

Eigenschaft der Lamina V ist das Vorhandensein zahlreicher Pyramidenzellen, von denen

einige die größten Neurone innerhalb des AI sind. Eine signifikante Anzahl dieser Zellen hat

zudem eine seitenverkehrte Orientierung. In sich kann auch die Lamina V in eine obere,

zellarme aber faserreiche Lamina Va und eine untere Teilschicht (Vb) mit zahlreichen

Pyramidenzellen unterschiedlicher Größe differenziert werden.

Insgesamt kommen in der Lamina V sieben unterschiedliche Zelltypen vor, von denen drei zu

den pyramidalen Zellen gezählt werden. Diese Neurone sind relativ groß und besitzen ein

einfaches Axongeflecht sowie eine vielseitige Dendritenanordnung. Bemerkenswert sind die

Riesenpyramidenzellen, auch Betzsche Zellen genannt, deren Perikarya bis zu 100 µm groß

sind. Die Dendriten dieser Zellen haben entweder einen intralaminaren Verlauf oder reichen

vor allem mit ihren apikalen Anteilen in die Laminae I und II. Dort verlaufen sie teilweise

parallel zur Cortexoberfläche und nehmen so Kontakt mit feinen Axonen aus dem Corpus

geniculatum mediale auf (RYUGO und KILLACKEY 1974).


36

Sternförmige Pyramidenzellen, auch als „umgekehrte Pyramidenzellen“ bezeichnet, formen

mit ihren Dendriten einen mehr strahlenförmigen Funktionsbereich. Abhängig von den

Klassifizierungskriterien werden diese Zellen entweder wegen ihrer langen apikalen

Dendriten zu den Pyramidenzellen gezählt, oder aber aufgrund der GABAergen Perikarya den

nicht-pyramidalen Zellen zugeordnet (PRIETO et al. 1992).

Zu den verschiedenen in der Lamina V vorkommenden nicht-pyramidalen Neuronen zählen

große und mittlere multipolare Zellen. Die großen multipolaren Nervenzellen besitzen durch

die gesamte Lamina V ziehende, sehr schlanke Dendriten mit wenigen Verzweigungen. Die

dicken nicht-myelinisierten Axone sind lokal weit verzweigt und einige dieser enden bei

vertikaler Projektion wahrscheinlich an den apikalen Dendriten der Pyramidenzellen. Die

mittleren multipolaren Zellen sind zum Großteil in der Lamina Va lokalisiert. Diese Zellen

strahlen mit ihren feinen Dendriten mehr kugelförmig aus. Die ebenfalls dicken nicht-

myelinisierten Axone bilden ein überwiegend lokal begrenztes, laterales Netzwerk, welches

vertikal auf- und absteigende Ausläufer entsendet, deren Ausmaß nicht an das der großen

multipolaren Zellen heranreicht.

Die multiforme Schicht, Lamina VI, beginnt etwa 1500 µm unter der Cortexoberfläche, hat

ebenfalls eine Breite von 400 µm und ist trotz einiger versprengter Nervenzellen deutlich zur

weißen Substanz hin abgegrenzt. Die Lamina VI enthält große, mit myelinisierten Axonen

gefüllte, zellfreie Zonen, welche von dicht und gleichmäßig gelagerten Nervenzellen

akzentuiert werden. Diese Neurone besitzen innerhalb des primären auditorischen Feldes mit

einer Population von mindestens neun verschiedenen Arten die höchste Diversität. Einzigartig

im primären auditorischen Feld und charakteristisch für diese Zellschicht ist das Auftreten

von Riesenmultipolarzellen. Diese Zellen kommen jedoch in nur sehr geringer Anzahl vor.

Sie besitzen einen spindelförmigen Zellkörper, welcher einen Durchmesser von mindestens

50 µm hat. Mit einem dendritischen Feld, welches eine Höhe von 600 µm und eine Breite von

400 µm aufweist, ist eine solche Zelle in der Lage verschiedene Repräsentationsbereiche oder

Isofrequenz- oder Repräsentationsbereiche eines Ohres umfassen (MIDDLEBROOKS et al.

1980). Weiterhin kennzeichnend für die Lamina VI sind horizontale Zellen, welche sowohl

Eigenschaften pyramidaler als auch nicht-pyramidaler Zellen besitzen. Sie entwickeln eine

den bipolaren Nervenzellen ähnliche horizontale Polarisation der Dendriten, welche nicht so

weit verzweigt sind wie jene der Pyramidenzellen.

Die oberflächliche Lamina VIa ist dominiert von Pyramidenzellen, welche vorwiegend eine

vertikale Anordnung zeigen.


37

Die Form der kleinen und mittleren Pyramidenzellen unterscheidet sich von deren

Äquilvalenten der Laminae II bis IV durch eine geringere Anzahl und einfachere

Dendritenaufzweigungen, welche eine zellarttypische Vielfältigkeit vermissen lassen. Die

apikalen Dendriten dieser Zellen reichen selten bis in die Lamina III, die Axone projizieren in

die weiße Substanz. Außerdem kommen atypische Pyramidenzellen vor, welche sich mit

enorm langen Axonen bis zur Basis der Lamina IV erstrecken. Auch die sternförmigen

„umgekehrten Pyramidenzellen“ können angetroffen werden. Letztere sind ebenfalls

einfacher aufgebaut als die in der Lamina V vorkommenden Exemplare. In der unteren

Schichthälfte, der Lamina VIb, sind vor allem die nicht-pyramidalen Zellen in einer

heterogenen Anordnung angesiedelt. Obwohl sie in ihrer Anzahl sehr viel geringer sind als in

den anderen Laminae, sind fünf verschiedene Arten ausgeprägt. Kleine und mittlere

Nervenzellen mit einfachen, sternförmigen oder leicht büschelförmigen Fortsätzen bilden ein

eher kleines dendritisches Feld mit einer lateralen Ausbreitung von 150 µm. Des Weiteren

existieren bipolare Nervenzellen mit schlanken Dendriten.

Der histologische Aufbau des sekundären auditorischen Feldes (AII) entspricht im

wesentlichen dem des AI. Charakteristisch für das AII ist das Auftreten von Riesen-

pyramidenzellen in der oberen Hälfte der inneren Pyramidenzellschicht (Lamina Va). Zudem

erscheint die Zelldichte aller sechs Zellschichten insgesamt wesentlich homogener.

Zwischen dem AI und dem anterioren auditorischen Feld (AAF) bestehen ebenfalls keine

großen cytoarchitektonischen Unterschiede. Insgesamt ist die Zelldichte im AAF etwas

geringer als im AI. Zudem sind die Zellkörper der pyramidalen und nicht-pyramidalen Zellen

größer als im primären auditorischen Feld. Besonders in den Laminae IIa und IVa fällt der

Größenunterschied bei den Pyramidenzellen auf. Auch enthält die Lamina IV des AAF

Pyramidenzellen und die Zellarmut der Lamina V ist weniger stark ausgeprägt.

Untersuchungen des humanen auditorischen Cortex zeigen ebenfalls ein Gebiet mit

verschiedenen Schichten, welche im Vergleich mit dem felinen auditorischen Cortex eine

ähnliche Schichtbreite bei ähnlicher Zelldichte aber unterschiedlichen Zellgrößen zeigen. Die

größte Zelldichte in der humanen Hörrinde ist in den Laminae II und IV erkennbar.

Charakteristisch für die Lamina IV ist eine sehr heterogene Population mit verschiedenen

Zellarten. In Studien von ONG und GAREY (1990) konnten mit Hilfe der Golgi-Färbung

morphologische Ähnlichkeiten mit der Zellpopulation der Katze, vor allem bei den nicht-

pyramidalen Zellen, festgestellt werden.


38

2.5 Die Veränderungen im auditorischen System der Katze

2.5.1 Die physiologische Entwicklung und Ausreifung des auditorischen Systems

2.5.1.1 Das Hörorgan und die afferente Hörbahn

Während beim Menschen Antworten auf akustische Stimuli schon in der 24.

Schwangerschaftswoche beobachtet werden können (WALSH und MCGEE 1990), entwickelt

sich der Hörsinn bei Katzen erst in den ersten Lebenswochen parallel zur Entwicklung des

äußeren Gehörgangs und der auditorischen Hörbahn (MOORE 1985).

Bei der Katze sind zum Zeitpunkt der Geburt das äußere und mittlere Ohr noch unausgereift.

Während der ersten Lebenswoche ist der äußere Gehörgang geschlossen und das Mittelohr

mit Amnionflüssigkeit gefüllt (WALSH et al. 1986). Zum Ende der ersten Lebenswoche

öffnet sich der äußere Gehörgang und das Trommelfell sowie die noch wenig kalzifizierten

Gehörknöchelchen werden freigelegt. Schließlich wird die Flüssigkeit im Mittelohr resorbiert.

Auch das Innenohr der Katze ist in der ersten Lebenswoche zunächst noch unausgereift

(PUJOL und MARTY 1970). Die anatomische Ausreifung der Cochlea beginnt in der Mitte

der basalen Windung. Nach der Differenzierung der Haarzellen kommt es zu deren

Innervierung durch aussprossende Spiralganglienzellausläufer. Im Anschluss reifen die

Stützzellen des Corti-Organs aus, der Cortische Tunnel öffnet sich und die Basilarmembran

erhält ihre endgültige Beweglichkeit. Anschließend reifen Elemente im apikalen Teil der

Cochlea (EGGERMONT et al. 1991). Die Reifung der mechanischen Elemente der Cochlea

dauert bei der Katze bis zur 3. Lebenswoche an (LINDEMAN et al. 1971).

Die funktionelle Entwicklung der auditorischen Hörbahn findet parallel in den ersten Wochen

nach der Geburt statt. Bei normalhörigen Katzen können ab dem sechsten Lebenstag

akustisch evozierte Hirnstammpotentiale abgeleitet werden (WALSH et al. 1986). Ab dem 30.

Lebenstag ist die auditorische Funktion schließlich voll entwickelt (KELLER 1997).

2.5.1.2 Der auditorische Cortex

Im Gegensatz zu den Strukturen des Ohres und zur zentralen Hörbahn benötigt die

Entwicklung sowohl des felinen als auch des humanen auditorischen Cortex einen weit

ausgedehnteren Zeitraum. So beginnt die laminäre Ausreifung des Cortex beim Menschen

bereits in der 16. Fetalwoche und schreitet bis zum vierten Lebensmonat fort.


39

Die vollständige Reifung der sechsschichtigen Cytoarchitektur ist jedoch erst mit dem 3.

Lebensjahr abgeschlossen. Im Alter von 11 bis 12 Jahren ist schließlich die endgültige

axonale Dichte entwickelt (MOORE und GUAN 2001).

Die neuronale Entwicklung und Ausreifung in der Großhirnrinde findet dabei sowohl beim

Menschen (HUTTENLOCHER und DABHOLKAR 1997), als auch bei der Katze (FRIAUF

und SHATZ 1991) von innen nach außen statt. Die Neurone der tiefen corticalen Schichten

entstehen zuerst, während die der äußeren, oberflächlichen Laminae später entstehen

(LUSKIN und SHATZ 1985), um dann zwischen den infragranulären Schichten nach oben zu

wandern (sogenannte Zell-Migration).

Die grundsätzlichen intracorticalen neuronalen Verknüpfungen des felinen auditorischen

Cortex sind bereits bei der Geburt vorhanden. Die Axone bilden jedoch ein dichtes,

kontinuierliches Band, welches sich über den Cortex ausbreitet. Die vertikale Anordnung der

Neurone in Säulen, wie sie im ausgereiften auditorischen Cortex deutlich ausgeprägt ist, ist

bei neonatalen Tieren noch nicht ausgebildet (FENG und BRUGGE 1983). Ungleich dem

Herausbilden der Basisschaltungen im auditorischen Cortex, welche vor dem Beginn des

Hörvermögens entstehen, hält die dendritische Entwicklung lange nach dem Beginn des

Hörvermögens an. Die Initialphase des dendritischen Wachstums ist durch die Produktion

zahlreicher Äste gekennzeichnet. Ihren maximalen Verästelungsgrad erreichen die Neurone

gerade vor Erreichen der Hörfähigkeit. Es folgt eine Phase der Differenzierung, in welcher die

Anzahl der Dendritenäste wieder abnimmt. Dabei reifen proximale Dendriten zuerst aus,

während die terminalen Strukturen lange in unreifem Zustand verbleiben (DeCARLOS et al.

1985).

Für die Funktion des auditorischen Cortex besteht gleich vielen anderen zentralen

sensorischen Bereichen eine kritische Entwicklungsperiode. Diese dehnt sich beim Menschen

bis auf das 7. Lebensjahr aus (SKUSE 1993). Für die Katze existieren widersprüchliche

Literaturangaben, nach denen die kritische Phase bis zur 3. Lebenswoche (REBILLARD et al.

1980) bzw. bis hin zum 6. Lebensmonat (KRAL et al. 2001; KRAL et al. 2002) anhält.

Während dieser kritischen Phase kommt es bei ungestörter Entwicklung mit normaler

akustischer Stimulation zur fortschreitenden Differenzierung, Myelinisierung und Ausbildung

von Synapsen. Wird jedoch in dieser kritischen Periode die normale akustische Entwicklung

gestört, kommt es zu erheblichen plastischen Veränderungen (siehe Kapitel 2.5.2), welche um

so deutlicher ausfallen, je jünger die deprivierten Tiere sind (MOORE 1985).


40

2.5.2 Die plastischen Umstrukturierungen im auditorischen System nach neonataler

akustischer Deprivation

Unter „Plastizität“ versteht man in Bezug auf das Nervensystem die Verformbarkeit von

neuronalen Verbindungen. Diese können sich auf den Funktionsbereich einzelner

Nervenzellen oder ganzer Neuronenaggregate auswirken.

ELBERT und ROCKSTROH (2004) unterscheiden vier Prinzipien der corticalen Plastizität:

Zum einen führt eine gesteigerte Stimulation eines cerebralen Bereiches zu einer

Vergrößerung der jeweiligen corticalen Repräsentationszonen und kann zusätzlich die

Topographie dieses Areals verändern („Practice makes perfect“). Zum anderen führt eine

Reduktion sowie ein vollständiger Verlust von afferentem Input zu einer Übernahme der

deprivierten Cortexareale durch andere, noch aktivierbare Repräsentationszonen („Use it or

lose it“). Weiterhin führt eine synchrone, für das Verhalten relevante Stimulation von

benachbarten peripheren Rezeptoren zu einer Integration ihrer corticalen Repräsentation

(„Fire together, wire together“). Schließlich finden Veränderungen nur statt, wenn

verhaltensrelevante Aufgaben und deren Übung so intensiv und ausgeprägt sind, dass das

Gehirn deren Verarbeitung auch im Schlaf fortsetzt („You have to dream it to achieve it“).

Von HEBB (1949) wurde postuliert, dass diese Ausbildung und Aufrechterhaltung der

funktionellen cerebralen Organisation auf den Mechanismen synaptischer Interaktionen

beruht.

Übertragen auf die zentrale auditorische Hörbahn und den auditorischen Cortex kann es durch

eine akustische Deprivation zu anhaltenden Veränderungen in der tonotopen Organisation, in

der allgemeinen neuronalen Organisation sowie zu Veränderungen der Dendritenanzahl, der

Dendritenlänge und der Spine- bzw. Synapsenanzahl kommen.

Für experimentelle Arbeiten wird eine akustische Deprivation als Plastizität-auslösendes

Agens entweder durch die lokale oder systemische Applikation von ototoxischen Substanzen

(zumeist Aminoglykosid-Antibiotika) oder durch eine chirurgischen Entfernung der

cochleären Strukturen herbeigeführt. Als im Anschluss beobachtete, für eine Plastizität im

auditorischen System verantwortliche Mechanismen können die schnelle Aufhebung von

Hemmeffekten, sogenannte Demaskierung, oder eine tatsächlich stattfindende Reorganisation

von Zellen mit damit einhergehenden morphologischen Veränderungen fungieren. Diese

können sowohl in subcorticalen Bereichen der auditorischen Hörbahn als auch im

auditorischen Cortex auftreten. Der genaue Mechanismus der neuronalen Plastizität ist jedoch

noch nicht exakt bekannt.


41


Die Haarzellen von Säugetieren unterliegen, im Gegensatz zu denen von Vögeln (zur

Übersicht siehe COTANCHE 1999), keiner spontanen Regeneration und ein Verlust dieser

Rezeptorzellen führt zu einer irreversiblen sensorineuralen Taubheit. In Folge dessen findet

zunächst ein schneller und extensiver Verlust der unmyelinisierten peripheren Dendriten

innerhalb des Corti-Organs statt (TERAYAMA et al. 1977). Diesem folgt eine eher

schrittweise Degeneration der myelinisierten Anteile der peripheren Dendriten innerhalb der

knöchernen Lamina spiralis und der Zellkörper der Spiralganglienzellen (HARDIE und

SHEPHERD 1999). Während die Spiralganglienzellen über die gesamte Lebenszeit einer

retrograden Degeneration unterliegen können, entsteht ein transneuronaler Verlust von

Neuronen des Nucleus cochlearis (NC) und höherer Strukturen fast ausschließlich, wenn es

während der frühen, kritischen Entwicklungsperiode des auditorischen Systems zu

Schädigungen im akustischen System kommt (NORDEEN et al. 1983; TIERNEY et al.

1997). So konnte nach neonataler akustischer Deprivation ein hochsignifikantes Schrumpfen

verschiedener Strukturen im felinen auditorischen Hirnstamm beobachtet werden.

Das Gesamtvolumen des NC verringerte sich beispielsweise um 42 %, die durchschnittliche

Größe sphärischer Zellen um 38 % und die Dichte der sphärischen Zellen im anterioren

ventralen Nucleus des NC nahm um 57 % ab (LUSTIG et al. 1994). Ähnlich Ergebnisse

wurden von HULTCRANTZ et al. (1991) sowie HEID et al. (1998) erarbeitet.

VOGT et al. (1997) konnten nachweisen, dass bei neonatal ertaubten Katzen das

Gesamtvolumen sowie die Zellfläche der zentralen Nuclei der inferioren Colliculi (ICC) im

Vergleich zu normalhörigen Tieren signifikant verringert und die Zelldichte signifikant erhöht

war. Da die Gesamtzellzahl der ICC nicht signifikant verändert war, wurden die

Deprivationseffekte als Atrophie der Zellkörper mit nur geringem Verlust von Zellen und

daraus resultierender erhöhter Zelldichte interpretiert.

In der afferenten Verbindung des Nucleus cochlearis zum inferioren Colliculus (IC) konnten

dagegen zwischen kongenital tauben Katzen und normalhörigen Tieren nur geringe

Unterschiede nachgewiesen werden (HEID et al. 1997). So zeigte sich lediglich eine auffällig

reduzierte nucleotope Organisation innerhalb des kontralateralen posterioren ventralen NC

und des dorsalen Nucleus des lateralen Lemniscus beider Seiten. Das Muster der

Hauptprojektionen zeigte sich trotz kongenitaler auditorischer Deprivation unverändert

(LUSTIG et al. 1994).


42

Es sei hier allerdings erwähnt, dass bei kongenital tauben Katzen ein größeres Maß an

auditorischen Afferenzen als bei neonatal ertaubten Katzen bewahrt ist (HEID et al. 1998;

LEAKE et al. 1999).

Untersuchungen an unilateral experimentell auditorisch deafferentierten Versuchstieren haben

hingegen nachgewiesen, dass eine einseitige Cochleaschädigung eine Reorganisation der

afferenten Projektionsmuster nach sich zieht. So sind die vom Nucleus cochlearis zum

kontralateralen inferioren Colliculus aufsteigenden Projektionen von der deafferentierten

Seite signifikant um 30 bis 65 % reduziert (NORDEEN et al. 1983). Weiterhin besteht ein

damit einhergehender Anstieg der Fähigkeit des unbeschädigten Ohres Neurone in den

ipsilateralen inferioren Colliculus (KITZES 1984) und auditorischen Cortex (REALE et al.

1987) zu senden. Auch MOORE (1994) wies nach Zerstörung der Cochlea und langen

Überlebenszeiten eine Erhöhung der Neurone im NC nach, welche Axone an den ipsilateralen

IC senden.

In Einklang mit den morphologischen Auswirkungen einer akustischen Deprivation wird

durch eine Schädigung der Cochlea auch die Neurochemie der zentralen auditorischen

Hörbahn beeinflusst. So ist die Proteinsynthese im NC nach Schädigung oder Inaktivierung

der Cochlea schnell und signifikant herunterreguliert (SIE und RUBEL 1992). Ferner

induziert eine Cochleaschädigung eine komplexe Serie von Veränderungen der Freisetzung,

Bindung und Wiederaufnahme innerhalb der glutamatergen, glycerinergen und GABAergen

Systeme im auditorischen Hirnstamm (MARIANOWSKI et al. 2000; SUNEJA et al. 1998).

Weitere Hinweise für Kompensationsmechanismen innerhalb der zentralen auditorischen

Hörbahn konnten bei physiologischen Versuchen mit Chinchillas gefunden werden. Dort trat

nach lokal begrenzten Cochleaschädigungen, trotz einer dem Verlust der inneren Haarzellen

proportionalen Reduktion der Hörnervaktivität, eine dagegen nur leicht reduzierte Amplitude

des inferioren Colliculus auf. Dieses beruhte zum einen darauf, dass die Abnahme der

Amplitude des zusammengesetzten Aktionspotentials des Hörnerven (CAP) keinen Effekt auf

die Reizschwelle und das Tuning der verbliebenen aktiven Fasern im Hörnerven hatte. Zum

andern kam es innerhalb des IC zu einem schnelleren Anstieg des lokalen Feldpotentials und

einer Erhöhung der maximalen Amplitude von unterhalb der Cochleaschädigung lokalisierten

Frequenzen. Neben der nur geringen Verringerung der Reizantwort des inferioren Colliculus

wurde auf der Ebene des auditorischen Cortex sogar eine über das normale Maß erhöhte

Reaktivität festgestellt (RAGGIO und SCHREINER 1999).


43

Ursache für diese Veränderungen ist wahrscheinlich eine Demaskierung von bereits

vorhandenen, aber gehemmten neuronalen Verbindungen. Insbesondere der Verlust von

Inhibitionen aus dem Bereich der Hörschädigung könnte hierbei eine Rolle spielen (SALVI et

al. 2000).


Weder beim Menschen noch bei anderen Wirbeltieren ist das Gehirn vollständig genetisch

determiniert. Während der Embryonalphase entwickelt sich die cerebrale Mikrostruktur in

Abhängigkeit von den aus der Peripherie aufsteigenden Nervenbahnen. Die Entwicklung der

auf corticaler Ebene nachweisbaren Veränderungen besteht insbesondere in der Aussprossung

oder Rückbildung von thalamocorticalen Afferenzen. Auch postembryonal können im

Bereich des auditorischen Cortex neuronale Neuverknüpfungen auftreten. Die nach Abschluss

der Ontogenese stattfindende Plastizität durch die Zerstörung und Neubildung synaptischer

Verbindungen beschränken sich jedoch auf Bereiche von wenigen Mikrometern und dürfen

nicht als Kompensation für peripher bedingte Taubheit verstanden werden (GILBERT 1993).

Tatsächlich stattfindende funktionelle Veränderungen im Sinne einer Reorganisation im

Bereich des felinen auditorischen Cortex nach einer neonatalen Langzeitertaubung wurden

von DINSE und Mitarbeitern mittels optischer Messungen intrinsischer Signale

nachgewiesen. Als Effekte wurden kleinere aktivierte Flächen und geringere Signalstärken im

Vergleich zu akut ertaubten Versuchstieren gefunden (DINSE et al. 1997). Derartige

Veränderungen lassen sich zudem durch Messung der synaptischen Aktivität darstellen. So

fallen die synaptischen Ströme von Reizantworten mittlerer Latenzen kongenital tauber

Katzen in den Laminae II und III sowie weiterer infragranulärer Schichten im primären

auditorischen Feld signifikant geringer aus als bei hörenden Kontrolltieren (KLINKE et al.

1999; KRAL et al. 2000).

HARRISON et al. (1991) konnten weiterhin an Katzen zeigen, dass sich die tonotope

Organisation des primären auditorischen Feldes nach hochfrequentem bilateralen neonatalen

cochleären Hörverlust durch die Applikation des ototoxischen Aminoglykosid-Antibiotikums

Amikacin umfassend umstrukturiert. Dabei beinhalteten die anterioren Teile des primären

auditorischen Feldes, welche physiologisch Neurone mit hohen charakteristischen Frequenzen

(CF) beherbergen, fast ausschließlich Neurone mit einer speziellen, niedrigeren CF.


44

Diese Frequenz entsprach auf Ebene der Cochlea dem Grenzbereich zwischen intakten und

beschädigten Haarzellen. Diese Veränderungen (Übergreifen von periläsionären Frequenzen)

reflektieren einen dynamischen Prozess der Plastizität und sind nicht als passive

Konsequenzen der Schädigung erklärbar (IRVINE et al. 2001).

Die tonotope Abbildung des primären auditorischen Feldes bei neonatal ertaubten Katzen

zeigt im Vergleich zu normalhörenden Tieren generell ein durch irregulär angeordnete

Aktivitätszonen mit mehreren Aktivitätszentren hervorgerufenes diffuses und fleckiges

Erscheinungsbild. Die bei Kontrolltieren gefundenen klaren Aktivitätsveränderungen

aufgrund der Tonotopie der Frequenzabbildung können bei tauben Tieren nicht beobachtet

werden. Neben dieser Verzerrung der corticalen Tonotopie liegen bei tauben Tieren zudem

erhöhte neuronale Schwellenwerte vor (REUTER et al. 2002a).

Cytoarchitektonisch wurde für den felinen auditorischen Cortex gezeigt, dass in der Lamina

III des ipsilateralen und kontralateralen primären auditorischen Feldes neonatal ertaubter

Tiere eine signifikante Reduktion der Gesamtneuronenanzahl und der Anzahl großer

Pyramidenzellen auftritt (REUTER 1997; WENKE 1999). Auch im kontralateralen anterioren

auditorischen Feld kommt es zu einem signifikanten Pyramidenzellverlust in der Lamina III.

Im ebenfalls untersuchten sekundären auditorischen Feld beider Cortexhemisphären zeigten

sich hingegen keine signifikanten Unterschiede (WENKE et al. 1997).

Im Bereich des humanen auditorischen Cortex konnte mittels funktioneller

Magnetresonanztomographie (fMRI) eine Reduktion der corticalen Aktivität bei

hörbeeinträchtigten Personen nachgewiesen werden (FIRSZT et al. 2003). Zudem zeigte sich

bei unilateraler Taubheit eine bilaterale Aktivierung der Hörrinde. Ursache für derartige

zentralauditive Kompensationsmechanismen im Sinne einer Bilateralisation ist auch hier

wahrscheinlich eine Demaskierung vorhandener ipsilateraler Verbindungen (BILECEN et al.

2000).

Hinsichtlich der physiologisch-funktionellen Reorganisation besitzen die übergeordneten

auditorischen Felder, insbesondere das sekundäre auditorische Feld bei Katzen, ebenso wie

die supragranulären Hirnschichten (KACZMAREK et al. 1997) eine größere Plastizität als

das primäre auditorische Feld (WEINBERGER et al. 1984).


45

Dahingehend wurde eine corticale Plastizität über die Grenzen des auditorisch-sensorischen

Areals hinweg von REBILLARD et al. (1977, 1980) nachgewiesen. Nach bilateraler

chirurgischer neonataler akustischer Deprivation sowie bei kongenital tauben Katzen konnten

im primären auditorischen Cortex visuell evozierte Potentiale abgeleitet werden. Diese Daten

konnten jedoch in einer späteren Studie nicht bestätigt werden (KRAL et al. 2003).

Umgekehrt konnten RAUSCHECKER und KORTE (1993) an neonatal durch Verschluss der

Augenlider binocular deprivierten Katzen zeigen, dass diese Tiere akustische

Lokalisationsaufgaben besser absolvierten als Kontrolltiere. Anatomisch hatten sich

auditorische Bereiche in Regionen ausgebreitet, die bei sehenden Tieren auf visuelle Reize

reagierten.

In Übereinstimmung mit diesen tierexperimentellen Ergebnissen führt die visuelle

Präsentation von Zeichen bei humanen Patienten nach Langzeitgebrauch der Zeichensprache

zu einer Aktivierung des Sprachsystems in der gleichen Weise, wie es bei hörenden Personen

durch Sprache geschieht (PETITTO et al. 2000). Zusätzlich konnten PARASNIS (1998)

sowie NEVILLE und LAWSON (1987) in ihren Untersuchungen nachweisen, dass taube

Patienten in visuellen und kognitiven Tests besser abschneiden als hörende Personen.

2.5.3 Die plastischen Umstrukturierungen im auditorischen System nach neonataler

akustischer Deprivation und anschließender chronischer elektrischer intracochleärer

Stimulation

Durch in die Scala tympani der Cochlea eingeführte elektronische Reizprothesen, den

Cochlea-Implantaten, kann die Funktion ausgefallener innerer Haarzellen überbrückt werden.

Durch die Verwendung mehrkanaliger Elektroden kann die in der Cochlea vorgegebene

Tonotopie in einem großen Frequenzbereich genutzt werden. Zahlreiche Studien haben die

Auswirkungen der chronischen elektrischen intracochleären Stimulation bei neonatal

ertaubten Tieren untersucht. Dabei zeigte sich, dass Entwicklungsstörungen zumindest

teilweise durch eine ausreichende elektrische Stimulation aufgehoben werden können.


LUSTIG et al. (1994) fanden bei neonatal ertaubten, unilateral chronisch intracochleär

stimulierten Katzen eine Linderung der durch eine neonatale Ertaubung hervorgerufenen

Schrumpfung der sphärischen Zellen innerhalb des Nucleus cochlearis (NC).


46

Gleichzeitig zeigte der Vergleich zwischen ipsi- und kontralateralem NC im Durchschnitt um

6 % signifikant größere Zellen im ipsilateralen NC. Letztere Ergebnisse konnten jedoch von

HULTCRANTZ et al. (1991) nicht reproduziert werden. Das Gesamt-NC-Volumen, sowie

die Dichte der sphärischen Zellen, konnten durch die chronische elektrische Stimulation nicht

beeinflusst werden (LUSTIG et al. 1994). Weiterhin konnte im Vergleich zum

kontralateralen, unstimulierten Ohr dieser Tiere für elektrodennahe Bereiche der stimulierten

Cochlea ein signifikanter Erhalt der Spiralganglienzellen beobachtet werden (LEAKE et al.

1991).

Auf Ebene des inferioren Colliculus konnten nach chronischer elektrischer intracochleärer

Stimulation von neonatal ertaubten Katzen größere Areale innerhalb des zentralen Nucleus

(ICC) aktiviert werden (SNYDER et al. 1990). Zudem zeigte sich die Zellfläche des ipsi- und

kontralateralen ICC im Vergleich zu unstimulierten Tieren signifikant erhöht. In Bezug auf

das Gesamtvolumen und die Gesamtzellzahl der ICC konnte jedoch kein signifikanter

positiver Einfluss einer chronischen elektrischen intracochleären Stimulation nachgewiesen

werden (VOGT et al. 1997).

Der von CORDS (1996) durchgeführte Vergleich der Physiologie der zentralen Hörbahn

mittels früher elektrisch evozierter Potentiale zwischen neonatal ertaubten chronisch

elektrisch intracochleaär stimulierten und implantierten unstimulierten Katzen konnte positive

Einflüsse der Stimulation auf die Ausreifung des auditorischen Systems zeigen.


Bei humanen Cochlea-Implantat-Trägern korrelieren die durch akustische Reize aktivierten

corticalen Areale mit der Sprachleistung und breiten sich mit Dauer der auditorischen

Erfahrung aus (LEE et al. 2001). Nach einer Cochlea-Implantation durchgeführte Sprach-,

Verständnis- und Verhaltenstests konnten bei prälingual ertaubten Kindern zeigen, dass die

durch eine neonatale Deprivation induzierte fehlerhafte Entwicklung des auditorischen

Systems durch eine frühzeitige Implantat-Versorgung aufgehalten und in eine nahezu normale

Entwicklung gelenkt werden kann. Dabei werden die durch die künstliche Stimulation

ausgelösten Höreindrücke durch ein Hör-Sprachtraining zunehmend mit Bedeutung gefüllt

und Assoziationen mit der eigenen Sprache hergestellt.


47

Mittels Optical Recording können die Auswirkungen einer chronischen elektrischen

Stimulation mit Cochlea-Implantat auch am neonatal ertaubten felinen auditorischen Cortex

nachgewiesen werden. Sie zeigten sich als signifikante Erhöhung der Signalstärke,

Verbreiterung der aktivierten corticalen Flächen sowie einer stärkeren Überlappung der

aktivierten Bereiche (DINSE et al. 1997). Daneben findet eine Reorganisation der corticalen

Topographie statt. Ähnlich normalhörigen Tieren konnte eine Aktivitätsverlagerung von

rostral nach caudal innerhalb des primären auditorischen Feldes entsprechend der jeweils

stimulierten Frequenzen registriert werden (REUTER et al. 2002b).

Bei kongenital tauben Katzen konnten durch eine frühzeitige Implantation eines einkanaligen

Cochlear-Implantats ebenfalls Defizite in der Reifung des kontralateralen primären

auditorischen Feldes aufgefangen und sogar degenerative Prozesse aufgehoben werden

(KRAL et al. 2002). Nach chronischer Stimulation mit adäquaten Reizen zeigte sich

insbesondere eine Erhöhung der Amplituden der corticalen Feldpotentiale mittlerer Latenzen,

eine Vergrößerung der kontralateralen antwortgebenden Areale sowie eine Weiterentwicklung

von Antworten langer Latenz. Die beobachteten Aktivitäten ähnelten sowohl in der

Ausprägung, als auch in der Ausbreitung denen akustisch gereizter normalhörender Tiere und

korrelierten positiv mit der Stimulationsdauer. Im ipsilateralen auditorischen Cortex zeigten

sich gleichartige, jedoch im Vergleich geringer ausfallende Aktivitätssteigerungen (KLINKE

et al. 1999; KRAL et al. 2002).

Auch in Bezug auf die laminären synaptischen Aktivitäten im primären auditorischen Feld

konnten positive Auswirkungen einer chronischen elektrischen intracochleären Stimulation

nachgewiesen werden. Im Vergleich zu unstimulierten Tieren wiesen stimulierte kongenital

taube Katzen eine größere synaptische Effizienz auf. Während sich bei den naiven kongenital

tauben Katzen synaptische Ströme der Reizantworten mittlerer Latenzen nahezu auf die

Laminae II bis IV beschränkten, breiteten sie sich bei den stimulierten Tieren, ähnlich

normalhörenden Tieren, auf die Lamina V sowie auf weitere infragranuläre Schichten aus

(KLINKE et al. 1999; KRAL et al. 2000).

Histologisch konnte bei chronisch intracochleär stimulierten neonatal ertaubten Katzen ein

signifikanter relativer Erhalt der Pyramidenzellpopulation in der Lamina III des ispilateralen

und kontralateralen primären auditorischen Feldes nachgewiesen werden.


48

Im ipsilateralen auditorischen Cortex fiel dieser Neuronenerhalt erwartungsgemäß geringer

aus (REUTER et al. 2002a). Im anterioren auditorischen Feld konnten die durch eine

neonatale Ertaubung hervorgerufenen Zellverluste durch eine chronische intracochleäre

Stimulation nicht signifikant umgekehrt werden (WENKE 1999).

2.6 Die Ziele der Untersuchung

Im Verlauf der detaillierten Untersuchung der Auswirkungen eines Cochlea-Implantats auf

die zentrale Hörbahn soll mit dieser Arbeit die höchste Ebene der auditorischen Verarbeitung,

der auditorische Cortex, untersucht werden.

Dazu wurde die Struktur der Dendriten in den Laminae I bis VI in den drei wichtigsten

auditorischen Subarealen der Katze, dem primären, sekundären und anterioren auditorischen

Feld untersucht und gegenübergestellt. Dies erfolgte an drei Versuchstiergruppen mit

unterschiedlichem Hörstatus (normal hörend, neonatal ertaubt und neonatal ertaubt,

anschließend chronisch elektrisch intracochleär stimuliert).

3. Material und Methoden

49

3. MATERIAL UND METHODEN

3.1 Material

3.1.1 Die Versuchstiere

Bei dem in dieser Studie untersuchten Material handelt es sich um den auditorischen Cortex

von Hauskatzen (Felis domestica). Die Versuchstiere beiderlei Geschlechts im Alter zwischen

23 und 356 Wochen stammten aus Würfen der Katzenhaltung des Zentralen Tier-

laboratoriums der Medizinischen Hochschule Hannover.

Gehalten wurden die Katzen in Gruppen zu jeweils 5-15 Tieren in 12-24 m2 großen,

vollklimatisierten, fensterlosen Räumen. Die Umweltbedingungen waren mit konstanten 24

°C Raumtemperatur, 40 - 60 % relativer Luftfeuchtigkeit und 12-stündiger täglicher

Beleuchtung für alle Katzen identisch. Die Versuchstiere hatten freien Zugang zu frischem

Wasser sowie frei verkäuflichem Dosen- und Trockenfutter. Der gesamte Bestand wurde

veterinärmedizinisch betreut und hinsichtlich Ekto- und Endoparasiten regelmäßig

kontrolliert. Er war bezüglich des Felinen Leukose Virus (FeLV), des Felinen

Immundefizienz Virus (FIV) und der Toxoplasmose serologisch negativ. Gegen

Katzenschnupfen (Infektiöse Rhinotracheitis) und Katzenseuche (Infektiöse Panleukopenie)

wurde regelmäßig geimpft.

Alle Tiere wurden nach physiologischen Untersuchungen, welche von der Bezirksregierung

Hannover nach Anzeige gemäß §8a des deutschen Tierschutzgesetzes von 1986 unter der

Aktennummer 97/972 genehmigt wurden, dieser Untersuchung zugeführt.

Als Voraussetzung für die Aufnahme in die Untersuchungsgruppen galt ein Lebensalter von

mindestens 30 Tagen, da ab diesem Zeitpunkt von einem vollständig ausgereiften

auditorischen System ausgegangen werden kann (siehe Kapitel 2.5.1.1)

Die Gruppenaufteilung erfolgte nach dem jeweiligen Hörstatus der Tiere: normal hörend,

neonatal experimentell ertaubt und neonatal experimentell ertaubt, anschließend chronisch

elektrisch intracochleär stimuliert. Die Hörfunktion der Katzen wurde vor der Aufnahme in

den Versuch durch Ableitung von frühen akustisch evozierten Potentialen überprüft.

Die Gesamtzahl von 13 Versuchstieren setzt sich aus drei Gruppen zusammen:

1. Hörende Kontrollgruppe (n = 6);

2. Neonatal experimentell ertaubte Versuchsgruppe (n = 4);

3. Neonatal experimentell ertaubte, anschließend chronisch elektrisch intracochleär

stimulierte Versuchsgruppe (n = 3);


50

Tab. 4 a, b: Übersicht über die hörenden und neonatal ertaubten Tiere, inkl. interner Registrierungsnummer, Tötungsalter und appliziertem Fluoreszenzfarbstoff

Hörende

Tiere

Tötungsalter

[Wochen]

Farbstoff

Feld AI

Farbstoff

Feld AAF und AII

209 29 DiA DiI

004 33 DiI DiI

723 52 DiA DiI

929 54 DiI DiI

908 71 DiI DiI

707 71 DiI DiA

Tab. 5: Übersicht über die neonatal experimentell ertaubten, anschließend chronisch elektrisch stimulierten Tiere, inkl. interner Registrierungsnummer, Tötungsalter, Stimulationsdauer und appliziertem Fluoreszenzfarbstoff

Ertaubte

Tiere

Tötungsalter

[Wochen]

Farbstoff

Feld AI

Farbstoff

Feld AAF und AII

208 41 DiI DiI

123 85 DiI DiI

401 300 DiA DiI

444 356 DiI DiA

Stimulierte

Tiere

Tötungsalter

[Wochen]

Stimulationsdauer

[Wochen]

Farbstoff

Feld AI

Farbstoff

Feld AAF und AII

027 31 li:12

re:16 DiA DiI

026 31 li:16

re:12 DiI DiA

125 23 li:12 li: DiI

re: DiA

li: DiA

re: DiI


51

3.1.2 Die Sachmaterialien

3.1.2.1 Die Pharmaka:

a) Atropinsulfat (0,5 mg/ml), Atropinsulfat Braun 0,5 mg; B. Braun Melsungen AG,

Melsungen

b) Benzathin [100 000 I.E.], 24,8 mg Benzylpenicillin-Procain [25 000 I.E.],

156,3 mg Dihydrostreptomycinsulfat [125 mg Dihydrostreptomycin], 1,5 mg Methyl-

4-Penicillin-Streptomycin-Kombination mit Depotwirkung, (je ml 82,6 mg

Benzylpenicillin-hydroxybenzoat, 0,2 mg Propyl-4-hydroxybenzoat, Polysorbat 80,

Natriumcitrat, Saccharose, Lecithin , Wasser für Injektionszwecke), Tardomyocel

comp. III; Bayer Vital GmbH, Leverkusen

c) Carprofen 5% (50 mg/ml) und Benzylalkohol 1% (10 mg/ml), Zenecarp®; C-VET

Limeted, Bury St. Edmunds, England

d) Ketaminhydrochlorid (115,34 mg/ml) und Benzethoniumchlorid (100 µg/ml) in

Natriumchloridlösung, Ketamin

10%; WDT, Garbsen

e) Neomycinsulfat (50 mg/ml) in 0,9 %iger Natriumchloridlösung; Sigma-Aldrich

Chemie GmbH, Steinheim

f) Pentobarbital-Natrium in Natriumchlorid-Lösung (60 mg/ml), Narcoren®; WDT,

Garbsen

g) Prilocainhydrochlorid (20 mg/ml), Xylonest®

2%; AstraZeneca GmbH, Plankstadt

h) Thilo-Tears® Gel; Alcon Pharma (Dr. Thilo) GmbH, Freiburg i. Breisgau

i) Xylazin-Hydrochlorid (23,32 mg/ml) und p-Hydroxybenzoesäuremethylester (1

mg/ml) in Natriumchloridlösung, Rompun

2%; Bayer Vital GmbH, Leverkusen

3.1.2.2 Die Chemikalien:

a) 1 M Essigsäure; Merck KGaA, Darmstadt

b) 1 N Natronlauge; Merck KGaA, Darmstadt

c) Agar agar; Merck KGaA, Darmstadt

d) Cyanacrylat-Klebstoff, Roti-Coll®; Carl Roth GmbH & Co., Karlsruhe

e) Dinatriumydrogenphosphat-Monohydrat (Na2HPO4*2 H2O); Merck KGaA, Darmstadt

f) Entellan; Merck KGaA, Darmstadt

g) Fluoreszenzfarbstoff DiA; Molecular Probes Inc., Eugene, Oregon, USA

h) Fluoreszenzfarbstoff DiI; Molecular Probes Inc., Eugene, Oregon, USA

i) Glycerol; Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Steinheim

j) Kresyl-Violett-Farbstoff; Merck KGaA, Darmstadt


52

k) Mowiol 40-88; Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Steinheim

l) Natrium-Acetat; Merck KGaA, Darmstadt

m) Natriumchlorid; Merck KGaA, Darmstadt

n) Natriumdihydrogenphosphat-Monohydrat (NaH2PO4*H2O); Merck KGaA, Darmstadt

o) Paraformaldehyd; Merck KGaA, Darmstadt

p) Tris/HCl-Puffer (0,2 M, pH 8,5); Merck KGaA, Darmstadt

q) Xylol; Merck KGaA, Darmstadt

r) Zinkphosphatzement, Harvard Cement®

, normalhärtend; Hoffmann & Richter

HARVARD Dental GmbH, Berlin

3.1.2.3 Die Verbrauchsmaterialien:

a) Einmal-Becher mit Schraubverschluß, 100 ml; Sarstedt AG & Co., Nümbrecht

b) Intrafix® Air Infusionsset ; B. Braun Melsungen AG, Melsungen

c) Kimwipes Lite; Kimberley-Clark Limeted, Kent, England

d) Rasierklingen normal; Wilkinson sword GmbH, Solingen

e) Serican®-Einmalinjektionskanülen, 19 G x 1¼"; B. Braun Melsungen AG, Melsungen

f) Zentrifugenröhrchen Blue-Max TM, 50 ml; Becton Dickinson GmbH, Heidelberg

3.1.2.4 Die Gebrauchsgegenstände:

a) Aquarell-Pinsel, Gr. 2; Faber Castell Vertrieb GmbH, Stein

b) Chirurgische und anatomische Pinzetten; Aeskulap AG & Co. KG, Tuttlingen

c) Deckgläser (24 x 60 mm); Menzel-Gläser GmbH & Co. KG, Braunschweig

d) Hirnmesser; Aeskulap AG & Co. KG, Tuttlingen

e) hölzerne Vibratomblöcke; Leica, Bensheim

f) Knochenzange; Aeskulap AG & Co. KG, Tuttlingen

g) Objektträger (76 x 26 mm); Menzel-Gläser GmbH & Co. KG, Braunschweig

h) Skalpellgriff inkl. Skalpellklingen Gr. 11 und Gr. 21; Aeskulap AG & Co. KG,

Tuttlingen


53

3.1.2.5 Die technische Ausstattung:

a) Axioskop; Carl Zeiss, Oberkochen

• Rhodamin-Filter, Filtersatz 15 (BP 546, FT 580, LP 590); Carl Zeiss,

Oberkochen

• Fluorescein Isothiocyanate (FITC) Filter, Filtersatz 10 (BP 450-490, FT 510,

LP 515-565); Carl Zeiss, Oberkochen

• 10x/20 E-Plan Okular; Carl Zeiss, Oberkochen

• 10x/20 E-Plan Okular mit eingraviertem Zählraster; Carl Zeiss, Oberkochen

• 20fach (NA 0,50) Plan-NEOFLUAR Objektiv; Carl Zeiss, Oberkochen

b) Computersoftware:

• Windows NT 4.0® inkl. Excel 2000®; Microsoft GmbH, Unterschleissheim

• SPSS 11.0®; SPSS Inc., Chicago, USA

c) Digitalfotokamera Canon EOS D90; Canon Deutschland GmbH, Krefeld

d) handelsüblicher Computer

e) Leica DMLS Lichtmikroskop; Leica, Bensheim

• 10x/20 C-Plan Okular; Leica, Bensheim

• 10x/20 C-Plan Okular mit eingravierter Messskala; Leica, Bensheim

• 10fach (NA0,10) C-Plan Objektiv; Leica, Bensheim

f) Schwenkarm-Wandmikroskop; Carl Zeiss, Oberkochen

g) Vibratom VT1000S; Leica, Bensheim

3.2 Methoden

Alle Arbeiten wurden durchgehend von einer Person und in konstanter Weise durchgeführt.

3.2.1 Die experimentelle neonatale Ertaubung der Katzen

In Zusammenarbeit mit einer weiteren Arbeitsgruppe der Medizinischen Hochschule

Hannover wurden insgesamt 7 Versuchstiere neonatal experimentell ertaubt.

Dazu wurde eine chronische systemische Applikation des ototoxischen Antibiotikums

Neomycin durchgeführt (CORDS 1996, Übersicht in KRAL et al. 2001). Die Versuchstiere

erhielten vom dritten bis einschließlich 13. Lebenstag eine tägliche subcutane Injektion von

50 mg Neomycin pro kg Körpergewicht (KGW). Zur Überprüfung des Hörstatus wurden am

14. Lebenstag die frühen akustisch evozierten Potentiale (FAEP) abgeleitet (siehe Anhang

9.3).


54

Konnten bei einer Reizlautstärke von 100 dB SPL noch Antworten der zentralen Hörbahn

registriert werden (Resthörigkeit), wurde die Neomycinapplikation weitere vier Tage

durchgeführt und der Erfolg nochmals mittels FAEP-Ableitung überprüft.

Die vom ersten Lebenstag an für jedes Tier dokumentierten täglichen Körpergewichts-

zunahmen zeigten, dass es durch diese Eingriffe zu keiner Beeinträchtigung des

Allgemeinbefindens kommt (siehe Anhang 9.4). Weiterhin wurden bei keinem der neonatal

ertaubten Tiere Verhaltensauffälligkeiten beobachtet.

3.2.2 Die Implantation der elektronischen Innenohrprothese in neonatal experimentell

ertaubte Katzen

Eines der zuvor neonatal ertaubten Versuchstiere erhielt unilateral, zwei weitere neonatal

ertaubte Tiere erhielten bilateral eine elektronische Innenohrprothese (Cochlea-Implantat). Da

es sich bei der Cochlea-Implantation um einen aufwändigen Eingriff handelt, wurde bei den

beidseitig implantierten Tieren nach dem ersten Eingriff eine Rekonvaleszenzzeit von 4

Wochen eingehalten. Im Verlauf der Implantation wurde nach der sogenannten Soft-Surgery-

Technik nach LEHNHARDT (1993) vorgegangen.

Die nüchternen Tiere erhielten noch in gewohnter Umgebung zunächst Rompun subcutan

(0,1 ml/kg KGW) und nach dem Einsetzen der Wirkung als Narkoseeinleitung Ketamin

intramuskulär (0,1 ml/kg KGW). Die Prämedikation erfolgte mit Atropin (0,1 ml/kg KGW)

und Zenecarp (0,08 ml/kg KGW) subcutan. Als Infektionsprophylaxe wurde vor der

Operation Tardomyocel (0,1 ml/kg KGW) subcutan verabreicht. Zur Aufrechterhaltung der

Narkose wurde Narcoren in individueller Dosierung intravenös verabreicht. Zusätzlich

wurden die Schnittlinien durch eine Infiltrationsanästhesie mit jeweils 0,5 ml des

Lokalanästhetikums Xylonest schmerzunempfindlich gemacht.

Die halbrunden etwa 4 cm langen Hautinzisionen befanden sich retroauriculär. Durch

stumpfes Vorpräparieren wurde unter Schonung der Glandula parotidea die prominent

liegende Bulla tympanica aufgesucht und von ventrolaterocaudal queroval mit einem

Längsdurchmesser von ca. 1 cm eröffnet. Ca. 2 mm apikal des runden Fensters (Fenestra

rotunda erfolgte eine Cochleostomie. Durch diese Öffnung wurde die elektronische

Innenohrprothese in die basale Windung der Scala tympani eingeführt, die Insertionsstelle mit

Bindegewebe abgedeckt und das Implantat endgültig mit Zinkphosphatzement im Inneren der

Bulla tympanica fixiert.


55

Der die Platindrähte enthaltende Silikonschlauch und die den Elektrodenabschluss

darstellende Steckverbindung des Cochlea-Implantats wurde unter die Musculi

sternooccipitalis et cleidocervicalis hindurchgeleitet und in der Medianen caudal der

Schulterblätter durch eine Hautöffnung wieder an die Körperoberfläche geführt. Die

Fixierung erfolgte subcutan durch eine Tabaksbeutelnaht mit Vicryl (3-0). Die retro-

auriculären Wundhöhlen wurden in der Tiefe durch zwei Sultansche Diagonalhefte mit

Vicryl (3-0) verkleinert. Für die abschließenden zweischichtigen Hautnähte wurde Vicryl (3-

0) und Mersilene (2-0) verwendet.

Während des gesamten Eingriffs lagen die Katzen auf einer auf 38 °C geheizten Wärmematte,

die Augen wurden durch die Tränenersatzflüssigkeit Thilo-Tears-Gel® vor Austrocknung

geschützt.

Um den freiliegenden Anteil der Elektrode zu schützen, wurden den Katzen nach der

Operation kleine Nylonjacken angepasst, welche nur für den Zeitraum der elektrischen

Stimulation durch andere, ebenfalls an die Tiere angepasste, Stimulationsjacken ersetzt

wurden.

3.2.3 Die chronische elektrische intracochleäre Stimulation der neonatal ertaubten,

implantierten Katzen

Mit der elektrischen Stimulation (siehe Anhang 9.2) der mit einem Cochlea-Implantat

versorgten Versuchstiere wurde, um das Einheilen des Implantats abzuwarten, erst 7 Tage

nach der Implantation begonnen. Dafür wurden die Tiere an fünf Tagen der Woche für jeweils

mindestens vier Stunden einzeln in eine geräumige Katzentransportbox verbracht und

beschallt. Dieses Stimulationsschema ist für eine adäquate Reizung des auditorischen Cortex

ausreichend (LUSTIG et al. 1994). Insgesamt ergaben sich Stimulationszeiträume von 84 bis

112 Tagen.

Für die Stimulation wurde die zum Schutz des Cochlea-Implantats von den Tieren getragene

Nylonjacke gegen eine zweite Jackenform mit daran fixierten Implantatempfänger

ausgetauscht. Durch eine Steckverbindung wurde der Kontakt zwischen dem in der Medianen

caudal der Schulterblätter austretenden Elektrodensteckkontakt und dem Implantatempfänger

hergestellt. Die Sprachprozessoren, welche durch ein Kabel mit dem Implantatempfänger in

Verbindung standen, wurden außerhalb der Stimulationsbox abgelegt. Die Beschallung der

Tiere erfolgte durch ein in unmittelbarer Nähe der Transportbox aufgestelltes Radio sowie

durch, gleichzeitig auftretende, Umgebungsgeräusche, welche auch aus Lautäußerungen von

Artgenossen bestanden.


56

Einmal wöchentlich wurden, analog zu den akustischen, die elektrisch evozierten Hirnstamm-

potentiale abgeleitet. Anhand der dabei für die jeweiligen Elektrodenkonfigurationen

bestimmten Hörschwellen wurde der Sprachprozessor so programmiert, dass die auf Basis der

akustischen Stimuli umgewandelten elektrischen Impulse über der individuellen Hörschwelle

lagen und somit von einer adäquaten Reizung des auditorischen Cortex ausgegangen werden

konnte (LUSTIG et al. 1994).

3.2.4 Die histologische Aufbereitung des auditorischen Cortex

Damit das corticale Nervengewebe in seiner gleichmäßigen Struktur erhalten blieb und um

die für die Fluoreszenzuntersuchungen störenden Erythrozyten zu entfernen, wurden die

Versuchstiere in tiefer Narkose transcardial perfusionsfixiert. Dazu wurde der Thorax der in

Rückenlage fixierten Tiere weiträumig eröffnet, das Herz freigelegt und das Perikard entfernt.

Eine an ein Infusionssystem angeschlossene Einmalinjektionskanüle wurde in den linken

Ventrikel eingeführt. Über eine zweite, in den rechten Ventrikel platzierte Kanüle wurde das

ausgespülte Blut respektive die durchgespülte Perfusionslösung abgelassen. Das Infusions-

system wurde zur Ausspülung des Blutes zunächst mit 1,0 l kalter PBS-Lösung gefüllt. Im

Anschluss wurde ebenfalls über das Infusionssystem mit 1,0 l kalter 4 %iger PFA-Lösung

fixiert. Nach Durchlauf beider Flüssigkeiten wurde der Kopf im atlanto-occipitalen Gelenk

von der Wirbelsäule getrennt und durch vorsichtiges Abtragen der Schädeldecke mit einer

Knochenzange das Gehirn aus dem Schädel herauspräpariert.

Bis zur Applikation der Fluoreszenzfarbstoffe wurden die Gehirne in mit 80 ml 4 %iger PFA-

Lösung gefüllten Einmal-Bechern bei 4 °C in Dunkelheit gelagert. Diese Lagerzeit betrug im

Mittel 75 Wochen.

3.2.5 Die Fluoreszenzfarbstoff-Tracingtechnik

Mittels Tracingtechnik mit Hilfe zweier Fluoreszenzfarbstoffe wurde der prozentuale Anteil

der Dendriten insgesamt im anterioren, primären und sekundären auditorischen Feld des

auditorischen Cortex und deren prozentualer Anteil in den einzelnen corticalen Schichten der

genannten auditorischen Felder bestimmt. Dabei wurden die Dendriten separat nach ihrem

Verlauf relativ zur Cortexoberfläche als horizontal, diagonal oder vertikal ziehend registriert.


57

Die Ergebnisse der hörenden Kontrolltiergruppe wurden mit den Ergebnissen der neonatal

experimentell ertaubten Versuchstiere sowie mit den neonatal ertaubten, anschließend

chronisch elektrisch intracochleär stimulierten Tieren verglichen.

3.2.5.1 DiA/DiI als neuronale Tracer

Für das Tracing der Dendriten wurde die Markierung mit den Fluoreszenzfarbstoffen DiA (4-

Di-16-ASP) und DiI (DiIC18(3) bzw. 1,1´-dioctadecyl-3,3,3´,3´-tetramethylindo-carbocyanine

perchlorate) verwendet.

Diese Farbstoffe sind lipophile Substanzen, welche auch die retrograde Färbung von

Neuronen in vitro ermöglichen (HONIG 1993; HONIG und HUME 1989).

An formaldehydfixierten Geweben können aufgrund der guten Haftung und der Möglichkeit

die Applikation unter mikroskopischer Kontrolle durchzuführen, DiA/DiI-Kristalle direkt auf

die Cortexoberfläche aufgebracht werden. Hierbei handelt es sich um das Mittel der Wahl um

mittels fokaler Applikation selektiv Nervenfasern anzufärben (KÖBBERT et al. 2000).

Die Farbstoffe werden mit ihren hydrophoben, fettlöslichen Hydrocarbonketten parallel in die

äußere Lipidfraktion der Plasmamembran aller mit dem Kristall in Berührung kommender

Dendriten eingefügt und breiten sich ähnlich nativer Lipide durch passive laterale Diffusion

frei entlang des Konzentrationsgefälles aus, wobei die hydrophilen Anteile der Membran als

Diffusionsbarriere wirken. Als Konsequenz werden Zellen in ihrer Gesamtheit, inklusive ihrer

feinen Ausläufer (Abb. 10, 11), angefärbt (GODEMENT et al. 1987; KÖBBERT et al. 2000).

Die Diffusion von DiI in paraformaldehydfixiertem Gewebe erfolgt mit Geschwindigkeiten

von ca. 0,2 Millimetern pro Tag (LUKAS et al. 1998). GALUSKE et al. (2000) konnten im

humanen cerebralen Cortex angefärbte neuronale Fasern im Abstand von bis zu 7 Millimetern

zur Applikationsstelle nachweisen.

3.2.5.2 Die Methode der DiA/DiI- Färbung

Zur Applikation der Fluoreszenzfarbstoffe auf dem anterioren, primären und sekundären

auditorischen Feld wurden die Gehirne dem Fixans entnommen und Farbstoffkristalle in die

Cortexoberfläche inseriert. Die Identifizierung der einzelnen auditorischen Subareale erfolgte

dabei anhand der von BRUGGE und REALE (1985) angefertigten Abbildungen des

Katzencortex.

Stereomikroskopisch wurden zunächst bei 112,5facher Vergrößerung 500 bis 800 µm große

Kristalle der Fluoreszenzfarbstoffe DiA und DiI selektiert.


58

Geringe Unterschiede in der Größe der applizierten Kristalle sind dabei unvermeidbar, führen

aber lediglich zu einer größeren Anzahl potentiell auswertbarer Gewebeschnitte. Durch die

für die Auswertung herangezogene Berechnung der prozentualen Anteile der angefärbten

Dendriten wurden diese Unterschiede wieder ausgeglichen.

Der zu färbende Cortex wurde unter einem Abzug mit Hilfe von Kimwipes vorsichtig von

Paraformaldehydrückständen befreit. Anschließend wurde die Pia mater durch leichten Zug

mit Hilfe einer chirurgischen Pinzette an den in dieser verlaufenden Blutgefäßen von der

Cortexoberfläche abgehoben und entfernt. Um die Diffusion der Farbstoffkristalle störende

hydrophile Flüssigkeit zu entfernen, wurde die Oberfläche des auditorischen Cortex

anschließend nochmals mittels Kimwipes trockengetupft. Mit einer Skalpellklinge der Größe

11 wurde schließlich unter mikrosko-pischer Kontrolle jeweils ein vorselektierter

Fluoreszenzfarbstoffkristall aufgenommen und auf die Oberfläche des zu färbenden

auditorischen Feldes aufgetragen (Abb. 6). Um die Diffusion des Farbstoffs zu gewährleisten

wurde dabei während der Applikation eine minimale Läsion in die Cortexoberfläche gesetzt.

An jedem Cortex wurde jeweils das anteriore (AAF), primäre (AI) sowie das sekundäre

auditorische Feld (AII) der rechten und linken Hemisphäre mit einem Farbkristall belegt

(Abb. 5). Zu Beginn dieser Studie war eine 3-dimensionale Rekonstruktion der kompletten

Dendritenbäume angefärbter Neurone mittels Confokalem Laser-Scanning-Mikroskop ange-

dacht. Um eventuelle Querverschaltungen zwischen den betrachteten Subarealen zu

identifizieren wurden daher jeweils das AAF und das AII mit einem und das AI mit dem

jeweils anderen Fluoreszenzfarbstoff markiert (Tab. 4 a und b, Tab. 5, Abb. 7).

Cerebellum

AI AAF AII

Abb. 5: Lateralansicht eines freipräparierten felinen Gehirns. AI: Primäres auditorisches Feld, AII: Sekundäres auditorisches Feld, AAF: Anteriores auditorisches Feld, sss: suprasylvanischer Sulcus, aes: anteriorer ectosylvanischer Sulcus, pes: posteriorer ectosylvanischer Sulcus

sss

aes pes


59

Da sich jedoch im Verlauf der Studie herausstellte, dass sowohl die schlechte

Neuronenanfärbung eine Untersuchung der gesamten Dendritenbäume unmöglich machte, als

auch die DiA-markierten Felder aufgrund einer zu geringen Fluoreszenzintensität nicht

ausgewertet werden konnten, wurde später darauf verzichtet und alle Felder mit DiI markiert.

Die Applikationsorte wurden im Anschluss mit abgekühltem 7 %igem, zuvor in Reinstwasser

aufgekochtem Agar agar (siehe Anhang 9.5.3) verschlossen. Zur Dokumentation wurden

schließlich Digitalaufnahmen des auditorischen Cortex angefertigt und die Koordinaten der

Applikationsorte notiert.

Die Inkubation der Fluoreszenzfarbstoffe erfolgte über einen Zeitraum von 120 Tagen in mit

80 ml einer 4%igen PFA-Lösung gefüllten Einmal-Bechern bei 37 °C in Dunkelheit.

3.2.6 Die Anfertigung der Gewebeschnitte

Nach Ablauf der Inkubationszeit von 120 Tagen wurden die Gewebe den Einmal-Bechern

entnommen, die makroskopische Färbung dokumentiert und 70 µm dicke Gewebeschnitte

angefertigt.

Unter einem Abzug wurden die Cortexhemisphären durch sagitale Durchtrennung der Pons

mit einem Hirnmesser geteilt und der Hirnstamm herausgetrennt. Aus den beiden

Hemisphären wurde jeweils der auditorische Cortex mit einem zusätzlichen Randbereich von

5 mm herauspräpariert. Um den auditorischen Cortices für den Schneidevorgang eine

ausreichende Festigkeit zu verleihen und eine gleichmäßige Schnittdicke zu erreichen, wurden

sie im Anschluss in 10 ml 7 %igem abgekühlten, zuvor aufgekochtem Agar agar eingebettet.

Abb. 6: DiI-Kristallapplikation mittels Skalpellklinge

Abb. 7: DiI-Kristalle im AAF und AII, sowie DiA-Kristall im AI einer linken felinen

Cortexhemisphäre

AAF

AI

AII

7 mm 7 mm

rostral caudal

ventral

dorsal

rostral

dorsal

caudal

ventral


60

Nach einer Aushärtezeit von mindestens einer Stunde wurden die entstandenen rechteckigen

Agar agar-Blöcke in Form geschnitten und mit einem Cyanacrylat-Klebstoff auf hölzernen

Vibratomblöcken befestigt (Abb. 8).

Beim Zurechtschneiden der Agarblöcke wurden, um ein Herausbrechen des Untersuchungs-

gewebes während des Schneidevorganges zu verhindern, in allen Richtungen des Raumes

mindestens 5 mm Agar agar um das Gewebe herum stehen gelassen.

Der Vibratomblock wurde nun in die Halteeinrichtung des Vibratoms eingespannt und 70 µm

dicke sagitale Serienschnitte angefertigt. Dabei wurde die Winkeleinstellung auf 15° und die

Geschwindigkeit sowie die Frequenz auf Stufe 4 eingestellt. Statt der vom Hersteller

empfohlenen Klingen wurden halbierte Rasierklingen verwendet, da diese sich als

kostengünstiger und präparatschonender erwiesen. Für jede Cortexhemisphäre wurde eine

frische Klinge eingesetzt. Da durch eine Austrocknung des untersuchten Gewebes eine starke

Reduzierung der DiA/DiI-Färbung auftritt (GODEMENT et al. 1987), wurde die

Schneideschale des Vibratoms mit kaltem Reinstwasser gefüllt und dieses regelmäßig

erneuert.

Während des Schneidevorganges wurde anhand der makroskopischen Cortexarchitektur

(siehe Kapitel 2.4.1) eine Identifikation des primären, sekundären und anterioren

auditorischen Feldes vorgenommen und die jeweiligen Schnitte entsprechend beschriftet.

Die ersten zwei Schnitte jedes auditorischen Feldes wurden mittels Pinsel einzeln auf

beschichtete Objektträger gezogen und für die Kresyl-Violett-Färbung verwendet (siehe

Kapitel 3.2.7). Alle weiteren Schnitte wurden zu zweit auf unbeschichtete Objektträger

verbracht, nass mit frisch aufgetautem Mowiol eingedeckelt und bis zur Auswertung bei 4 °C

in Dunkelheit gelagert.

Abb. 8: In Agar agar eingebetteter, auf hölzernem Vibratomblock aufgeklebter rechter auditorischer Cortex. Das anteriore und sekundäre auditorische Feld sind mit DiI markiert. Auf das primäre auditorische Feld ist ein DiA-Kristall aufgetragen.

17,5 mm

17,5 mm


61

3.2.7 Die Methode der Kresyl-Violett-Färbung (NISSL-Ersatzfärbung)

Mit Hilfe der NISSL-Färbungen werden die Zellkerne und Tigroidschollen von Neuronen

sichtbar gemacht. Es kommt dabei zu einer elektropolaren Anlagerung des basischen

Farbstoffs an die sauren Gruppen der DNS. Bei der verwendeten NISSL-Ersatzfärbung

(Schnell-NISSL-Methode) wurde der Oxazin-Farbstoff Kresyl-Violett verwendet. Die Zell-

kerne und NISSL-Substanz werden violett, die Neurone selbst ganz schwach blau und die

restlichen Strukturen farblos dargestellt. Aufgrund der für die einzelnen Laminae

charakteristisch stark ausgeprägte Anfärbung sowie durch die Identifikation von Lamina-

charakteristika wie dem Auftreten spezieller Zelltypen, der Zellanordnung sowie dem

Verhältnis von Zellen und Neuropil kann eine Schichtdickenbestimmung durchgeführt

werden (ROSE 1949, WINER 1984 a, b, c).

Für jedes auditorische Feld wurde die Dicke der einzelnen Zellschichten an den ersten,

einzeln aufgezogenen Schnitten bestimmt und die Ergebnisse mit den Literaturdaten

verglichen. Im Bereich der mit einem Farbkristall versehenen Gebiete wurde, um einen

Datenverlust zu vermeiden, mit Hilfe des zur Auszählung verwendeten Zählrasters zur

direkten Ausmessung der Schichtdicken nach den Literaturangaben übergegangen.

Die einzeln auf beschichtete Objektträger aufgezogenen Schnitte wurden über Nacht auf einer

auf 37 °C geheizten Wärmeplatte luftgetrocknet.

Anschließend wurde durch eine absteigende Alkoholreihe entfettet,

96 %iges Ethanol 15 min

Isopropanol 10 min

70 %iges Ethanol 10 min

gespült,

Reinstwasser 10 min

und schließlich gefärbt und differenziert

Acetatpuffer (pH 4,6) 10 min

Kresyl-Violett-Färbelösung 1-2 min

Reinstwasser 1 min

70 %iges Ethanol 3-5 min

70 %iges Ethanol 5 min.

96 %iges Ethanol 8-10 min

96 %iges Ethanol 10 min.

Die Durchführung der letztgenannten Schritte erfolgte unter lichtmikroskopischer Kontrolle.


62

Abschließend wurden die Schnitte weiter entwässert,

Isopropanol 5 min

Xylol 15 min

nass mit Entellan eingedeckelt

und zum Ausdampfen mindesten 24 Stunden unter einem Abzug belassen.

3.2.8 Die histologisch-morphologische Auswertung des auditorischen Cortex

Zum Abgleich der vertikalen Ausbreitung der sechs corticalen Schichten jedes betrachteten

auditorischen Subareals mit den Literaturangaben wurden zunächst die Kresyl-Violett

gefärbten Schnitte mit 40facher Vergrößerung durch ein Okular mit integrierter Messskala

lichtmikroskopisch betrachtet und die Dicke der Laminae I bis VI ausgemessen.

Die eigentliche Auswertung der angefärbten Dendriten erfolgte fluoreszenzmikroskopisch mit

Hilfe eines modifizierten Axioskops. Die mit DiI gefärbten auditorischen Areale wurden unter

Grünanregung (Rhodaminfilter, Filtersatz No. 15) betrachtet. Dabei erscheint DiI in einem

leuchtenden Rotorange auf einem optimalerweise schwarzen Hintergrund. Trotz einer bei den

hier untersuchten Gewebeproben stark ausgeprägten Hintergrundfluoreszenz konnten die

angefärbten Dendriten in ausreichender Intensität dargestellt werden. In den DiA-gefärbten

Bereichen erschienen die markierten neuronalen Strukturen unter dem Filtersatz No. 10

(FITC-Filter) gelbgrün fluoreszierend. In ihrer Intensität war die DiA-Färbung jedoch so

gering ausgeprägt, dass eine Auswertung aller mit diesem Farbstoff angefärbten auditorischen

Felder nicht möglich war.

Aus allen für jedes betrachtete auditorische Subareal angefertigten Schnitten (siehe Kapitel

3.2.6) wurde zunächst fluoreszenzmikroskopisch eine Schnittserie identifiziert, in welcher in

jedem Schnitt einzeln identifizierbare angefärbte Dendriten vorlagen und die Hintergrund-

fluoreszenz eine detaillierte Auswertung erlaubte. Innerhalb dieser Serien wurden nach

randomisiertem Beginn insgesamt 5 Schnitte ausgewertet. Am jeweils ersten dieser

ausgewählten Schnitte wurde eine Färbezone ausgewählt, in welcher zwischen 15 und 40

einzeln verlaufende Dendriten innerhalb des definierten Zählrasters aufzufinden waren (Abb.

9). Unter zu Hilfenahme anatomisch markanter Punkte wie der Rundung der Cortexoberfläche

und anhand von Blutgefäßen wurde dieses Gebiet in jedem der aufeinander folgenden

Schnitte identifiziert.

Anschließend wurden nach den Literaturangaben die einzelnen Schichtausmaße festgelegt.


63

Innerhalb jeder der sechs Laminae wurden nun mit Hilfe eines quadratischen Okularrasters

bei 200facher Vergrößerung 6 definierte Zählfelder mit einer Größe von je 60 x 60 µm

betrachtet. Die einzelnen Zählbereiche wurden intralaminar so versetzt angeordnet, dass die

gesamte Dicke der Schicht abgedeckt wurde. Zudem wurden die Zählfelder so platziert, dass

innerhalb jeder Lamina mindestens zwei Felder in den jeweiligen Unterschichten zu liegen

kamen. In jedem der, an den vertikalen Kolumnen senkrecht ausgerichteten, Zählfenster

wurde die Anzahl aller ganz oder partiell innerhalb des Zählareals liegenden horizontal,

diagonal und vertikal verlaufenden Dendriten bestimmt. Während des Zählvorganges wurde

einmal in gleichmäßiger Geschwindigkeit durch die z-Ebene der Schnitte fokussiert.

Zur Bestimmung der prozentualen Dendritenanteile wurde die Gesamtanzahl aller in den 30

Zählfeldern einer Schicht (je 6 Felder in 5 Schnitten) gezählten Dendriten addiert und als 100

Prozent angesehen. Im Anschluss wurden die horizontal, diagonal und vertikal verlaufenden

Dendriten der 30 Zählfelder separat voneinander addiert und ins Verhältnis zur Gesamtheit

gesetzt.

Abb. 9: DiI-markierte Dendriten in der Lamina I und II im primären auditorischen Feld einer hörenden Katze (Tier 929)

100 µm

100 µm


64

Abb. 10: DiI-gefärbte Neurone in der Lamina III. Rechtes anteriores auditorisches Feld eines ertaubten Tieres (Katze 123)

Abb. 11: DiI-gefärbtes Neuron in der Lamina IV. Rechtes anteriores auditorisches Feld eines ertaubten Tieres (Katze 123)

Lamina I

Lamina VI

Lamina VI

Lamina I

Lamina VI


65

3.2.9 Die statistische Analyse

Die erhobenen Daten wurden mit dem Tabellenkalkulationsprogramm Excel 2000 zur

Ermittlung der Mittelwerte, Standardabweichungen und Prozentzahlen weiterverarbeitet.

Die statistische Analyse der erhobenen Daten diente der Fragestellung, inwieweit sich eine

experimentelle neonatale Ertaubung und eine chronische elektrische intracochleäre

Stimulation mittels Cochlea-Implantat auf die laminäre Dendritenstruktur auswirkt. Dazu

wurde mittels GraphPad Prism Version 3.02 eine Prüfung auf Normalverteilung nach

Kolmogorov und Smirnov durchgeführt. Die statistische Untersuchung der hörenden und

neonatal experimentell ertaubten Versuchsgruppen erfolgte mittels one-way ANOVA mit

einem Signifikanzniveau von 95%. Anschließend wurde mittels Post Hoc Test nach

Bonferroni ein paarweiser Datenvergleich vorgenommen. Aus allen automatisch

durchgeführten Datenvergleichen wurden die relevanten Datensätze extrahiert und

interpretiert. Bei der statistischen Untersuchung der Daten der chronisch elektrisch

intracochleär stimulierten Tiere wurde aufgrund einer zu geringen Stichprobenanzahl auf den

Kruskal-Wallis-Test mit anschließendem Post Hoc Test nach Dunn ausgewichen.

Bei der statistischen Auswertung der zu lediglich zwei Gruppen zusammengefassten Werte

der diagonalen Dendritenverläufe wurde nach der Überprüfung auf Normalverteilung nach

Kolmogorov und Smirnov der t-Test mit unabhängigen Variablen angewendet.

4. Ergebnisse

66

4. ERGEBNISSE

4.1 Die Morphometrie der Dendriten der Laminae I bis VI im auditorischen Cortex

Die in die Untersuchung eingegangenen n-Zahlen ergeben sich aus der Addition der mit DiI

gefärbten rechten und linken Cortexhälften, abzüglich einzelner Hemisphären, welche auf-

grund einer zu großen Hintergrundfluoreszenz nicht ausgewertet werden konnten (siehe

Anhang 9.7). Die Zusammenlegung der Cortexhemisphären ist möglich, da bei allen drei

Versuchsgruppen kein signifikanter interhemisphärischer Unterschied besteht (nicht

dargestellt).

4.1.1 Horizontale Dendritenverläufe im AAF, AI und AII

Bei der Betrachtung des prozentualen Anteils aller horizontal verlaufenden Dendriten an den

insgesamt in den 30 Zählfeldern vorhandenen Dendriten innerhalb jeder der sechs aus-

gewerteten Laminae fällt über die Gesamtdicke der auditorischen Felder eine ausgeprägte

Systematik auf. Nach dieser horizontalen „Schichten-Hierarchie“ nimmt der prozentuale

Anteil der horizontalen Dendritenverläufe mit zunehmender Cortextiefe ab (Abb. 12, 13, 14).

Im folgenden wurde intraareal statistisch überprüft, inwieweit die Lamina I im Vergleich zu

den Laminae II bis VI dominant ist.

4.1.1.1 Hörende Versuchstiergruppe

Die prozentualen Anteile der horizontal verlaufenden Dendriten der hörenden Tiere an den

Laminae I bis VI des anterioren (AAF), primären (AI) und sekundären auditorischen Feldes

(AII) sind in der Tabelle 6 aufgeführt.

Der statistische Vergleich der Lamina I mit den Laminae II bis VI innerhalb der drei

auditorischen Felder ergibt jeweils einen signifikanten Unterschied mit p<0.001 (Abb. 12)

und beweist damit die angenommene Dominanz der Lamina I.

Lamina I Lamina II Lamina III Lamina IV Lamina V Lamina VI AAF (n=9) 42±6 27±4 19±3 18±5 17±4 16±4 AI (n=7) 50±5 23±4 21±3 18±4 20±5 24±3 AII (n=10) 52±6 24±9 25±8 18±6 16±6 17±8

Tab. 6: Prozentualer Anteil der Dendriten (horizontaler Verlauf; MW±SD)

4. Ergebnisse

67

Bei Betrachtung der einzelnen Laminae zwischen den drei auditorischen Arealen (nicht

dargestellt) zeigt sich, dass im interarealen Vergleich der Lamina I in jener des AII der Anteil

horizontal verlaufender Dendriten signifikant höher ist, als in der Lamina I des AI (p<0.05)

und in der Lamina I des AAF (p<0.01). Alle anderen Laminae weisen zwischen den

verschiedenen auditorischen Feldern keine Differenzen auf.

4.1.1.2 Ertaubte Versuchstiergruppe

Die prozentualen horizontalen Dendritenanteile an den sechs Laminae der ertaubten

Versuchstiergruppe zeigen ebenfalls innerhalb des AAF, des AI und des AII eine „Schichten-

Hierarchie“ (Tab. 7, Abb. 13).


0

10

20

30

40

50

60

70

I II III IV V VI

Laminae

An

zah

l D

en

dri

ten

in

%

AAF (n=9) AI (n=7) AII (n=10)

*** ***

****** ***

F-Test: p< 0.0001

Abb. 12: Vergleich der Dendritenanzahl in Prozent mit horizontalem Verlauf zwischen der Lamina I und den Laminae II bis VI des AAF, AI und AII (hörende Tiere; MW±SD; ***p<0.001)


4. Ergebnisse

68

Auch in dieser Versuchsgruppe belegt die Statistik beim Vergleich der Lamina I mit den

übrigen Schichten II bis VI innerhalb des anterioren, primären sowie sekundären

auditorischen Feldes die dominierende Rolle der Lamina I (p<0.001, Abb.13).

Bei der schichtweisen Überprüfung auf interareale Differenzen (AAF zu AI, AAF zu AII

sowie AI zu AII) zeigen sich keine Unterschiede (nicht dargestellt).

4.1.1.3 Chronisch elektrisch intracochleär stimulierte Versuchstiergruppe

Die Auswertung der Daten der horizontalen Dendritenverläufe der chronisch elektrisch

intracochleär stimulierten Versuchstiergruppe (Tab. 8) lässt ebenfalls eine deutliche generelle

„Schichten-Hierarchie“ erkennen.


0

10

20

30

40

50

60

70

I II III IV V VI

Laminae

An

zah

l D

en

dri

ten

in

%

AAF (n=6) AI (n=5) AII (n=6)

*** ******

******

F-Test: p< 0.0001

Abb. 13: Vergleich der Dendritenanzahl in Prozent mit horizontalem Verlauf zwischen der Lamina I und den Laminae II bis VI des AAF, AI und AII (ertaubte Tiere; MW±SD; ***p<0.001)


4. Ergebnisse

69

Innerhalb des anterioren sowie des primären auditorischen Feldes beweist die statistische

Betrachtung des Verhältnisses zwischen der Lamina I und den Laminae II bis VI deren

dominierende Rolle (Abb. 14). Innerhalb des sekundären auditorischen Feldes ist die Lamina

I jedoch im Vergleich mit den Laminae II, V sowie der Lamina VI durch eine in diesen

Laminae ausgelöste Anteilssteigerung nicht mehr dominant (Abb. 14).

Im statistischen Vergleich der Datensätze jeder Lamina zwischen dem Analog der drei

untersuchten auditorischen Subareale besteht wiederum kein Unterschied (nicht dargestellt).

4.1.2 Diagonale Dendritenverläufe im AAF, AI und AII

Bei der intraarealen Betrachtung des prozentualen Anteils der in den sechs differenzierten

Schichten jeweils diagonal verlaufenden Dendriten fällt über die Gesamtdicke der

auditorischen Felder ebenfalls eine ausgeprägte Systematik auf. Diese zeichnet sich jedoch im

Vergleich zu den Daten der horizontalen Verläufe durch einen fast kontinuierlichen Anstieg

des prozentualen Anteils der diagonal ziehenden Dendriten mit zunehmender Cortextiefe ab.

Insbesondere die Differenz zwischen den oberen Schichten I bis III und den unteren Laminae

IV bis VI ist auffallend (Abb. 15, 16, 17). Im folgenden wurde das Verhältnis der Laminae I

bis III zu den Laminae IV bis VI statistisch untersucht.

F-Test: AAF: p = 0.0003 A1: p = 0.0053 A2: p = 0.0104

0

10

20

30

40

50

60

70

I II III IV V VI

Laminae

An

zah

l D

en

dri

ten

in

%

AAF (n=3) AI (n=3) AII (n=3)

*** ****

**

*

**** **

*

**

* n.s.

n.s. n.s.

Abb. 14: Vergleich der Dendritenanzahl in Prozent mit horizontalem Verlauf zwischen der Lamina I und den Laminae II bis VI des AAF, AI und AII (stimulierte Tiere; MW±SD; ***p<0.001, **p<0.01, *p<0.05, n.s.= nicht signifikant)

4. Ergebnisse

70


Die prozentualen Anteile der diagonal verlaufenden Dendriten der hörenden

Versuchstiergruppe in den Laminae I bis VI des AAF, AI und AII sind in der Tabelle 9

dargestellt.


Sowohl innerhalb des anterioren, als auch des primären und des sekundären auditorischen

Feldes beweist der statistische Vergleich des Verhältnisses zwischen den Laminae I bis III zu

den Laminae IV bis VI die Dominanz der infragranulären Schichten (p<0.001, Abb. 15).

Hinweise auf interareale Differenzen beim schichtweisen Vergleich konnten nicht gefunden

werden (nicht dargestellt).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

I II III IV V VI

Laminae

An

zah

l D

en

dri

ten

in

%

AAF (n=9) AI (n=7) AII (n=10)

***

t-Test: p < 0.0001

Tab. 9: Prozentualer Anteil der Dendriten (diagonaler Verlauf; MW±SD)

Abb. 15: Vergleich der Dendritenanzahl in Prozent mit diagonalem Verlauf zwischen den Laminae I-III und den Laminae IV-VI des AAF, AI und AII (hörende Tiere; MW±SD; ***p<0.001)

4. Ergebnisse

71


In Bezug auf die diagonale „Schichten-Hierarchie“ belegt die Statistik auch in Bezug auf die

ertaubten Tiere eine Dominanz der Laminae IV bis VI gegenüber den Laminae I bis III

(p<0.001, Abb. 16).

Die prozentualen Anteile der diagonal verlaufenden Dendriten in den Laminae I bis VI in den

drei untersuchten auditorischen Feldern sind in der Tabelle 10 wiedergegeben.


Beim Vergleich der Datensätze der einzelnen Laminae zwischen dem anterioren, primären

und sekundären auditorischen Feld kann kein Unterschied nachgewiesen werden (nicht

dargestellt).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

I II III IV V VI

Laminae

An

zah

l D

en

dri

ten

in

%

AAF (n=6) AI (n=5) AII (n=6)

***

t-Test: p < 0.0001


Abb. 16: Vergleich der Dendritenanzahl in Prozent mit diagonalem Verlauf zwischen den Laminae I-III und den Laminae IV-VI des AAF, A1 und A2 (ertaubte Tiere; MW±SD; ***p<0.001)

4. Ergebnisse

72


Auch innerhalb der chronisch elektrisch intracochleär stimulierten Versuchsgruppe spielen

die Laminae IV bis VI im Verhältnis zu den supragranulären Schichten eine dominierende

Rolle (p<0.01, Abb. 17). Die exakten prozentualen Anteilswerte in den Laminae I bis VI des

AAF, AI und AII sind in der Tabelle 11 zusammengefasst.


Bei der interhemisphärischen Betrachtung der diagonalen Dendritenverläufe zeigt sich im

Vergleich des AII der prozentuale Anteil im ipsilateralen Feld gegenüber dem kontralateralen

Areal erhöht (p<0.05, nicht dargestellt).

Zwischen den jeweiligen Laminae des anterioren, primären und sekundären auditorischen

Feldes einer Cortexhälfte bestehen dagegen keine Differenzen (nicht dargestellt).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

I II III IV V VI

Laminae

An

zah

l D

en

dri

ten

in

%

AAF (n=3) AI (n=3) AII (n=3)

**

t-Test: AAF: p = 0.0035 A1: p = 0.0020 A2: p = 0.0022

Abb. 17: Vergleich der Dendritenanzahl in Prozent mit diagonalem Verlauf zwischen den Laminae I-III und den Laminae IV-VI des AAF, AI und AII (stimulierte Tiere; MW±SD; **p<0.01)


4. Ergebnisse

73

4.1.3 Vertikale Dendritenverläufe im AAF, AI und AII

Der prozentuale Anteil der vertikal verlaufenden Dendriten an jeder untersuchten Lamina

weist ebenfalls eine deutliche Systematik auf. Ähnlich den Verhältnissen der horizontalen

„Schichten-Hierarchie“ sticht in der vertikalen „Schichten-Hierarchie“ mit der Lamina III

eine einzelne Schicht besonders hervor.

Es folgt die statistische Auswertung des Verhältnisses der Lamina III zu den Laminae I, II

und IV bis VI im anterioren, primären uns sekundären auditorischen Feld für die hörenden,

ertaubten und chronisch elektrisch intracochleär stimulierten Versuchsgruppen.


Beim statistischen Vergleich der Lamina III mit der Lamina I, II und IV bis VI innerhalb der

drei betrachteten Subareale kann deren dominierende Rolle belegt werden (p<0.001 bzw.

p<0.01, Abb. 18). Die detaillierten prozentualen Anteile der vertikal verlaufenden Dendriten

in den Laminae I bis VI des AAF, AI und AII sind in der Tabelle 12 zu finden.

Interareale Unterschiede zwischen den prozentualen Anteilen der Laminae I bis VI können

nicht festgestellt werden (nicht dargestellt).

0

5

10

15

20

25

30

35

40

I II III IV V VI

Laminae

An

zah

l D

en

dri

ten

in

%

AAF (n=9) AI (n=7) AII (n=10)

***

******

***

***

** **

F-Test: p< 0.0001

Abb. 18: Vergleich der Dendritenanzahl in Prozent mit vertikalem Verlauf zwischen der Lamina III und den Laminae I, II und IV bis VI des AAF, A1 und A2 (hörende Tiere; MW±SD; ***p<0.001, **p<0.01)

4. Ergebnisse

74



In Bezug auf die vertikale „Schichten-Hierarchie“ zeigt sich auch bei den ertaubten Tieren,

mit Ausnahme der Lamina II des AI, die Lamina III als dominant (Abb. 19). Die genauen

Prozentwerte der vertikalen Dendritenverläufe in den Laminae I bis VI im AAF, AI sowie AII

sind in der Tabelle 13 aufgeführt.


0

5

10

15

20

25

30

35

40

I II III IV V VI

Laminae

An

zah

l D

en

dri

ten

in

%

AAF (n=6) AI (n=5) AII (n=6)

***

**

*** ***

*** ** **

*

n.s.

*** ***

F-Test: p < 0.0001

Tab. 13: Prozentualer Anteil der Dendriten (vertikaler Verlauf; MW±SD)

Abb. 19: Vergleich der Dendritenanzahl in Prozent mit vertikalem Verlauf zwischen der Lamina III und den Laminae I, II und IV bis VI des AAF, AI und AII (ertaubte Tiere; MW±SD; ***p<0.001, **p<0.01, *p<0.05, n.s.= nicht signifikant)


4. Ergebnisse

75

Beim direkten Vergleich der einzelnen Laminae zwischen den drei auditorischen Feldern

liefert die statistische Untersuchung keine Hinweise auf bestehende Differenzen (nicht

dargestellt).


Die statistische Auswertung der Daten der stimulierten Tiere (Tab. 14) deckt Unterschiede in

der Dominanz der Lamina III auf (Abb. 20). Während innerhalb der drei betrachteten

auditorischen Felder im Vergleich mit den Laminae I, V und VI eine Dominanz der Lamina

III vorhanden ist (p<0.01 bzw. p<0.05), kann diese in jedem der drei Felder für die Lamina II

nicht nachgewiesen werden. Ursache ist eine in den Laminae II aufgetretene Zunahme der

vertikal verlaufenden Dendriten. Zusätzlich besteht für die Lamina IV im AAF ein, durch

einen Anstieg des prozentualen Anteils der vertikal ziehenden Dendriten ausgelöster, Verlust

der dominierenden Rolle der Lamina III.


0

5

10

15

20

25

30

35

40

I II III IV V VI

Laminae

An

zah

l D

en

dri

ten

in

%

AAF (n=3) AI (n=3) AII (n=3)

* ** ** *

** **

*

*

n.s.

n.s.

*

F-Test: AAF: p = 0.0059 A1: p = 0.0018 A2: p = 0.0027


Abb. 20: Vergleich der Dendritenanzahl in Prozent mit vertikalem Verlauf zwischen der Lamina III und den Laminae I, II und IV bis VI des AAF, AI und AII (stimulierte Tiere; MW±SD; **p<0.01, *p<0.05, n.s.= nicht signifikant)

4. Ergebnisse

76

Interareale Unterschiede des prozentualen Anteils der vertikal verlaufenden Dendriten an den

Laminae I bis VI konnten nicht nachgewiesen werden (nicht dargestellt).

4.2 Der direkte Vergleich der Laminae zwischen der hörenden, neonatal ertaubten sowie

chronisch elektrisch intracochleär stimulierten Versuchstiergruppen im AAF, AI

und AII

Neben der Auswertung der Unterschiede zwischen den „Schichten-Hierarchien“ der drei

Versuchsgruppen mit unterschiedlichem Hörstatus wurde ein direkter statistischer Vergleich

jeder einzelnen der sechs betrachteten Laminae jedes auditorischen Feldes mit der jeweilig

analogen Schicht zwischen den drei Tiergruppen durchgeführt (nicht dargestellt).

Die Auswertung der Daten der prozentualen Anteile der horizontalen, diagonalen und

vertikalen Dendritenverläufe der einzelnen Schichten ergibt sowohl innerhalb des anterioren,

wie auch des primären und des sekundären auditorischen Feldes beim Vergleich zwischen den

hörenden und ertaubten Tieren keine signifikanten Unterschiede. Damit ist ein Einfluss der

neonatalen experimentellen Ertaubung auf die laminäre Dendritenstruktur beim direkten

Schichtvergleich nicht nachzuweisen.

Auch bei Betrachtung der horizontal, diagonal und vertikal verlaufenden Dendritendatensätze

der hörenden Versuchsgruppe im Vergleich zu den Prozentzahlen der chronisch elektrisch

intracochleär stimulierten Versuchsgruppe zeigen sich beim Vergleich der analogen Schichten

innerhalb des AAF, AI und des AII keine Einflüsse einer Stimulation mittels Cochlea-

Implantat.

Der ebenfalls durchgeführte Test auf signifikante schichtbezogene Unterschiede der

laminären prozentualen Dendritenanteile zwischen der ertaubten und chronisch elektrisch

intracochleär stimulierten Gruppen weist sowohl in Bezug auf die drei untersuchten

Verlaufsrichtungen als auch in Bezug auf die drei ausgewerteten auditorischen Areale kein

positives Ergebnis auf.

4.3 Eine Zusammenfassung der Ergebnisse

Im Hinblick auf die prozentualen Anteile der horizontal verlaufenden Dendriten über die

Gesamtdicke des anterioren, primären und sekundären auditorischen Feldes ist eine

hochsignifikant (p<0.001) von der Lamina I dominierte „Schichten-Hierarchie“ bei den

hörenden Tieren der Kontrollgruppe zu erkennen.

4. Ergebnisse

77

Die prozentualen horizontalen Dendritenanteile an den sechs Laminae der neonatal

experimentell ertaubten Versuchstiergruppe entsprechen innerhalb des AAF, des AI und des

AII in ihrer Systematik den Ergebnissen der normal hörenden Kontrolltiergruppe.


intracochleär stimulierten Versuchstiergruppe macht hinsichtlich der „Schichten-Hierarchie“

Unterschiede zu der hörenden und neonatal ertaubten Gruppe deutlich. Innerhalb des

anterioren sowie des primären auditorischen Feldes fällt bei der statistischen Betrachtung

außer deutlich geringer ausfallenden Signifikanzniveaus insbesondere im AI kein Unterschied

in der Dominanz der Lamina I auf. Für die Verhältnisse der Lamina I zu den Laminae II, V

und VI im sekundären auditorischen Feld besteht jedoch keine signifikante dominierende

Rolle der Lamina I und offenbart damit durch die Versorgung mit einem Cochlea-Implantat

aufgetretene Veränderungen innerhalb der „Schichten-Hierarchie“.

In Bezug auf die diagonal ziehenden Dendritenanteile jeder einzelnen Lamina besteht bei der

hörenden Kontrollgruppe eine „Schichten-Hierarchie“, welche durch signifikant über die

Laminae I bis III dominierende Laminae IV bis VI gekennzeichnet ist.

Gleich den Verhältnissen zwischen den ertaubten und hörenden Versuchsgruppen in Bezug

auf die horizontale Systematik zeigt sich auch bei Betrachtung der diagonalen „Schichten-

Hierarchie“ im AAF, AI und AII kein Einfluss der neonatalen Ertaubung mittels chronischer

subcutaner Neomycinapplikation.

Im Gegensatz zum Vergleich der horizontalen “Schichten-Hierarchie“ zeigt sich bezüglich

der diagonalen Systematik keine Veränderung aufgrund einer chronischen elektrischen

intracochleären Stimulation.

Bei Betrachtung der laminaspezifischen vertikalen Prozentzahlen fällt bei den hörenden

Tieren eine „Schichten-Hierarchie“ mit einer signifikant stärker ausgeprägten Lamina III auf.

Hier zeigt sich erstmals eine Veränderung nach neonataler pharmakologischer Ertaubung.

Beim statistischen Vergleich der Lamina III mit der Lamina II im primären auditorischen Feld

der neonatal ertaubten Versuchstiere ist das Verhältnis nicht signifikant verschieden und

unterscheidet sich damit deutlich von dem Schichtenverhältnis der hörenden

Kontrolltiergruppe.

Bei der statistischen Auswertung der Daten der chronisch elektrisch intracochleär stimulierten

Versuchsgruppe im anterioren, primären und sekundären auditorischen Feld fallen die nach

der Intervention aufgetretenen Veränderungen sehr stark aus.

4. Ergebnisse

78

Während für die Laminae I, V und VI im AAF, AI und AII wie bei den vorausgegangenen

Gruppen eine Dominanz der Lamina III vorliegt, kann im Verhältnis zur Lamina II innerhalb

des anterioren sowie des primären und sekundären auditorischen Feldes keine dominierende

Lamina III nachgewiesen werden. Ebenso ist im AAF die Lamina III nicht dominant

gegenüber der Lamina IV.

Der statistische Vergleich der getrennt voneinander ausgewerteten rechten und linken

Cortexhälfte offenbarte bei den hörenden und ertaubten Versuchstieren in keinem Fall

signifikante interhemisphärische Unterschiede. Im Hinblick auf die chronisch elektrisch

stimulierten Tiere zeigte sich jedoch bei den diagonal verlaufenden Dendriten ein signifikant

gegenüber dem kontralateralen Areal erhöhter prozentualer Anteil im ipsilateralen Cortex des

sekundären auditorischen Feldes (p<0.05).

Bei der Durchführung des direkten Vergleiches zwischen den einzelnen Laminae der drei

auditorischen Felder mit ihren Analoga ist in der hörenden Kontrollgruppe ein signifikant

höherer prozentualer Anteil horizontal verlaufender Dendriten in der Lamina I des AII

gegenüber der Lamina I im AI (p<0.05) und im AAF (p<0.01) vorhanden

Des weiteren bestehen jedoch sowohl innerhalb, als auch zwischen den Tiergruppen mit

unterschiedlichen Hörstatus bei der schichtweisen Überprüfung auf interareale Differenzen

keine signifikanten Unterschiede. Damit können Einflüsse der neonatalen experimentellen

Ertaubung und der chronischen elektrischen intracochleären Stimulation auf die prozentuale

Dendritenstruktur bei einem direkten Schichtenvergleich zwischen den Versuchsgruppen

nicht nachgewiesen werden.

4. Ergebnisse

79

Lamina AAF AI AII AAF AI AII AAF AI AII

Experimentell ertaubte Tiere Chronisch stimulierte Tiere

Tab. 15: Zusammenfassung der prozentualen Dendritenverläufe in den auditorischen Subarealen der drei Versuchstiergruppen (MW)

I

II

III

IV

V

VI

horizontal

diagonal

vertikal

Hörende Tiere

5. Diskussion

80

5. DISKUSSION

5.1 Material und Methoden

Zur Untersuchung von Einflüssen einer prälingualen Ertaubung und einer chronischen

elektrischen intracochleären Stimulation mittels Cochlea-Implantat besteht in der

Medizinischen Hochschule Hannover ein seit langem etabliertes Tiermodell. Als Versuchstier

wurde die Katze gewählt, da die auditorische Hörbahn dieser Spezies bereits am 30.

Lebenstag ausgereift ist (KELLER 1997). Zudem ähneln sich neben der Funktion und

Entwicklung (FULLERTON et al. 1987) auch die Morphologie der auditorischen Systeme

von Mensch und Katze sehr stark (ONG und GAREY 1990). Dies ist als Vorraussetzung für

die Übertragbarkeit der Ergebnisse zwischen den beiden Arten von Vorteil. Weiterhin handelt

es sich bei dem felinen auditorischen Cortex um einen der bestuntersuchten auditorischen

Bereiche unter den Säugetieren (CLAREY et al. 1991).

Alle aus der Katzenzucht der Medizinischen Hochschule Hannover stammenden Versuchs-

tiere waren gesund und optimal ernährt. Einflüsse auf die Neuronenpopulation durch

Fehlernährung und sonstige, z. B. neurologische Erkrankungen, waren auszuschließen. Um

die prälinguale Taubheit von Kindern zu simulieren, wurde bei sieben Katzen die normale,

auf akustische Reize angewiesene Entwicklung des auditorischen Systems ab dem ersten

Lebenstag durch die chronische systemische Gabe des ototoxischen Aminoglycosid-

Antibiotikums Neomycin verhindert.

Die Ertaubung mittels Neomycin führt durch eine irreversible Blockade von extra- und

intrazellulären Rezeptoren zu einer selektiven Zerstörung der cochleären Haarzellen

(ZENNER und SCHACHT 1986) und lässt die Mehrheit der für die Weiterleitung von

elektrischen Signalen essentiellen Spiralganglienzellen primär intakt (LUSTIG et al. 1994),

obgleich sie mit zunehmender Ertaubungszeit einer langsamen sekundären Degeneration

unterlaufen (LEAKE und HRADEK 1988). LEAKE et al. (1999) fanden nach

pharmakologischer Ertaubung eine Reduktion der Spiralganglienzellen innerhalb von 6

Monaten um 50 % und nach drei Jahren um 90 %.

Für eine adäquate Aktivierung des auditorischen Cortex durch eine elektrische

Innenohrprothese ist diese Restzahl jedoch ausreichend (REUTER et al. 2002a).

5. Diskussion

81

Arbeiten von POPELAR et al. (1995) an mit einem Cochlea-Implantat versorgten, nicht

experimentell ertaubten Katzen haben zudem gezeigt, dass es durch ein Cochlea-Implantat zu

einer tonotopen Aktivierung des auditorischen Cortex kommt und die zeitlichen

Eigenschaften der aktivierten Neurone denen akustisch stimulierter Zellen gleichen.

Die erfolgreiche Ertaubung der Versuchstiere wurde durch ein Fehlen neuronaler Antworten

während der Messung der frühen akustisch evozierten Potentiale (FAEP) bei Darbietung des

akustischen Click-Reizes mit einer technisch maximal möglichen Lautstärke von 100 dB SPL

definiert (siehe Anhang 9.3, Abb.22). Die hörenden Kontrolltiere wiesen bereits bei einer

Lautstärke von 30 dB SPL deutliche FAEPs auf (siehe Anhang 9.3, Abb. 21).

Damit im Versuchsaufbau die Simulation einer chronischen elektrischen intracochleären

Stimulation den Verhältnissen am Menschen möglichst gleicht, wurden den Versuchstieren

aus der Humanmedizin stammende, lediglich in der Länge der Platindrähte angepasste,

Innenohrelektroden implantiert. Die ordnungsgemäße Funktion des Cochlea-Implantats wurde

durch eine wöchentlich erfolgte Messung der elektrisch evozierten Hirnstammpotentiale

überprüft.

Zum Zeitpunkt der Materialentnahme für diese Untersuchung wiesen alle Tiere ein

Lebensalter von mindestens 23 Wochen auf und verfügten somit über ein vollständig

ausgereiftes auditorisches System (KELLER 1997).

Mit der Anfertigung von Vibratomschnitten und der Kresyl-Violett-Färbung wurde mit

etablierten histologischen Methoden gearbeitet.

Im Zusammenhang mit der DiI-Tracertechnik gewährleisten Vibratomschnitte von nativem

Material gegenüber Kryostatschnitten von tiefgefrorenen Strukturen eine bessere Gewebe-

und Färbequalität (KÖBBERT et al. 2000; LUKAS et al. 1998).Trotz der hier durchgeführten

Einbettung des nativen Cortexmaterials in Agar agar konnte die geringe strukturelle

Eigenstabilität des Gewebes nicht ausreichend verstärkt werden, so dass die histologische

Schnittdicke, um einen Verlust einzelner Schnitte zu verhindern, auf 70 µm festgelegt werden

musste.

Bei der histologischen Aufarbeitung des Untersuchungsmaterials mit Hilfe der DiI-

Tracingtechnik wurde eine seit vielen Jahren erprobte Methode durchgeführt. Diese

ermöglicht eine postmortale Anfärbung von Neuronen und damit die Untersuchung von

bereits vorfixiertem Cortexmaterial.

5. Diskussion

82

Bei der Applikation von DiI-Kristallen kommt es zur Anfärbung aller in direktem Kontakt

zum Kristall stehenden Neuronenausläufer. Eine unspezifische Färbung weiterer Fasern ist

aufgrund der ausgeprägten Hydrophobie des Farbstoffs und der damit praktisch nicht

stattfindenden Verbreitung im Interzellularraum nicht zu erwarten.

DiI tritt jedoch aus gefärbten Neuronen heraus, wenn diese beim Schneidevorgang zerstört

worden sind. Für retrograd angefärbte Dendriten und bei ausreichend dicken Gewebeschnitten

stellt sich dieses Problem jedoch äußerst gering dar (HONIG und HUME 1989).

Ein weiterer Vorteil dieser Methode besteht in der Stabilität der Färbung. Da in fixiertem

Gewebe keine Stoffwechselaktivitäten wie Endo- oder Exozytose stattfinden, bleibt eine

Membrananfärbung wie sie durch DiI-Kristallapplikation geschieht, insbesondere bei

Aufbewahrung im Kühlschrank, auch über längere Lagerungszeiten bestehen (HONIG 1993).

KÖBBERT et al. (2000) fanden eine für über ein Jahr bestehenbleibende Färbung und eine

nur sehr gering ausfallende Verblassung der Fluoreszenzintensität über die Zeit sowie nach

durchgeführter Illumination.

Die Auflösung feiner Prozesse im fixierten Gewebe durch Carbocyanine wie dem DiI ist

gleich der in lebendem Gewebe und besser als durch Golgi-Methoden und anderen

intraaxonal transportierten Tracer-Substanzen (GODEMENT et al. 1987). Bei höherer

Vergrößerung können, an komplett mit DiI angefüllten Neuronen, alle morphologischen

Details dargestellt werden (GODEMENT et al. 1987; KÖBBERT et al. 2000).

Für die komplette Anfärbung von Neuronen inklusive der Somata ist jedoch die Zeitspanne

zwischen Todeszeitpunkt bzw. dem Beginn der Fixation und der Farbstoffapplikation

ausschlaggebend (KÖBBERT et al. 2000; LUKAS et al. 1998). Diese ist möglichst gering zu

halten. Die Auswertung des hier vorliegenden Materials sowie die Ergebnisse von WURTH

(1999) deuten darauf hin, dass für die Untersuchung des felinen auditorischen Cortex eine

postmortale Fixationszeit vor Applikation des DiI-Kristalls von zwei Tagen optimal ist.

Da diese Zeitspanne bei der Mehrzahl der für die hier durchgeführte Untersuchung

vorliegenden Gewebe weit überschritten wurde, war eine detaillierte Auswertung der

Dendritenmorphologie einzelner selektiv angefärbter Neurone aufgrund fehlender oder

unvollständiger Anfärbung der Zellen nicht möglich.

Bei der Auswertung der für diese Studie vorliegenden Gewebe wurde deshalb die Gewichtung

auf die deskriptive Darstellung und prozentuale Bestimmung der Verlaufsrichtung der

Dendriten in den Laminae I bis VI des anterioren, primären und sekundären auditorischen

Feldes gelegt.

5. Diskussion

83

Hierzu wurden die durch die Markierung mit DiI sichtbaren Dendriten nach ihrem Verlauf

relativ zur Cortexoberfläche der Gruppe „horizontal“ (parallel), „diagonal“ (schräg) oder

„vertikal“ (senkrecht) verlaufend zugeteilt. Dabei wurde für die horizontal verlaufenden

Dendriten eine Bedeutung bei der intralaminaren Verbindung sowie für die Verknüpfung

unterschiedlicher auditorischer Areale postuliert. Der senkrechte Verlauf eines Dendriten

weist auf seine Rolle in der Verbreitung von Informationen zwischen unterschiedlichen

Schichten innerhalb eines auditorischen Feldes hin. Die diagonalen Dendritenverläufe

nehmen eine Zwischenstellung ein. Ihnen steht wahrscheinlich eine Bedeutung bei der lokalen

Quervernetzung von Neuronen zu.

Die Bestimmung der zur eigentlichen Datenerhebung benötigten Anzahl histologischer

Schnitte und Zählfelder pro Schnitt wurde in Anlehnung an die hierarchische Proben-Strategie

für die stereologische Auswertung nach GUPTA et al. (1993) vorgenommen. In einem

solchen hierarchischen System werden Probenvarianzen und Messfehler in die biologischen

Variationen zwischen Individuen eingeblendet (GRIFFITH 1993).

Um zwischen den Unterschichten jeder Lamina auftretende Unregelmäßigkeiten zu

eliminieren, wurden die Zählfelder so platziert, dass innerhalb jeder Lamina mindestens zwei

Felder in den jeweiligen Unterschichten zu liegen kamen. Weiterhin wurde, um Zählfehler im

Sinne von Doppelzählungen zu verhindern, während der Zählung einmal in gleichmäßiger

Geschwindigkeit durch die z-Ebene der Schnitte fokussiert und dabei alle Dendriten gezählt,

welche ganz oder partiell innerhalb des Zählareals lagen (SCHNEIDER 1978).

Obwohl bei der Auswahl der in jedem Schnitt ausgewerteten Fläche mit den Kriterien von

einer minimalen bzw. maximalen Anzahl von 15 bis 40 einzeln identifizierbaren Dendriten

Schwankungen in der Anzahl der ausgezählten Dendriten minimiert wurden, konnte die

Auswertung aufgrund der Färbemethode nicht auf die absolut gezählte Dendritenanzahl

bezogen werden. Dies liegt zum einen in der Applikation von Farbstoffkristallen und zum

anderen in der Individualität der Untersuchungsgewebe begründet. In Hinblick auf die

Kristallapplikation kam es trotz Vorselektion der Farbstoffkristalle zu geringen Größen-

schwankungen. Da die Anzahl der angefärbten Dendriten jedoch mit dem Ausmaß des

Kristalls positiv korrelieren dürfte, könnte dieses unter Umständen zu falsch hohen oder

falsch geringen Dendritenzählungen führen.

5. Diskussion

84

In Bezug auf die Individualität der Gewebe spielt vor allem die unterschiedlich lange

Verweildauer im Fixans vor der Anfärbung eine herausragende Rolle. Im Verlauf der Studie

konnte festgestellt werden, dass eine lange Vorfärbefixationszeit positiv mit einer hohen

Hintergrundfluoreszenz korreliert. Dadurch musste bei außerordentlich lange fixierten

Präparaten die Auszählung in Regionen mit relativ stärkerer Dendritenanfärbung und damit

einhergehenden höheren Dendritenanzahlen verlegt werden.

Dieses Problem tritt sowohl beim Vergleich unterschiedlicher Felder eines Cortex, als auch

beim Vergleich der einzelnen Individuen auf. Um diesen methodischen Fehler zu eliminieren,

wurde daher für alle Betrachtungen lediglich das prozentuale Verhältnis der horizontal,

diagonal und vertikal verlaufenden Dendriten zueinander verwendet.

Neben der Ausarbeitung und Auswertung der „Schichten-Hierarchie“ für die Daten der

horizontal, diagonal und vertikal verlaufenden Dendriten innerhalb des anterioren, primären

und sekundären auditorischen Feldes für jede Versuchsgruppe und dem Vergleich dieser

Systematiken zwischen den Versuchsgruppen wurden ebenfalls die einzelnen analogen

Schichten der drei untersuchten auditorischen Areale innerhalb der Versuchstiergruppen

untersucht (siehe Kapitel 4.1). Im zweiten Schritt wurde ein direkter Vergleich jeder

einzelnen der sechs corticalen Schichten des AAF, AI und AII mit der analogen Schicht der

anderen Versuchsgruppen verglichen (siehe Kapitel 4.2).

Der Vorteil der letztlich durchgeführten Methode liegt, neben der Aufarbeitung von bereits

vorhandenem, fixiertem Gewebe, vor allem in der Berücksichtigung aller mit dem Farbstoff

in Berührung stehenden und damit angefärbten Dendriten und gibt damit einem Einblick über

die Gesamtheit der vorhandenen Zellausläufer. Dies steht im Gegensatz zu anderen

Methodiken mit intrazellular angefärbten Neuronen, bei welchen automatisch zumindest eine

Selektion in Hinblick auf die Vollständigkeit der intrazellularen Färbung erfolgt.

Die viel zu langen postmortalen Fixierungszeiten der verwendeten Gewebe vor der DiI-

Applikation führten jedoch zu einer begrenzten Aussagekraft der Dendritenstruktur, da eine

Zuordnung der angefärbten Dendriten zu den Zellsomata nicht möglich war. Aus diesem

Grund war es nicht möglich eine Differenzierung von intralaminaren, intraarealen sowie

intracorticalen Ausläufern im Gegensatz zu in anderen Schichten, auditorischen Feldern oder

subcorticalen Strukturen lokalisierten Zellen vorzunehmen. Weiterhin konnte eine 3-

dimensionale Darstellung der Dendritenbäume einzelner Neurone mittels Confokalem-Laser-

Scanning Mikroskop nicht wie beabsichtigt realisiert werden.

5. Diskussion

85

Zudem ist bei der Verwendung von bereits fixiertem Gewebe eine Überprüfung der Funktion

einzelner Zellen nicht mehr möglich. Eine Aussage über die Funktionalität der angefärbten

Dendriten war aufgrund fehlender elektrophysiologischer Daten wie z.B. von Einzelzell-

ableitungen daher ebenfalls nicht möglich.

5.2 Die Morphometrie der Dendriten der Laminae I bis VI im AAF, AI und AII normal

hörender Katzen

Mit dieser Studie wurde untersucht, inwieweit auf der höchsten Ebene der auditorischen

Informationsverarbeitung, dem auditorischen Cortex, durch eine neonatale Ertaubung sowie

eine anschließende chronische elektrische intracochleäre Stimulation eine Plastizität der

laminären Dendriten hervorgerufen wird. Grundlage für eine Veränderung wären die bereits

nachgewiesenen Veränderungen innerhalb der zentralen auditorischen Hörbahn (HEID et al.

1998; SNYDER et al. 1990; TERAYAMA et al. 1977; VOGT et al. 1997), welche sich

aufgrund der neuronalen Verschaltungen in die cerebralen auditorischen Subareale fortsetzen

könnten. Bei den wichtigsten, von einer qualitativen und/oder quantitativen Veränderung

betroffenen afferenten Bahnen, handelt es sich um die Afferenzen aus den thalamischen

Kernen der zentralen auditorischen Bahn, welche an den pyramidalen Neuronen der Laminae

I und III bis VI enden (MITANI et al. 1985). Dieser direkte thalamische Einfluss wird durch

die extensiven intracorticalen Verbindungsstrukturen der lokal vernetzten Pyramidenzellen

auf die übrigen Laminae übertragen (siehe Kapitel 2.4.2.2). Durch die zusätzlich vorhandenen

interarealen (commissuralen) und intercorticalen Verbindungen des auditorischen Cortex

(siehe Kapitel 2.4.2.3), welche vor allem in den Laminae II und III enden, besteht ein

zusätzlicher Informationsaustausch zwischen den verschiedenen Subarealen einer sowie der

rechten und linken Cortexhemisphäre.

Die Untersuchung einer von diesen Bahnen auf den auditorischen Cortex ausgebreiteten

Plastizität wurde durch die Bestimmung der prozentualen Anteile der, relativ zur Cortex-

oberfläche betrachtet, horizontal, diagonal und vertikal verlaufenden Dendriten in den

Laminae I bis VI der auditorischen Felder durchgeführt.

Bei der Betrachtung des prozentualen Anteils der in die drei Verlaufsrichtungen horizontal,

diagonal oder vertikal verlaufend eingeteilten Dendriten innerhalb jeder der sechs

ausgewerteten Laminae fällt über die Gesamtdicke der auditorischen Felder eine ausgeprägte

Systematik („Schichten-Hierarchie“) auf.

5. Diskussion

86

In Bezug auf die horizontal ziehenden Dendriten nimmt der prozentuale Anteil bei einer

überaus prominenten Lamina I mit zunehmender Cortextiefe ab. Die deskriptiven

Auffälligkeiten in der Verteilung der horizontal verlaufenden Dendriten über die sechs

corticalen Schichten des anterioren, primären und sekundären auditorischen Feldes werden

durch die statistische Auswertung bestätigt. Danach bestehen zwischen der Lamina I und den

übrigen Laminae statistisch hochsignifikante (p<0.001) Unterschiede (siehe Kapitel 4.1.1.1,

Abb. 12).

Bestätigt wird die Dominanz der Lamina I durch vorangegangene Studien (ROSE 1949),

welche gezeigt haben, dass sich die in der Lamina I lokalisierten Zellen mit ihren meist

parallel zur Cortexoberfläche verlaufenden Dendriten an der Bildung des intralaminaren

feinfaserigen tangentiellen Flechtwerks (Stria laminaris) beteiligen. Zudem verlaufen die

Dendriten der auffallendsten Neurone der Lamina I zumeist parallel zur Cortexoberfläche.

Bei der intraarealen Betrachtung des prozentualen Anteils der in den sechs differenzierten

Schichten jeweils diagonal verlaufenden Dendriten zeichnet sich eine von der horizonatalen

Systematik deutlich unterscheidende „Schichten-Hierarchie“ ab. Diese ist durch einen fast

kontinuierlichen Anstieg des prozentualen Anteils der diagonal ziehenden Dendriten mit

zunehmender Cortextiefe charakterisiert. Insbesondere die Differenz zwischen den oberen

Schichten I bis III und den unteren Laminae IV bis VI ist auffallend (siehe Kapitel 4.1.2.1,

Abb. 15). Nach dieser diagonalen „Schichten-Hierarchie“ wurde das Verhältnis der Laminae I

bis III zu den Laminae IV bis VI auf einen statistisch signifikanten Unterschied überprüft und

eine hochsignifikante (p<0.001) Dominanz der infragranulären Schichten nachgewiesen.

Deskriptiv ist in allen ausgewerteten auditorischen Feldern eine zwischen den Laminae

unterschiedliche Morphologie der diagonal verlaufenden Dendriten auffällig. Während in den

Laminae I bis III die diagonalen Dendriten kurze Strecken zurücklegen und damit

höchstwahrscheinlich Interaktionen zwischen relativ dicht benachbarten Neuronen bewirken,

weisen die diagonal verlaufenden Dendriten der Laminae IV bis VI deutlich längere Verläufe

auf und ziehen vornehmlich in die weiße Substanz. Eventuell stellen letztere Strukturen

Verbindungen zu den subcorticalen Schaltstellen der lemniscalen und extralemniscalen

Hörbahn dar.

5. Diskussion

87

Auch in Bezug auf den prozentualen Anteil der vertikal verlaufenden Dendriten innerhalb

jeder Lamina ist über alle sechs Schichten eine deutliche Systematik zu erkennen. Ähnlich

den Verhältnissen der horizontalen „Schichten-Hierarchie“ sticht in der vertikalen Systematik

mit der Lamina III eine einzelne Lamina hervor. Die herausragende Rolle der Lamina III in

der deskriptiven Betrachtung konnte durch die vergleichende statistische Auswertung als

hochsignifikante (p<0.001) Dominanz der Lamina III gegenüber den übrigen Schichten

bestätigt werden (siehe Kapitel 4.1.3.1, Abb. 18).

Da in der Lamina III die überwiegende Anzahl der commissuralen Verbindungen ankommen

(CODE und WINER 1985), stellt dies unter Umständen ein Zeichen für die weitere

intraareale Verteilung der commissuralen Eingänge auf die übrigen Laminae dar. Zudem

erhält die Lamina IV Afferenzen aus dem ventralen MGB (LEVAY und GILBERT 1976) und

projiziert direkt in die Lamina II und III (NIIMI und NAITO 1974), was eine hohe Anzahl

von vertikal verlaufenden Dendriten nötig erscheinen lässt. Weiterhin sind in der Lamina IIb

die unter anderem stark vertikal in die unteren Schichten projizierenden Pyramidenzellen

angesiedelt (WINGUTH und WINER 1986). In der Lamina III sind damit intralaminare und

von den Laminae II und IV ausgesandte vertikale Dendriten anzutreffen und führen somit zu

der herausragenden vertikalen Dendritenanzahl.

Ein signifikanter Unterschied zwischen der rechten und linken Cortexhemisphäre bei den

hörenden Versuchstieren konnte in keinem Fall dargestellt werden und ist nach den

Ergebnissen bisheriger Studien auch nicht zu erwarten (WENKE 1999; WURTH 1999).

Unterschiede zwischen den analogen Laminae des AAF, AI und AII in Bezug auf die

prozentuale Dendritenstruktur konnten hier, mit Ausnahme der Lamina I, ebenfalls nicht

dargestellt werden.

In vorhergegangenen histologischen Studien wurde zwischen dem anterioren, primären und

sekundärem auditorischen Feld eine unterschiedliche Anzahl von Pyramidenzellen in der

Lamina III beobachtet (WENKE 1999). Da in der vorliegenden Arbeit jedoch nicht die

absolute Zahl der Dendriten, sondern lediglich das prozentuale Verhältnis der von den

vorhandenen Neuronen ausgehenden, angefärbten Dendriten zueinander beurteilt wurde,

stehen sich diese Erkenntnisse nicht widersprüchlich gegenüber. Vielmehr macht dies

deutlich, dass auch in den auditorischen Feldern mit geringerer Nervenzellzahl als dem AI,

dem AAF und AII, die prinzipielle Dendritenstruktur erhalten ist.

5. Diskussion

88

5.3 Die Auswirkungen einer experimentell induzierten neonatalen akustischen

Deprivation auf die Morphometrie der Dendriten der Laminae I bis VI im AAF, AI

und AII der Katze

Verschiedene Arbeiten deuten für den auditorischen Cortex des Menschen und der Katze, wie

auch für andere sensorische Bereich des Cortex beschrieben, auf eine kritische

Entwicklungsperiode hin (KRAL et al. 2001; KRAL et al. 2002; REBILLARD et al. 1980;

SKUSE 1993). Eine frühe auditorische Deprivation führt auf verschiedenen Stufen der

zentralen Hörbahn zu der Induktion von Atrophien (HULTCRANTZ et al. 1991; LUSTIG et

al. 1994; TIERNEY et al. 1997; VOGT et al. 1997) und einer Plastizität des sich

entwickelnden auditorischen Systems (MARIANOWSKI et al. 2000; SUNEJA et al. 1998). Je

früher die Störung der normalen akustischen Entwicklung stattfindet, desto größer ist der

negative Effekt auf die Entwicklung des auditorischen Systems und damit einhergehend

deutlicher die strukturellen und funktionellen Veränderungen (MOORE 1985).

Mit dieser Studie konnte der Einfluss einer neonatalen experimentellen Ertaubung mittels

chronischer subcutaner Applikation eines ototoxischen Aminoglycosid-Antibiotikums auf die

„Schichten-Hierarchie“ der vertikal verlaufenden Dendriten des primären auditorischen

Feldes nachgewiesen werden. Eine laminaspezifische Veränderung der einzelnen

prozentualen Anteile der Dendritenverlaufsrichtungen aufgrund der pharmakologischen

Ertaubung mittels Neomycin konnte beim Vergleich mit den anderen Versuchsgruppen

hingegen nicht nachgewiesen werden.

Die prozentualen horizontalen Dendritenanteile an den Laminae I bis VI der ertaubten

Versuchstiergruppe entsprechen innerhalb des anterioren, primären und sekundären

auditorischen Feldes in ihrer Systematik den Ergebnissen der hörenden Versuchstiergruppe.

Die Übereinstimmung der dominanten Lamina I bezüglich der „Schichten-Hierarchie“ zeigt

sich auch bei der vergleichenden statistischen Betrachtung des Verhältnisses der Lamina I zu

den übrigen Schichten in einem zwischen den Gruppen identischen Signifikanzniveau von

p<0.001.

Gleich den Verhältnissen zwischen der ertaubten und hörenden Versuchsgruppe in Bezug auf

die horizontale „Schichten-Hierarchie“ zeigt sich auch bei Betrachtung der diagonalen

Systematik kein Unterschied zwischen den Tieren mit hörendem oder neonatal ertaubten

Hörstatus.

5. Diskussion

89

In Bezug auf die Struktur der prozentualen Anteile der vertikalen Dendritenverläufe über die

sechs betrachteten Laminae zeigt sich dagegen ein deutlicher Unterschied zur hörenden

Kontrollgruppe. So ist innerhalb des primären auditorischen Feldes die Lamina III im

Verhältnis zur Lamina II nicht dominant. Bei Betrachtung der Verhältnisse innerhalb des

anterioren und des sekundären auditorischen Feldes besteht gleich den Ergebnissen der

hörenden Tiere für jedes betrachtete Verhältnis eine Dominanz der Lamina III, wenn auch die

Höhe der Signifikanzniveaus geringfügige Differenzen aufweist.

Bei Betrachtung der Gesamtheit der mit der hier verwendeten Methodik untersuchten

Systematiken zeigt sich eine insgesamt sehr geringe Veränderung der laminären

Dendritenstruktur aufgrund der neonatalen experimentellen Ertaubung. Ursächlich kann

hierfür zum einen die geringe Sensitivität der verwendeten Methodik sein. Mit dem zur

Verfügung stehenden Material konnten weitere Anzeichen einer stattgefundenen Plastizität

wie eine Verlängerung oder Verkürzung der Dendriten, eine Zu- oder Abnahme der absoluten

Dendritenanzahl oder Veränderungen in Bezug auf die Spine- bzw. Synapsenanzahl nicht

untersucht werden.

Zum anderen könnte eine mögliche Erklärung für die minimal ausfallenden Veränderungen in

der Tatsache liegen, dass nicht durch einen primär andersartigen „Input“ eine Plastizität

induziert wurde, sondern lediglich ein Wegfall des afferenten Informationsflusses

stattgefunden hat.

Ein weitaus größer ausfallender Unterschied zwischen den Gruppen der hörenden und

ertaubten Tiere wäre einerseits denkbar, da die Ausreifung der dendritischen Strukturen bei

neonatalen Tieren noch nicht abgeschlossen ist und damit nicht das Muster des ausgereiften

auditorischen Cortex aufweist (FENG und BRUGGE 1983). Den neonatal experimentell

ertaubten Versuchstieren dieser Studie wurde durch die Intervention die physiologische

Entwicklung des Hörsystems auf Basis einer akustischen Stimulation vorenthalten, so dass bei

den untersuchten Tieren dieser Versuchsgruppe zumindest theoretisch eine Dendritenstruktur,

welche mit neonatalen auditorisch unreifen Katzen vergleichbar ist vorliegen dürfte.

Andererseits konnte insbesondere in einer von WALSH et al. (1986) durchgeführten Studie

Hinweise auf eine, durch spontane Neuronenaktivitäten in subcorticalen Bereichen

hervorgerufene, geringe Stimulation des auditorischen Cortex auch ohne akustischen Input

gefunden werden.

5. Diskussion

90

Dieses Phänomen könnte für die Entwicklung der prinzipiellen Dendritenstruktur

verantwortlich sein und damit den hier gefundenen nur geringen Einfluss einer neonatalen

Ertaubung erklären.

Eine vollständige Umstrukturierung im Sinne der Bildung neuartiger Verknüpfungen ist

weiterhin vor dem Hintergrund unwahrscheinlich, dass die prinzipiellen intracorticalen

Verbindungen bereits zur Geburt vorliegen und nur in der Ausprägung einer gewissen

Variabilität unterliegen (FENG und BRUGGE 1983).

Während auf Ebene der zentralen auditorischen Hörbahn durch eine neonatale Ertaubung sehr

ausgeprägte strukturelle Veränderungen bewirkt werden (siehe Kapitel 2.5.2.1), treten nach

den hier präsentierten Ergebnissen innerhalb des auditorischen Cortex nur relativ gering

ausfallende Veränderungen auf. Ursache hierfür und damit eine Erklärung für die hier

gefundenen geringen Unterschiede könnte weiterhin im Grad der Deafferentierung liegen.

Während subcorticale Strukturen mit einer akustischen Deprivation den Hauptanteil ihrer

afferenten Verbindungen verlieren, kommt es innerhalb des auditorischen Cortex durch die

parallele Verknüpfung mit verschiedenen Untereinheiten der auditorischen Hirnstamm-

strukturen sowie der interarealen Verknüpfungen zu einem, relativ gesehen, weitaus

geringeren Verlust der totalen afferenten Innervation (REALE et al. 1987).

In der von WENKE (1999) durchgeführten Untersuchung zum Einfluss einer neonatalen

Ertaubung auf die Gesamt- und Pyramidenzellzahl in der Lamina III des felinen anterioren,

primären und sekundären Feldes zeigten sich hingegen deutliche Auswirkungen der

ausgebliebenen auditorischen Entwicklung. Bei neonatal ertaubten Tieren war im AI eine um

29 % signifikant erniedrigte Gesamtzellzahl vorhanden. Die Pyramidenzellzahl reduzierte

sich in diesem Areal sogar um 87 %. Innerhalb des AAF trat ein signifikanter

Pyramidenzellverlust von 28 % auf. Die Gesamtzellzahl war nicht signifikant verändert. Im

AII kam es durch eine neonatale Ertaubung zu keiner signifikanten Veränderung der

Zellzahlen.

Diese Ergebnisse unterstreichen zum einen die hier gefundenen nicht stattgefundenen

Veränderungen in Bezug auf das sekundäre auditorische Feld, lassen auf der anderen Seite

jedoch einen größeren als den hier nachgewiesenen Unterschied zwischen den hörenden und

ertaubten Tieren im Bereich des anterioren und primären auditorischen Feldes erwarten.

5. Diskussion

91

Allerdings ist es möglich, dass hier der gleiche Effekt eingetroffen ist, welcher bei den

hörenden Kontrolltieren in Bezug auf die unterschiedlichen auditorischen Felder beschrieben

wurde. Danach würde eine in den absoluten Anzahlen der Neurone eventuell vorliegende

Differenz durch die in dieser Studie angewandte prozentuale Auswertung hinsichtlich der

Verlaufsrichtungen der angefärbten Dendriten diesen Unterschied nicht aufzeigt werden

können.

Nach Zerstörung der Cochlea kam es jedoch bei verschiedenen Tiermodellen im Bereich des

auditorischen Hirnstamms wiederum auch zu Umstrukturierungen wie einer Axonen-

sprossung, neuem Wachstum von Nervenzellen (BILAK et al. 1997) und sogar zur Bildung

neuer Synapsen (BENSON et al. 1997). Diese Veränderungen im subcorticalen Bereich

könnten sich prinzipiell zusätzlich auf den auditorischen Cortex auswirken und hier zu einem

Erhalt der Dendritenstruktur führen.

Im Gegensatz dazu konnte jedoch auch gezeigt werden, dass Neurone im primären

auditorischen Feld von naiven kongenital tauben Katzen im Vergleich zu normalhörenden

Kontrolltieren eine insgesamt geringere Verzweigungs-häufigkeit der Dendriten aufweisen

(WURTH et al. 1999). Es zeigte sich eine signifikant reduzierte Anzahl primärer und

sekundärer basaler Dendriten. Gleichzeitig waren die gemessenen Dendritenspannweiten in

der Lamina II und IV der kongenital tauben Tiere signifikant reduziert.

Allerdings wurde in dieser Studie lediglich eine Cortexhemisphäre einer kongenital tauben

Katze sowie nur zwei auditorische Cortices einer normalhörenden Katze ausgewertet.

Weiterhin ist nicht bekannt, inwieweit sich die corticalen auditorischen Dendritenstrukturen

per se zwischen neonatal ertaubten und kongenital tauben Katzen unterscheiden.

Die Ergebnisse jener Untersuchung sind daher einerseits mit Vorsicht zu betrachten,

andererseits scheinen Ergebnisse von KLINKE et al. (1999) die Studie jedoch zu

untermauern, da bei den kongenital tauben Tieren auch geringer ausfallende synaptische

Ströme gemessen wurden.

Nach unilateraler neonataler Deprivation von Kaninchen konnten MCMULLEN et al. (1988)

in den Laminae III und IV des kontralateralen auditorischen Cortex ebenfalls signifikante

Veränderungen der Dendritenstruktur nachweisen. In dieser Studie zeigte sich jedoch, dass

die Dendriten nicht-pyramidaler Neurone der einseitig ertaubten Tiere eine Verlängerung um

durchschnittlich 27 % relativ zu denen normalhörender Geschwistertiere aufweisen.

5. Diskussion

92

Die maximale Verlängerung wurde dabei in tangentialer Ausrichtung sowie in Richtung der

weißen Substanz gefunden. Zusätzlich konnte ein abnormales Dendritenwachstum in Form

von zum Zellsoma rekurrierenden Dendriten dargestellt werden. Hinweise auf eine Reduktion

der Dendritenanzahl wurden nicht gefunden.

Am gleichen Versuchsmodell konnten MCMULLEN und GLASER (1988) eine Reduktion

der Spines an den basalen Dendriten der pyramidalen Neurone der Laminae III und IV des

kontralateralen auditorischen Cortex der unilateral deprivierten Tiere um durchschnittlich 38

% nachweisen. Dieses stellt einen eindeutigen Hinweis auf einen Verlust von Synapsen nach

einer Deprivation dar. Hinsichtlich der Somataquerschnittsfläche, der Gesamtzahl der

Dendritenäste und der basalen Dendriten wie auch der Gesamtlänge der basalen Dendriten

wurden wiederum keine Unterschiede zu normalhörenden Geschwistertieren gefunden.

Bei Betrachtung dieser Ergebnisse muss jedoch auf die methodischen Unterschiede

hingewiesen werden. Bei einseitigen Ertaubungen kann theoretisch über die intakte

ipsilaterale afferente Bahn eine Veränderung auf Ebene des auditorischen Cortex induziert

werden. Dieser Einfluss ist jedoch aufgrund der grundsätzlichen Verschaltung der afferenten

Bahnen als eher gering einzuschätzen, da der Anteil aus der ipsilateralen Cochlea lediglich 30

% beträgt (IRVINE et al. 1996).

Mittels Optical Recording konnten von REUTER et al. (2002a) die funktionellen Aus-

wirkungen einer neonatalen Ertaubung verifiziert werden. Bei den experimentell ertaubten

Katzen dieser Studie war zur Auslösung von neuronaler Aktivität im AI eine im Mittel

doppelt so hohe Stimulationsenergie wie bei hörenden Kontrolltieren nötig. Gleichzeitig

zeigte sich die bei den hörenden Tieren deutliche tonotope Darstellung der

Stimulationsfrequenzen bei den ertaubten Tieren stark verzerrt. Aktivierte Areale erschienen

dabei als kleine Inseln, welche von Bereichen unterschiedlicher Sensitivität umgeben waren.

In Bezug auf die durch angrenzende Stimulationsfrequenzen aktivierten corticalen Areale und

der registrierten „Überlappungszone“ zwischen diesen zwei Frequenzen zeigten sich deutliche

signifikante Unterschiede. Während bei den hörenden Tiere nur geringe Überlappungszonen

(26 %) aufgezeichnet werden konnten, wiesen die ertaubten Tiere weitaus größere (40 %) und

kompaktere Überlappungszonen auf.

5. Diskussion

93

Neben den deutlichen Unterschieden zwischen den hörenden und ertaubten Tieren

hinsichtlich der Funktionalität des AI zeigen diese Daten jedoch auch, dass trotz einer

Ertaubung und einem damit einhergehenden Fehlen von akustischen Sensationen und einer

darauf beruhenden nur rudimentären Entwicklung der auditorischen Hörbahn sowie des

auditorischen Cortex, letzterer durch adäquate Reize stimuliert werden kann. Dies bedeutet

weiterhin, dass selbst bei neonatal ertaubten Tieren die Grundstruktur der afferenten Hörbahn

und der corticalen Neuronenverschaltungen, also die Dendritenstruktur, prinzipiell vorhanden

ist.

Ähnliche Ergebnisse an neonatal ertaubten Katzen konnten von RAGGIO und SCHREINER

(1999) dargestellt werden. Es zeigte sich hier ebenfalls, dass der auditorische Cortex ohne

afferenten Informationsfluss unterentwickelt bleibt, zum anderen jedoch auch eine

rudimentäre, aber dennoch tontotope, aktivierbare Struktur im primären auditorischen Feld

ausgebildet ist. Letztere Ergebnisse lassen große Unterschiede bezüglich der Dendriten-

struktur bei der neonatal ertaubten Katze unwahrscheinlich erscheinen.

Signifikante Unterschiede zwischen den beiden separat ausgewerteten Cortexhälften in der

Gruppe der neonatal ertaubten Tiere konnten in dieser Studie nicht nachgewiesen werden.

Auch die histologische Untersuchung von WENKE (1999) ergab für neonatal ertaubte Katzen

keinen signifikanten interhemisphärischen Unterschied.

Innerhalb der ertaubten Versuchsgruppe konnte beim Vergleich der erhobenen Daten für die

Laminae I bis VI zwischen den untersuchten auditorischen Feldern kein signifikanter

Unterschied und damit kein Einfluss der neonatalen Deafferentierung nachgewiesen werden.

Die Ursache hierfür ist wahrscheinlich darin begründet, dass durch die nicht-selektive

Deprivation auf der niedrigsten Stufe der auditorischen Hörbahn durch die Schädigung der

Hörsinneszellen mittels Aminoglycosid-Antibiotikum alle der hier untersuchten auditorischen

Felder die Auswirkungen der Deprivation in gleicher Ausprägung erfahren.

Bei dem direkten Vergleich der prozentualen Dendritenanteile der analogen Laminae der

ertaubten und der hörenden Versuchsgruppe zeigten sich ebenfalls keine signifikanten

Unterschiede.

5. Diskussion

94

5.4 Die Auswirkungen einer chronischen elektrischen intracochleären Stimulation auf

die Morphometrie der Dendriten der Laminae I bis VI im AAF, AI und AII der

Katze

Elektrische Innenohrprothesen, auch Cochlea-Implantat (CI) genannt, sind in der Lage die

Funktion der sensorischen Zellen im Innenohr zu ersetzen, so dass die Verarbeitung von

akustischen Reizen ermöglicht wird. Im Gegensatz zur normalen akustischen Stimulation,

welche sich auf die Erregung weniger Frequenzbereiche des Hörnerven beschränkt (6 bis 8),

werden durch die direkte elektrische Stimulation mit einem CI alle Frequenzbereiche des

Hörnerven aktiviert. Eine Veränderung der sensorischen Afferenzen in Folge einer

elektrischen Stimulation konnte bereits nachgewiesen werden (siehe Kapitel 2.5.3.1), so dass

auch eine Plastizität auf corticaler Ebene erwartet werden kann.

Mit dieser Studie konnte der Einfluss einer chronischen elektrischen intracochleären

Stimulation mittels Cochlea-Implantat auf die „Schichten-Hierarchie“ der horizontal

verlaufenden Dendriten des sekundären auditorischen Feldes sowie der vertikal verlaufenden

Dendriten in allen drei betrachteten auditorischen Subarealen nachgewiesen werden. Eine

laminaspezifische Veränderung der einzelnen prozentualen Anteile der Dendriten-

verlaufsrichtungen aufgrund der Versorgung mit einem CI konnte beim Vergleich mit den

anderen Versuchsgruppen hingegen nicht nachgewiesen werden.


intracochleär stimulierten Tiere macht hinsichtlich der „Schichten-Hierarchie“ aufgrund

deutlicher Unterschiede zu der hörenden und ertaubten Versuchsgruppe eine differenzierte

Betrachtung der drei auditorischen Felder notwendig.

Innerhalb des anterioren sowie des primären auditorischen Feldes zeigt sich bei der

statistischen Betrachtung der Dendritenverhältnisse über die Laminae kein herausragender

Einfluss der Stimulation mittels Cochlea-Implantat, wenngleich sich die Signifikanzniveaus,

insbesondere des AI, deutlich unterscheiden. Hinsichtlich des sekundären auditorischen

Feldes besteht jedoch im Verhältnis zur Lamina II, V und Lamina VI keine Dominanz der

Lamina I. Damit wird ein deutlicher Einfluss der chronischen elektrischen intracochleären

Stimulation deutlich.

5. Diskussion

95

Im Gegensatz zu der horizontalen Systematik unterscheidet sich die elektrisch stimulierte

Versuchsgruppe bezüglich der diagonalen „Schichten-Hierarchie“ lediglich durch ein geringer

ausfallendes Signifikanzniveau (p<0.01) von der hörenden und der ertaubten Versuchsgruppe.

Bei der statistischen Auswertung der prozentualen Anteile der vertikalen Dendritenverläufe

fällt ein sehr deutlicher Einfluss der CI-Versorgung auf. Während für die Laminae I, V und VI

wie bei den vorausgegangenen Versuchsgruppen eine Dominanz der Lamina III vorhanden

ist, kann für die Lamina II innerhalb des anterioren, primären und sekundären auditorischen

Feldes keine dominierende Rolle der Lamina III nachgewiesen werden. Ebenso weist die

Lamina IV im AAF keinen signifikanten Unterschied zur Lamina III auf.

In der Gruppe der chronisch elektrisch intracochleär stimulierten Tiere scheint bei

Betrachtung der vorliegenden Ergebnisse eine strukturelle Veränderung im Sinne einer

Plastizität als Folge der Stimulation mit einem Cochlea-Implantat und der damit

einhergehenden Veränderung des „akustischen Inputs“ stattgefunden zu haben.

Eine funktionelle Reorganisation im auditorischen Cortex chronisch elektrisch intracochleär

stimulierter Katzen konnte auch durch die Messung intrinsischer corticaler Signale

nachgewiesen werden (REUTER et al. 2002a). So war zur Aktivierung der corticalen

Aktivität bei diesen Tieren eine signifikant geringere Stimulationsintensität als bei den

normalhörenden Tieren notwendig. Weiterhin hat bei den chronisch elektrisch intracochleär

stimulierten Tieren eine substantielle Reorganisation der Tonotopie stattgefunden. Im

Vergleich zu normalhörenden Tieren wurde bei dieser Versuchsgruppe durch Stimulation

mehrerer Elektrodenpaare eine signifikant größere corticale Fläche aktiviert. Dies lässt auf

einen Verlust der repräsentativen Selektivität schließen. Dennoch konnte auch bei den

chronisch elektrisch intracochleär stimulierten Tieren die tonotope Verlagerung der

aktivierten Cortexareale von caudal nach rostral in Abhängigkeit der Stimulusfrequenz

beobachtet werden (REUTER et al. 2002b).

Diese Ergebnisse zeigen neben einer funktionellen Rehabilitation im auditorischen Cortex

nach Versorgung mit einem Cochlea-Implantat jedoch auch, dass auch nach chronischer

elektrischer intracochleärer Stimulation nach einer Ertaubung eine substantielle Unreife in der

corticalen Aktivierung bestehen bleibt.

5. Diskussion

96

In diesem Sinne konnten auch PONTON und EGGERMONT (2001) zeigen, dass bei

Erwachsenen und Kindern, welche nach einer kritischen Taubheitsdauer mit einem CI

versorgt werden, die corticalen auditorisch evozierten Potentiale nicht denen normalhörender

Personen entsprechen. Auch die Reizantworten von chronisch intracochleär stimulierten

Katzen weisen auf eine nicht vollständig ausgereifte Funktion der Axone in den superficialen

Schichten des auditorischen Cortex hin (KLINKE et al. 1999).

Die deutlichen Veränderungen in der „Schichten-Hierarchie“ in Bezug auf die horizontal und

vertikal verlaufenden Dendriten können dadurch erklärt werden, dass für die Ausbildung

dieser Verbindungen Einflüsse aus anderen Strukturen relevant sind und sich dort

stattgefundene Veränderungen in der Systematik der hier untersuchten auditorischen Felder

wiederspiegeln. Im Falle der horizontal verlaufenden Dendriten handelt es sich dabei

wahrscheinlich vor allem um Interaktionen mit anderen corticalen Bereichen, während die

vertikalen Dendritenverläufe höchstwahrscheinlich die Veränderungen der thalamocorticalen

Bahnen reflektieren.

Der vergleichsweise gering ausfallende Unterschied in der diagonalen Hierarchie ist unter

Umständen darauf zurückzuführen, dass die diagonal verlaufenden Dendriten

höchstwahrscheinlich einen eher lokalen Einfluss haben und daher nicht in dem Maße wie die

horizontal und vertikal verlaufenden Dendriten von externen Strukturen wie der afferenten

Hörbahn und den anderen auditorischen Feldern beeinflusst werden.

Histologisch zeigte sich für die Lamina III der Einfluss einer chronischen elektrischen

intracochleären Stimulation im ipsilateralen und kontralateralen AI in einer signifikant über

der Anzahl einer neonatal ertaubten Tiergruppe liegenden Gesamt- und Pyramidenzellzahl

(WENKE 1999). In Hinblick auf die Daten der dort verwendeten hörenden Versuchsgruppe

zeigte sich jedoch in einer signifikant niedrigeren Gesamt- und Pyramidenzellzahl der

stimulierten Tiere, dass eine chronische elektrische Stimulation den aufgetretenen Zellverlust

sowohl ipsilateral als auch kontralateral nicht vollständig ausgleichen kann. Die bei der

stimulierten Gruppe gefundenen Zellzahlen entsprechen circa 89 % (Gesamtzellzahl) bzw. 65

% (Pyramidenzellzahl) den bei hörenden Kontrolltieren gefundenen Zahlen (REUTER et al.

2002a). Im sekundären auditorischen Feld konnte in dieser Studie durch eine chronische

elektrische intracochleäre Stimulation keine signifikante Veränderung der Zellzahlen

gegenüber der ertaubten Versuchsgruppe erreicht werden. Auch innerhalb des AAF konnte

der aufgetretene Pyramidenzellverlust nicht durch die Stimulation aufgehoben werden.

5. Diskussion

97

Bei Betrachtung der horizontalen Systematik zwischen der hörenden und stimulierten

Versuchsgruppe dieser Studie fällt dagegen in den hier präsentierten Daten eine ausgeprägtere

Differenz in Bezug auf das sekundäre auditorische Feld auf. Dies steht im Einklang mit

vorangegangenen Studien, welche in den übergeordneten auditorischen Feldern, insbesondere

dem AII der Katze, eine größere Plastizität als dem primären auditorischen Feld nachwiesen

(WEINBERGER et al. 1984).

Im Vergleich der ipsi- und kontralateralen auditorischen Cortices zeigte sich in der

histologischen Studie von WENKE (1999) in der Lamina III im primären auditorischen

Cortex ein signifikanter Unterschied. Während das ipsilaterale primäre auditorische Feld eine

um 20 % erniedrigte Gesamtzellzahl aufwies, war diese im kontralateralen AI um lediglich 12

% reduziert. In Bezug auf die Pyramidenzellzahl fand sich ipsilateral eine signifikant zur

kontralateralen Seite verschiedene Reduzierung von 64 % bzw. 35 %.

In Bezug auf die Dendritenstruktur zeigt sich in der vorliegenden Studie mit Ausnahme der

diagonalen Verläufe im sekundären auditorischen Feld kein Unterschied zwischen dem

ipsilateral und kontralateral stimuliertem Cortex. In diesem Fall liegt allerdings im

ipsilateralen AII ein signifikant gegenüber dem kontralateralen Areal erhöhter prozentualer

Anteil der diagonal verlaufenden Dendriten vor (p<0.05). Dies steht im Gegensatz zu den

oben genannten Ergebnissen sowie den durch die Anatomie der Hörbahn begründeten zu

erwartenden ausgeprägteren Einflüssen einer cochleären Stimulation auf den kontralateralen

auditorischen Cortex. Auf der anderen Seite zeigte sich bei einer unilateralen Taubheit beim

Menschen eine bilaterale Aktivierung der Hörrinde. Ursache für derartige zentralauditive

Kompensationsmechanismen im Sinne einer Bilateralisation ist wahrscheinlich eine

Demaskierung vorhandener ipsilateraler Verbindungen (BILECEN et al. 2000).

Das Auftreten eines signifikanten interhemisphärischen Unterschiedes im AII spricht

wiederum für seine übergeordnete Fähigkeit zur Plastizität (WEINBERGER et al. 1984). Zum

anderen werden die Veränderungen in Bezug auf die Systematik der diagonal verlaufenden

Dendriten, wenn man von einer eher lokalen Vernetzungsfunktion dieser Strukturen ausgeht,

von den funktionellen Veränderungen hinsichtlich der veränderten Größe der aktivierten

corticalen Areale durch die Ergebnisse von REUTER et al. (2002b) unterstützt.

Innerhalb der stimulierten Versuchstiergruppe konnte beim Vergleich der erhobenen Daten

für die Laminae I bis VI zwischen den untersuchten auditorischen Feldern kein signifikanter

Unterschied nachgewiesen werden.

5. Diskussion

98

Die Ursache hierfür ist wahrscheinlich darin begründet, dass durch die Aktivierung der

auditorischen Hörbahn auf niedrigster Stufe alle der hier untersuchten auditorischen Felder

die Auswirkungen der Plastizitäten in gleicher Ausprägung erfahren.

Bei dem direkten Vergleich der prozentualen Dendritenanteile der analogen Laminae der

chronisch elektrisch intracochleär stimulierten Tiere mit denen der ertaubten und der

hörenden Versuchsgruppe zeigen sich ebenfalls keine signifikanten Unterschiede.

5.5 Die Schlussfolgerungen

Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, die Auswirkungen einer akustischen Deprivation

und einer chronischen elektrischen intracochleären Stimulation auf die Dendritenstruktur im

auditorischen Cortex der Hauskatze zu untersuchen. Dazu wurde das an der Medizinischen

Hochschule Hannover seit langem etablierte Tiermodell der Katze verwendet.

Für die Arbeit standen drei Versuchsgruppen zur Verfügung. Neben den normalhörenden

Tieren der Kontrollgruppe wurden die Tiere der beiden weiteren Gruppen durch die

systemische Applikation eines Aminoglykosid-Antibiotikums neonatal ertaubt. Zwei dieser

Tiere wurden bilateral, ein weiteres ertaubtes Tier unilateral mit einem Cochlea-Implantat

versorgt und bildeten damit die Gruppe der chronisch elektrisch intracochleär stimulierten

Tiere.

Zahlreiche Untersuchungen haben bereits gezeigt, dass es bei der Katze in Folge einer

neonatalen Ertaubung und einer chronischen elektrischen Stimulation zu Veränderungen auf

zellulärer Ebene der auditorischen Hörbahn (CORDS 1996; HEID et al. 1998; KELLER

1997; SNYDER et al. 1990; TERAYAMA et al. 1977) sowie des auditorischen Cortex

kommt (REUTER et al. 2002b; WENKE 1999; WURTH 1999).

Die Auswertung der Dendritenstruktur erfolgte in der vorliegenden Studie durch die

Berechnung der prozentualen Anteile der horizontal, diagonal oder vertikal verlaufenden

Dendriten in den Laminae I bis VI des anterioren (AAF), primären (AI) und sekundären (AII)

auditorischen Feldes des rechten und linken auditorischen Cortex. Dazu wurde die

Gesamtanzahl aller in 30 Zählfeldern einer Schicht gezählten Dendriten addiert und als 100

Prozent angesehen. Im Anschluss wurden die horizontal, diagonal und vertikal verlaufenden

Dendriten der 30 Zählfelder separat voneinander addiert und ins Verhältnis zur Gesamtheit

gesetzt.

5. Diskussion

99

An der Kontrollgruppe konnte gezeigt werden, dass für die jeweiligen Verlaufsrichtungen

unterschiedliche intraareale Systematiken („Schichten-Hierarchien“) vorliegen, welche sich

zwischen den drei untersuchten Feldern nicht unterscheiden. Im Vergleich der „Schichten-

Hierarchien“ für die horizontal, diagonal und vertikal verlaufenden Dendriten der Kontroll-

tiere mit den Systematiken der neonatal ertaubten Tieren zeigten sich nur sehr geringe

Veränderungen. Eine Plastizität als Folge der akustischen Deprivation scheint sich dabei auf

die vertikal verlaufenden Dendriten innerhalb des AI zu beschränken. Bei Betrachtung der

Ergebnisse der chronisch elektrisch intracochleär stimulierten Versuchsgruppe zeigen sich

sowohl hinsichtlich der horizontal verlaufenden Dendriten innerhalb des AII sowie

insbesondere in Bezug auf die vertikalen Dendritenanteile im AAF, AI und AII Hinweise auf

reorganisatorische Prozesse.

Die zwischen dem Mensch und der Katze bestehenden Parallelen in der Funktion und

Entwicklung (FULLERTON et al. 1987) sowie der Morphologie (ONG und GAREY 1990)

des auditorischen Systems machen es wahrscheinlich, dass die hier gezeigten Änderungen der

Dendritensystematik auch bei mit einem Cochlea-Implantat versorgten Patienten auftreten.

Daraus kann gefolgert werden, dass die hier nachgewiesenen Veränderungen die Grundlage

für die auf der Ebene des auditorischen Cortex stattfindende Plastizität darstellen, welche

beim Cochlea-Implantat-Nutzer zur Vermittlung von Höreindrücken bis hin zum offenen

Sprachverständnis führt.

Um einen genaueren Einblick in die Auswirkungen und die Funktion der hier gezeigten

Plastizität zu erhalten ist jedoch ein Ausbau der hier verwendeten Methode zwingend

notwendig. Zum einen kann die Einhaltung kürzerer postmortaler Fixationszeiten von

optimalen zwei Tagen eine Auswertung der kompletten Dendritenbäume einzelner Neurone

ermöglichen. Neben einer quantitativen Auswertung, bezogen auf die Anzahl und

Ausdehnung der Dendriten pro Neuron, wäre damit bei weiterhin verbleibender Verwendung

von 70 µm dicken Vibratomschnitten auch eine 3-dimensionale Rekonstruktion der

Dendritenbäume mit Hilfe eines Confokalen-Laser-Scanning Mikroskops möglich. Die

Grundlagen für eine derartige Auswertung wurden im Rahmen dieser Untersuchung

erarbeitet. Sinnvoll wäre zum anderen eine Kombination der postmortalen Zellfärbung mit

zuvor durchgeführten Messungen der physiologischen Zellfunktion im Sinne einer Ableitung

intrinsischer corticaler Signale. Auch eine Überprüfung der Funktionalität mittels

immunhistochemischer Methoden könnte angewendet werden. So wäre eine Bestimmung der

Anzahl sowie eine Darstellung der Verteilung von GABA-Rezeptoren vorstellbar.

6. Zusammenfassung

100

6. ZUSAMMENFASSUNG

Untersuchungen zur Plastizität der laminären Dendriten im auditorischen Cortex von

akustisch deprivierten sowie chronisch elektrisch intracochleär stimulierten

Hauskatzen (Felis domestica)

Heike Rieger

Cochlea-Implantate (CI) sind in der Lage Menschen, deren Taubheit auf einem Funktions-

verlust der Haarzellen beruht, durch eine direkte elektrische Stimulation des Hörnerven zu

Hörsensationen bis hin zum offenen Sprachverständnis zu verhelfen. Sie bieten damit bei

vollständig ertaubten Patienten die einzige Möglichkeit der Rehabilitation.

Im Gegensatz zum rapide voranschreitenden technischen Fortschritt in der Entwicklung

leistungsfähigerer Innenohrprothesen, schreiten die physiologischen Untersuchungen der

Einflüsse einer chronischen elektrischen intracochleären Stimulation auf die Strukturen der

Hörrinde nur langsam voran. Weitergehende Untersuchungen über die Auswirkung einer

akustischen Deprivation und einer Stimulation mittels CI auf die neuronale Organisation im

auditorischen Cortex sind daher dringend erforderlich. Diese Auswirkungen werden in der

vorliegenden Studie anhand einer Auswertung der Dendritenverläufe in den Laminae I bis VI

des anterioren (AAF), primären (AI) und sekundären (AII) auditorischen Feldes dargestellt.

Die Fragestellung dieser Arbeit lautet, inwieweit es bei einer neonatalen Ertaubung sowie

einer anschließenden chronischen elektrischen intracochleären Stimulation zu plastischen

Veränderungen in den auditorischen Subarealen kommt.

Sieben Katzen wurden für diese Studie durch eine tägliche subcutane Injektion des

ototoxischen Aminoglycosid-Antibiotikums Neomycin ertaubt. Der Erfolg der Ertaubung

wurde mittels Hirnstammaudiometrie nach akustischer Stimulation (Click-Reiz, 100 dB SPL)

kontrolliert. Zwei der neonatal ertaubten Tiere wurden im Alter von 11 bis 12 Wochen

bilateral, ein weiteres Tier unilateral mit humanen Cochlea-Implantaten versorgt. Über einen

Zeitraum von 84 bis 112 Tagen erfolgte eine tägliche mindestens vierstündige Stimulation der

Tiere nach der „continuous interleaved sampling“-Strategie 2 dB über der individuellen

Hörschwelle. Als Kontrollgruppe dienten 6 normal hörende Tiere.

Alle Versuchstiere wurden in Allgemeinanästhesie transcardial perfundiert und der

auditorische Cortex präpariert. Nach Applikation von 500 bis 800 µm großen Kristallen des

Carbocyanin-Fluoreszenzfarbstoffs DiI auf das AAF, AI und AII beider Hemisphären wurden

die Gewebe für 120 Tage in 4 %igem Paraformaldehyd bei 37 °C und Dunkelheit inkubiert.

6. Zusammenfassung

101

Im Anschluss an die Anfertigung von 70 µm dicken Vibratomschnitten wurden für jedes der

Subareale in der Lamina I bis VI jeweils 30 Zählfelder (je 6 in 5 Schnitten) mit einer Größe

von 60 x 60 µm betrachtet. Gezählt wurden alle Dendriten, welche ganz oder partiell

innerhalb des Zählareals lagen. Diese wurden nach ihrer relativ zur Cortexoberfläche

gesehenen Verlaufsrichtung als horizontal, diagonal oder vertikal ziehend eingeordnet.

Die statistische Auswertung erfolgte nach Überprüfung auf Normalverteilung mittels one-way

ANOVA mit einem Signifikanzniveau von 95 %. Anschließend erfolgte mittels Post Hoc Test

nach Bonferroni ein paarweiser Datenvergleich. In Einzelfällen wurde auf den Kruskal-

Wallis-Test mit anschließendem Post Hoc Test nach Dunn ausgewichen. Die Auswertung der

Ergebnisse der diagonalen Datenverläufe erfolgte nach Prüfung auf Normalverteilung mittels

t-Test mit unabhängigen Variablen.

Bei der hörenden Kontrollgruppe konnte sowohl für die horizontal und diagonal als auch für

die vertikal verlaufenden Dendriten eine voneinander differierende Systematik über die sechs

Cortexschichten beobachtet werden. Diese Systematiken waren prinzipiell auch in der

neonatal ertaubten sowie der chronisch elektrisch intracochleär stimulierten Versuchsgruppe

vorhanden. Es zeigten sich jedoch für die ertaubte Tiergruppe bei Betrachtung der vertikalen

Dendritenverläufe im AI Hinweise auf eine stattgefundene Plastizität. Im Verhältnis zur

Lamina II trat ein durch einen Anstieg des prozentualen Anteils der vertikal ziehenden

Dendriten in dieser Schicht ausgelöster Verlust der signifikant dominierenden Rolle der

Lamina III auf. In der Gruppe der stimulierten Tiere zeigten sich im Vergleich zur ertaubten

Versuchsgruppe stärker ausgeprägte Unterschiede zur hörenden Kontrollgruppe. In Bezug auf

die vertikal ziehenden Dendriten kam es in der Lamina II aller drei auditorischen Felder sowie

in der Lamina IV des AAF zu einem einem Verlust der signifikanten Dominanz der Lamina

III. Zusätzlich traten bei den horizontalen Dendritenverläufen in den Laminae II, V und VI im

AII ebenfalls ein Dominanzverlust der Lamina I auf. Auch hierbei handelt es sich um

deutliche, auf eine plastische Veränderung hindeutende, Abweichungen zur Kontrollgruppe.

Mit dieser Studie konnte auf Ebene des auditorischen Cortex eine plastische Veränderung der

Dendritensystematik über die Laminae I bis VI nach pharmakologisch induzierter Cochlea-

schädigung sowie nachgeschalteter chronischer elektrischer intracochleärer Stimulation nach-

gewiesen werden. Aufgrund der Parallelen zwischen dem Hörsystemen von Mensch und

Katze (FULLERTON et al. 1987; ONG und GAREY 1990) ist eine Übertragung der

Versuchsergebnisse auf den Menschen möglich. Inwieweit die hier gezeigten histo-

morphologischen Veränderungen an eine Funktionsänderung des auditorischen Cortex

gekoppelt sind, bedarf weiterer Untersuchungen.

7. Summary

102

7. SUMMARY

Investigation into laminar dendritic plasticity in the auditory cortex of

acoustically deprivied and chronic electrically intracochlear stimulated cats

(Felis domestica)

Heike Rieger

Cochlear implants (CI) are in the position to achieve hearing sensations up to open speech

understanding in patients, whose deafness is caused by a functional loss of hair cells. By

directly stimulating the auditory nerve the missing hair cell activity is reconciled. This is the

only method for rehabilitating profoundly deaf subjects.

In contrast to the rapidly progressing technical improvement of efficient cochlear implants,

the investigation into the physiological influences of chronic electric intracochlear stimulation

to the central auditory pathway and the auditory cortex is progressing slowly. Therefore more

extensive studies on the consequence of acoustic deprivation and chronic stimulation by CI on

the neuronal organization of auditory fields are essentially required.

These possible effects are examined by means of a descriptive and semiquantitative study of

the pattern of dendrites across Laminae I to VI of the anterior, primary and secondary

auditory field. To verify indications for a reorganisation and stimulation-depending effects of

plasticity is in the centre of attention.

To this end, an animal model already established at the ENT department of the Medical

School of Hanover was used. Seven cats received a daily subcutaneous injection of the

ototoxic aminoglycoside antibiotic Neomycin for a period of 13 to 17 days, starting at the first

day of life. The result of the deafening procedure was controlled by brainstem audiometry. In

two neonatal deafened cats multichannel electrodes were implanted into the scala tympani of

the cochlea bilaterally, in one other animal unilaterally at the age of 11 to 12 weeks.

Subsequently, these cats were stimulated with environmental sounds by the “continuous

interleaved sampling” strategy over a period of 84 to 112 days 2 dB above hearing threshold.

Six normal hearing cats made up the control group. All animals were transcardially perfused

under general anaesthesia and the brains were removed. After application of 500 to 800 µm

large crystals of the carbocyanine fluorescent dye DiI onto the anterior, primary and

secondary auditory field of the right and left cortex, the examinated tissue was incubated in

parafomaldehyde for 120 days at 37 °C in absence of light.

7. Summary

103

Following cutting 70 µm thick sections by a vibratome 30 counting areas (5 sections each

with 6 areas) with dimensions of 60 to 60 µm were examined in the laminae I to VI from each

of the studied auditory fields of both cerebral hemispheres. All dendrites, which laid totally or

partially inside these counting areas were counted. Counted dendrites were classified as

horizontal, diagonal or vertical by their course in relation to the cortical surface.

For statistical evaluation the Goodness-of-fit test and a one-way test of variance with a 95 %

level of significance were performed. At the same time a paired data comparison by post hoc

test of Bonferroni was carried out. All relevant data sheets were extracted and interpreted. In

individual cases it had been necessary to switch to the Kruskal-Wallis test with adjacent post

hoc test of Dunn. The evaluation of the diagonal dendrites, which were summarized to merely

two data sheets, was performed after testing normal distribution by a t-test with independent

variables.

In the normal hearing control group a different system across the six cortical layers for the

horizontal as well as for the diagonal and vertical dendrites could be recognized. These

patterns were also present in the deafened and the stimulated group. On closer examination of

the vertical dendrites indications for a reorganisation could be verified. Inside lamina II of the

primary auditory field a loss of significant dominance of lamina III by an increase of the

percentage of vertical dendrites could be observed.

In the group of the chronic electric intracochlear stimulated cats the differences to the

normally hearing cats were even greater. In case of the vertical dendrites an increase could be

seen inside lamina II of all three auditory fields and inside lamina IV of the anterior auditory

field. This caused a loss of significant dominance of lamina III. Additional the horizontal

dendrites inside laminae II, V and VI of the secondary auditory field increased causing a loss

of dominance of lamina I. This has to be considered as a clear indication of plasticity.

These results showed a plasticity of the system of dendrites across the six laminae in the

auditory cortex after pharmacologically induced cochlear damage and chronic electrical

intracochlear stimulation.

8. Literaturverzeichnis

104

8. LITERATURVERZEICHNIS

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9. Anhang

121

9. ANHANG

9.1 Das Cochlea-Implantat

Cochlea-Implantate sind elektrische Innenohrprothesen, welche bei Vorliegen eines Ausfalls

des Corti-Organs dessen Funktion ersetzen. Durch die Versorgung mit einem Cochlea-

Implantat ist es möglich Personen, deren Hörverlust auf eine sensorische, von den Haarzellen

ausgehende Schallempfindungsschwerhörigkeit bei intakter zentraler Hörbahn beruht, zu

einem offenen Sprachverständnis zu verhelfen. Dabei werden adäquate Schallinformationen

über die elektrischen Kontakte des Cochlea-Implantats als elektrische Reize direkt an den

Nervus vestibulocochlearis weitergeleitet (KLINKE und HARTMANN 1997).

Das im Rahmen dieser Untersuchung verwendete Cochlea-Implantat bestand aus einer

Stimulationselektrode, einem Sprachprozessor mit Mikrophon und externem Implantat-

empfänger sowie einer Programmiereinheit. Alle genutzten Bestandteile werden auch klinisch

am humanen Patienten eingesetzt.

Bei der Stimulationselektrode handelte es sich um eine Silikon-ummantelte mehrkanalige

elektrische Innenohrprothese der Firma Cochlear Ltd. (Sydney, Australien). Die an der Spitze

der Prothese lokalisierten Elektrodenkontakte werden durch 6 bis 8 Plättchen oder Ringe aus

Platin-Iridium dargestellt, ein die Verbindung zum Implantatempfänger herstellender

Steckkontakt bildet den Elektrodenabschluss. Dieser Steckkontakt und die Elektroden-

kontakte sind durch Platindrähte verbunden.

Der Sprachprozessor, Modell MMT-5202, der Firma Advanced Bionics (Sylmar, Californien)

wandelt die über das Mikrophon eingehenden akustischen Signale in einen elektrischen Code

um. Dieser wird an den Implantatempfänger weitergeleitet, dekodiert, in elektrische Signale

umgewandelt und der Mehrkanalelektrode mit den verschiedenen Elektrodenkontakten

zugeführt. Die sich anschließende Steckverbindung besteht aus mehreren kunststoff-

ummantelten Kupferdrähten, welche jeweils einen Ausgang mit einem Elektrodenkontakt der

Elektrode verbinden.

Das Mikrophon befindet sich im sogenannten Kopfstück, welches mit dem Implantat-

empfänger über einen Magneten verbunden ist.

Aufgrund der anatomischen Verhältnisse bei der Katze konnte der Implantatempfänger in

diesen Untersuchungen nicht wie beim Menschen retroauriculär implantiert werden, sondern

musste extern in einem Kunststoffgehäuse an einer dem Tier angepassten Nylonjacke platziert

werden.

9. Anhang

122

Die Mehrkanalelektrode und der externe Implantatempfänger standen über eine Steck-

verbindung in Kontakt. Das an den Implantatempfänger angeschlossene Mikrophon und der

Sprachprozessor verfügten über eine zusätzliche, zweiteilige Kabelverbindung, so dass

Informationen einerseits vom Mikrophon zum Sprachprozessor, andererseits auch vom

Prozessor zum Implantatempfänger geleitet werden konnten.

Zur Programmierung des Sprachprozessors wurde ein Personal Computer (386er Prozessor)

mit Interface und integrierter Software der Firma Advanced Bionics genutzt. Eine direkte

Verbindung von Prozessor und Interface ermöglichte die Datenübertragung von der

Rechnereinheit zum Sprachprozessor. Um den Prozessor neu programmieren zu können,

wurden bereits vorhandene Parameter mit Hilfe einer Ultraviolett-Lichtbrücke gelöscht.

9.2 Die chronische elektrische intracochleäre Stimulation

Für die chronische elektrische Stimulation der drei mit einem Cochlea-Implantat versehenen

Versuchstiere wurde eine Beschallung durch ein in unmittelbarer Nähe der Tiere aufgestelltes

Radio sowie durch Umgebungsgeräusche vorgenommen.

Zur Codierung der akustischen Signale wurde die „continuous interleaved sampling“ (CIS)

Stimulationsstrategie eingesetzt (WILSON et al. 1991). Dabei werden die über das Mikrofon

eingehenden Signale verstärkt, Hochpass-gefiltert, komprimiert und nach Digitalisierung in

Form von pulsatilen Wellen, nahezu simultan auf vier den entsprechenden Elektrodenpaaren

zugeordneten Frequenzbändern weitergeleitet. Durch die unterschiedlichen Elektroden-

konfigurationen ist eine Aufteilung des Frequenzbereichs von 350 bis 5500 Hz auf vier

verschiedene Kanäle möglich. Innerhalb eines jeden Frequenzbandes wurde das Signal nach

Durchlaufen eines Gleichrichters und nach Tiefpass-Filterung logarithmisch komprimiert und

als Radiosignal über ein Kabel an den Implantatempfänger weitergegeben. Das vom

Implantatempfänger dekodierte Signal wurde schließlich über eine entsprechende

Steckverbindung in die Elektrode eingespeist.

Die Phasenlänge des zur Stimulation verwendeten biphasischen Rechteckimpulses betrug 75

�P� PLW� HLQHU� )UHTXHQ]� YRQ� �� +]�� ,P� ELSRODUHQ� 0RGXV� ZXUGHQ� GLUHNW� EHQDFKEDUWH�Elektrodenkontakte gegeneinander stimuliert. Andere Stimulationskombinationen ergaben

sich nur dann, wenn das Ausweichen auf eine andere Kombination aufgrund des Defekts

eines oder mehrerer Elektrodenkontakte notwendig wurde.

9. Anhang

123

9.3 Die Überprüfung des Hörstatus durch Messung der frühen akustisch (FAEP) und

elektrisch (FEEP) evozierten Potentiale

Zur Überprüfung der medikamentösen Ertaubung der neonatalen Versuchstiere wurden am

14. und bei einem Resthörvermögen (Antwort der auditorischen Hörbahn auf Click-Reize bei

100 dB SPL) zusätzlich am 19. Lebenstag die frühen akustisch evozierten Potentiale (FAEP)

abgeleitet (siehe Abb.22). Dabei handelt es sich um durch Schallreize ausgelöste und infolge

der auditorischen Reizverarbeitung und -wahrnehmung entstehende elektrische Spannungen,

welche an der Körperoberfläche registriert werden können (HOTH und LENARZ 1994). Vor

Aufnahme in die Kontrollgruppe wurde diese physiologische Untersuchung ebenfalls an den

hörenden Tieren durchgeführt (siehe Abb. 21).

Über einen Luftleiterkopfhörer wurden hierzu den narkotisieren Tieren, durch direkte

Positionierung des Endstückes mit den dazugehörigen Dichtungsstöpseln im äußeren

Gehörgang, akustische Click-Reize mit definierten Lautstärken (0 bis 100 DB SPL) und einer

Reizfrequenz von 20 Hz zugeführt. Diese biphasischen Rechteckimpulse führen durch eine

kurze Reizdauer (150 µs) und der damit verbundenen schnellen Änderung des Schalldruckes

zu einer synchronen Stimulation einer großen Anzahl von Haarzellen. Zur Detektion der

physiologischen Spannungsänderungen wurden Feinnadel-Ableitelektroden jeweils subcutan

an der Stirn (gemeinsamer Plus-Pol), am rechten und linken Mastoid (Minus-Pol) und am

Nacken (Erdung) platziert.

Bei den chronisch elektrisch intracochleär stimulierten Tieren wurden analog zu den

akustischen, die frühen elektrisch evozierten Potentiale (FEEP) gemessen (siehe Abb. 23).

Dabei erfolgt die Reizgebung nicht über akustische Signale, sondern über das intracochleär

platzierte Cochlea-Implantat.

Mit Hilfe eines Messsystems der Firma ZLE-Systemtechnik GmbH (München), bestehend

aus einer Rechnereinheit, einem Signalgenerator mit integrierter Stromquelle und einem

DATA-Acquisition-System mit integriertem Verstärker wurden die FAEPs und FEEPs

abgeleitet, verstärkt, Bandpass-gefiltert, digitalisiert, gemittelt, aufgezeichnet und auf dem

Monitor als Messkurven dargestellt. Um Spannungsschwankungen durch andere, im gleichen

Stromnetz betriebene Großgeräte auszuschließen, wurde ein Spannungskonstanthalter

zwischen die Messapparatur und das lokale Stromnetz geschaltet. Er gewährleistete einen

Überspannungsschutz und eine Batteriepufferung.

9. Anhang

124

Abb. 21: FAEP-Kurven einer hörenden Katze (ipsilaterale Ableitungen vom rechten (re) und linken

(li) Ohr bei 10 bis 80 dB SPL)

Abb. 22: FAEP-Kurven einer experimentell neonatal ertaubten Katze (ipsilaterale Ableitungen vom rechten (re) und linken (li) Ohr bei 50 bis 100 dB SPL)

9. Anhang

125

Abb. 23: FEEP-Kurven einer chronisch elektrisch intracochleär stimulierten Katze (ipsilaterale

Ableitung vom linken (li) Ohr bei 180 bis 400 µA)

9.4. Die täglichen Körpergewichtszunahmen der Versuchstiere

Um eventuell auftretende Störungen des Allgemeinbefindens bei den neonatal experimentell

ertaubten Katzen aufzudecken, wurden alle Versuchstiere in den ersten 14 Lebenstagen

täglich gewogen und die Körpergewichtszunahmen dokumentiert.

Tab. 16a, b: Übersicht über die täglichen Körpergewichtszunahmen in Gramm [g] der hörenden

Versuchstiere inkl. interner Registrierungsnummer, Lebenstag und Geburtsgewicht [g]

Lebenstag 209 004 723 929 908 707

0 94 126 88 82 90 130

1 +14 +26 +0 +6 +20 +20

2 +12 +21 +11 +12 +12 +4

3 +8 +17 +9 +2 +20 +7

4 +16 +33 nicht bestimmt

+1 +10 +21


+26 +21 +25

6 +15 +10 124 -2 +11 +9

7 +15 +5 +0 +11 +19 nicht bestimmt

9. Anhang

126

Tab. 17: Übersicht über die täglichen Körpergewichtszunahmen in Gramm [g] der neonatal

experimentell ertaubten Versuchstiere inkl. interner Registrierungsnummer, Lebenstag und Geburtsgewicht [g]

Lebenstag 209 004 723 929 908 707

8 +11 +21 +23 +11 +8 nicht bestimmt

9 +22 +16 +14 +18 +25 269

10 +7 +23 +18 +14 +11 +20


+10 +17 +10


+1 +7 +22

13 +16 nicht bestimmt

nicht bestimmt

+29 +17 nicht bestimmt

14 +16 nicht bestimmt

nicht bestimmt

+10 nicht bestimmt

nicht bestimmt

Lebenstag 208 123 401 444 027 026 125

0 122 148 90 109 125 103 160

1 +11 +19 +9 +12 +15 +15 +19

2 +18 +29 +9 +20 +27 +21 +25

3 +16 +16 +16 +13 +32 +23 +17

4 +25 +18 +20 +19 +24 +23 +16

5 +14 +23 +13 +5 +15 +25 +29

6 +19 +10 +23 +5 +16 +12 +12

7 +7 +22 +11 +5 +21 +22 +17

8 +18 +9 +10 +21 +8 +17 +5

9 +11 +18 +7 +10 +15 +10 +22

10 +21 +10 +11 +29 +24 +20 +17

11 +9 +17 +12 +13 nicht bestimmt

nicht bestimmt

+18

12 nicht bestimmt

+11 +9 nicht bestimmt

nicht bestimmt

nicht bestimmt

+14

13 +11 +19 +8 nicht bestimmt

nicht bestimmt

nicht bestimmt

+26

14 nicht bestimmt

nicht bestimmt

nicht bestimmt

nicht bestimmt

nicht bestimmt

nicht bestimmt

nicht bestimmt

9. Anhang

127

9.5 Die Herstellung der verwendeten Chemikalien-Lösungen

9.5.1 PBS-Lösung (Perfusionslösung)

Ansatz der Phosphatpuffer-Stammlösung (0,2 M, pH 7,4):

1. Na2HPO4 x 2 H2O 35,61 g in

Reinstwasser 1000 ml lösen.

2. NaH2PO4 x H2O 27,60 g in


Mischung der Phosphatpuffer-Gebrauchslösung (0,1 M, pH 7,4):

1. Lösung 405 ml mit

2. Lösung 95 ml mit

Reinstwasser 500 ml mischen.

Lagerung bei 4 °C in Dunkelheit.

9.5.2 Paraformaldehyd-Lösung (Fixationslösung)

Für die Herstellung der Fixierungslösung wurde, um beim Lösen des Paraformaldehyds nicht

die Pufferkapazität zu verbrauchen, der Phosphatpuffer doppelt so konzentriert wie benötigt

angesetzt und das Paraformaldehyd zunächst in Reinstwasser gelöst.

Ansatz der Paraformaldehyd-Stammlösung (8 %ig):

Paraformaldehyd 80,0 g in

Reinstwasser 1000 ml lösen, unter Rühren auf 60 °C

Erwärmen,

1 N NaOH 2-5 Tropfen zur Klärung der Lösung dazugeben,

Lösung auf Zimmertemperatur abkühlen

lassen.

Mischung der Paraformaldehyd-Gebrauchslösung (4 %ig in PBS, pH 7,4):

Paraformaldehyd-Stammlösung 1000 ml in

0,2 M Phosphatpuffer 1000 ml lösen, filtrieren,

auf pH 7,4 einstellen.

Lagerung bei 4 °C in Dunkelheit.

9. Anhang

128

9.5.3 Agar agar (Verschluss- und Einbettmedium)

Agar agar 7,0 g mit

Reinstwasser 100 ml versetzen, unter Rühren aufkochen.

Zum Einbetten des Gewebes erkalten lassen.

9.5.4 Kresyl-Violett-Färbelösung (Nissl-Ersatzfärbung)

Ansatz des Acetatpuffers (2,721 %iges Na-Acetat in 1,201 %iger Essigsäure):

1. Na-Acetat 2,721 g in


2. 1 M Essigsäure 12,01 ml in


1 Teil Lösung 1. mit 4 Teilen Lösung 2. mischen und bei pH 3,8 – 4,0 einstellen.

Ansatz der Kresyl-Violett-Färbelösung (1 %ig):

Kresyl-Violett 1,0 g in

Acetatpuffer 100 ml lösen, filtrieren.

9.5.5 Mowiol (Eindeckelmedium)

Hierbei handelt es sich um ein nicht eigenfluoreszentes Eindeckelmedium.

97-99 %iges Glycerol 6,0 g in ein 50 ml Zentrifugenröhrchen

einwiegen,

Mowiol 2,4 g dazu geben,

Reinstwasser 7 ml dazu geben,

Zentrifugenröhrchen im Wasserbad

auf 60 °C erwärmen, dabei mehrfach

umrühren,

Tris/HCl 0,2 M, pH 8,5 13 ml dazu geben, gut vermischen,

bei 10.000 U/min für 5 min

zentrifugieren.

Lagerung bei -20 °C in Dunkelheit. 12 Stunden vor dem Gebrauch schonend auftauen. Kein

erneutes Einfrieren möglich.

9. Anhang

129

9.6 Die Fluoreszenz-Farbstoffe DiA und DiI

9.6.1 Die Struktur des DiA

9.6.2 Das Absoptions- und Emissionsspektrum des DiA

9. Anhang

130

9.6.3 Die Struktur des DiI

9.6.4 Das Absoptions- und Emissionsspektrum des DiI

9. Anhang

131

9.7 Die Daten der Auswertung

9.7.1 Das primäre auditorische Feld (AI)

9.7.1.1 Hörende Tiere (Prozent)

Interne Registrierungsnummer

Lamina 1

Lamina 2

Lamina 3

Lamina 4

Lamina 5

Lamina 6

004 rechts horizontaler Verlauf 59 30 23 22 24 27

diagonaler Verlauf 27 54 48 58 63 65 vertikaler Verlauf 14 16 28 20 13 9

004 links horizontaler Verlauf 52 21 16 21 28 26








908 links horizontaler Verlauf - - - - - -

diagonaler Verlauf - - - - - - vertikaler Verlauf - - - - - -





9.7.1.2 Neonatal ertaubte Tiere (Prozent)


Lamina 1

Lamina 2

Lamina 3

Lamina 4

Lamina 5

Lamina 6









444 rechts horizontaler Verlauf - - - - - -


9. Anhang

132

444 links horizontaler Verlauf 51 34 25 21 - -

diagonaler Verlauf 41 48 50 57 - - vertikaler Verlauf 8 18 25 21 - -

9.7.1.3 Neonatal ertaubte, anschließend chronisch elektrisch intracochleär stimulierte Tiere

(Prozent)


Lamina 1

Lamina 2

Lamina 3

Lamina 4

Lamina 5

Lamina 6

026 rechts horizontaler Verlauf - 15 13 11 8 10

diagonaler Verlauf - 65 52 74 71 68 vertikaler Verlauf - 20 34 15 22 22



125 rechts

horizontaler Verlauf - - - - - - diagonaler Verlauf - - - - - - vertikaler Verlauf - - - - - -



9.7.2 Das sekundäre auditorische Feld (AII)



Lamina 1

Lamina 2

Lamina 3

Lamina 4

Lamina 5

Lamina 6

















9. Anhang

133

929 rechts

horizontaler Verlauf 62 37 29 20 24 20 diagonaler Verlauf 26 46 46 63 59 65 vertikaler Verlauf 12 17 25 17 17 15





Lamina 1

Lamina 2

Lamina 3

Lamina 4

Lamina 5

Lamina 6














(Prozent)


Lamina 1

Lamina 2

Lamina 3

Lamina 4

Lamina 5

Lamina 6









9. Anhang

134

9.7.3. Das anteriore auditorische Feld (AAF)



Lamina 1

Lamina 2

Lamina 3

Lamina 4

Lamina 5

Lamina 6





209 rechts








908 rechts horizontaler Verlauf - - - - - -










Lamina 1

Lamina 2

Lamina 3

Lamina 4

Lamina 5

Lamina 6



123 links




9. Anhang

135








(Prozent)


Lamina 1

Lamina 2

Lamina 3

Lamina 4

Lamina 5

Lamina 6









10. Verzeichnis der Abbildungen

136

10. VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN

Abb. 1: Schematische Darstellung der Kranialansicht eines Transversalschnittes

durch das rechte Ohr einer Katze

(modifiziert nach HUDSON und HAMILTON 1993) 13

Abb. 2: Schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Cochlea-

windung mit Corti-Organ

(modifiziert nach BLOOM und FAWCETT 1975) 14

Abb. 3: Anatomie des Corti-Organs

(modifiziert nach ZENNER und GITTER 1987) 15

Abb. 4: Schematische Darstellung der afferenten zentralen Hörbahn der linken

Cochlea (modifiziert nach ZENNER 1993) 19

Abb. 5: Lateralansicht eines freipräparierten felinen Gehirns.

AI: Primäres auditorisches Feld, AII: Sekundäres auditorisches Feld,

AAF: Anteriores auditorisches Feld, sss: suprasylvanischer Sulcus,

aes: anteriorer ectosylvanischer Sulcus, pes: posteriorer ecto-

sylvanischer Sulcus 58

Abb. 6: DiI-Kristallapplikation mittels Skalpellklinge 59

Abb. 7: DiI-Kristalle im AAF und AII, sowie DiA-Kristall im AI einer linken felinen Cortexhemisphäre 59

Abb. 8: In Agar agar eingebetteter, auf hölzernem Vibratomblock aufgeklebter

rechter auditorischer Cortex. Das anteriore und sekundäre

auditorische Feld sind mit DiI markiert. Auf das primäre auditorische

Feld ist ein DiA-Kristall aufgetragen. 60

Abb. 9: DiI-markierte Dendriten in der Lamina I und II im primären

auditorischen Feld einer hörenden Katze (Tier 929) 63


137

Abb. 10: DiI-gefärbte Neurone in der Lamina III. Rechtes anteriores

auditorisches Feld eines ertaubten Tieres (Katze 123) 64

Abb. 11: DiI-gefärbtes Neuron in der Lamina IV. Rechtes anteriores

auditorisches Feld eines ertaubten Tieres (Katze 123) 64

Abb. 12: Vergleich der Dendritenanzahl in Prozent mit horizontalem Verlauf

zwischen der Lamina I und den Laminae II bis VI des AAF, AI und

AII (hörende Tiere; MW±SD; ***p<0.0001) 67



AII (ertaubte Tiere; MW±SD; ***p<0.001) 68



AII (stimulierte Tiere; MW±SD; ***p<0.001, **p<0.01, *p<0.05,

n.s.= nicht signifikant) 69

Abb. 15: Vergleich der Dendritenanzahl in Prozent mit diagonalem Verlauf

zwischen den Laminae I-III und den Laminae IV-VI des AAF, AI und

AII (hörende Tiere; MW±SD; ***p<0.0001) 70



AII (ertaubte Tiere; MW±SD; ***p<0.001) 71



AII (stimulierte Tiere; MW±SD; **p<0.01) 72

Abb. 18: Vergleich der Dendritenanzahl in Prozent mit vertikalem Verlauf

zwischen der Lamina III und den Laminae I, II und IV bis VI des AAF,

AI und AII (hörende Tiere; MW±SD; ***p<0.001, **p<0.01) 73


138



AI und AII (ertaubte Tiere; MW±SD; ***p<0.001,**p<0.01, *p<0.05,




AI und AII (stimulierte Tiere; MW±SD; **p<0.01, *p<0.05,


Abb. 21: FAEP-Kurven einer hörenden Katze (ipsilaterale Ableitungen vom

rechten (re) und linken (li) Ohr bei 10 bis 80 dB SPL) 125

Abb. 22: FAEP-Kurven einer experimentell neonatal ertaubten Katze

(ipsilaterale Ableitungen vom rechten (re) und linken (li) Ohr bei 10

bis 80 dB SPL) 125

Abb. 23: FEEP-Kurven einer chronisch intracochleär stimulierten Katze

(ipsilaterale Ableitung vom linken (li) Ohr bei 180 bis 400 µA) 126

11. Verzeichnis der Tabellen

139

11. VERZEICHNIS DER TABELLEN

Tab. 1: Auflistung der auditorischen Felder ausgewählter Spezies (modifiziert

nach CLAREY et al. 1991) 22

Tab. 2: Commissurale Verbindungen der auditorischen Felder (modifiziert

nach WINER 1992) 28

Tab. 3: Corticocorticale Verbindungen der auditorischen Felder (modifiziert

nach WINER 1992) 29

Tab. 4 a, b: Übersicht über die hörenden und neonatal ertaubten Tiere, inkl. interner

Registrierungsnummer, Tötungsalter und appliziertem

Fluoreszenzfarbstoff 50

Tab. 5: Übersicht über die neonatal experimentell ertaubten, anschließend

chronisch elektrisch intracochleär stimulierten Versuchstiere, inkl.

interner Registrierungsnummer, Tötungsalter, Stimulationsdauer

und appliziertem Fluoreszenzfarbstoff 50

Tab. 6: Prozentualer Anteil der Dendriten (horizontaler Verlauf; MW±SD) 66



Tab. 9: Prozentualer Anteil der Dendriten (diagonaler Verlauf; MW±SD) 70



Tab. 12: Prozentualer Anteil der Dendriten (vertikaler Verlauf; MW±SD) 74

11. Verzeichnis der Tabellen

140



Tab. 15: Zusammenfassung der prozentualen Dendritenverläufe in den

auditorischen Subarealen der drei Versuchstiergruppen (MW) 79

Tab.16a, b: Übersicht über die täglichen Körpergewichtszunahmen in Gramm [g]

der hörenden Versuchstiere inkl. interner Registrierungsnummer,

Lebenstag und Geburtsgewicht [g] 126

Tab.17: Übersicht über die täglichen Körpergewichtszunahmen in Gramm [g]

der neonatal experimentell ertaubten Versuchstiere inkl. interner

Registrierungsnummer, Lebenstag und Geburtsgewicht [g] 127

12. Danksagung

141

12. DANKSAGUNG

Herrn Prof. Dr. Günter Reuter danke ich herzlich für die Überlassung des äußerst

interessanten Dissertationsthemas.

Herrn Prof. Dr. Gerd Bicker gilt mein besonderer Dank für die sehr freundliche und

unkomplizierte Betreuung der Arbeit.

Mein ganz besonderer Dank gilt Herrn Jörg Bornemann für seine Unterstützung, seine stets

konstruktive Kritik und sein Verständnis insbesondere in der Phase der Korrektur.

Frau Anja Schlinkert und Frau Dina Wilkens danke ich für die kollegiale und

freundschaftliche Zusammenarbeit.

Herrn Peter Erfurt danke ich für die Anfertigung der digitalen Fotographien.

Herrn Bernhard Vaske danke ich für die Beratung der statistischen Auswertung.

Meinen Eltern danke ich dafür, dass sie immer an ein gutes Ende geglaubt haben.

Untersuchungen zur Plastizität der laminären Dendriten im ... · der Struktur sowie der...

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