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1  Einleitung und Grundlagen

1.1 Einleitung

Die Messung tieftonmodulierter otoakustischer Distorsionsprodukt-Emissionen (DPOAE, engl.: distortion product otoacoustic emissions) ermöglicht die Untersuchung der Auswirkung von Verlagerungen der kochleären Trennwand auf die Funktion des kochleären Verstärkers. Damit bietet die Methode einen neuen, objektiven Ansatz zur Erforschung und Diagnostik kochleärer Hörstörungen sowie zur Untersuchung physiologischer Mechanismen der Kochlea.

Bei der Tieftonmodulation eines hochfrequenten Signals wird dieses durch einen tief­frequenten Dauerton in Abhängigkeit von dessen Phase periodisch verändert. Im Zusammenhang mit der Modulation sowohl subjektiv (psychoakustisch) als auch akustisch und elektrophysiologisch meßbarer Signale durch einen Tiefton wird im Deutschen auch der Begriff “Tieftonmaskierung” (bzw. “Masking”), der aus der Psychoakustik stammt, gebraucht (Gerull et al., 1991; Höhmann, 1993; Zenner, 1994, S. 29-31; Nubel et al., 1996). Synonym für den Tiefton wird der Begriff “Masker” verwendet.

Die Veränderung der subjektiven Mithörschwelle kurzer hoch­frequenter Testreize durch einen Tiefton mit der Frequenz 50 Hz und moderaten Schalldruckpegeln wurde bereits 1967 von Deatherage und Henderson beschrieben. In der Druckphase des Tieftons vor dem Trommelfell beobachteten sie eine Verminderung der Mithörschwelle und in der Sogphase eine Schwellenerhöhung.

Zwicker (1976; 1977) untersuchte im Selbstversuch den Einfluß verschiedener Testreiz- und Maskerparameter auf den Verlauf der phasenabhängigen Mithörschwelle sowie den Zusammen­hang zwischen der Phase des Maskers, den Maxima bzw. Minima der Verdeckung und der Auslenkung der Basilarmembran. In Abhängigkeit von der periodischen Druckänderung am Trommelfell durch den Tiefton fand er mit niedrigen Masker­pegeln die geringste Verdeckung bei maximalem Druck (Maskerphase 90°) und die größte Verdeckung bei maximalem Sog (270°). Mit hohen Maskerpegeln trat bei maximalem Druck ein weiteres, kleineres Verdeckungsmaximum auf. Mit steigenden Testreiz­frequenzen nahm das Ausmaß der Verdeckung ab. Anhand der “Verdeckungsmuster” verschieden­förmiger Testreize konnte Zwicker (1977) zeigen, daß die Basilarmembran in den basalen zwei Windungen der menschlichen Kochlea sich gleichphasig mit einem tief­frequenten Masker bewegt und daß die periodischen Verdeckungsmuster gut mit der zweiten zeitlichen Ableitung des Schalldrucks vor dem Trommelfell korrelieren.


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Nach Dallos (1970) verhält sich bei höheren Säugetieren die Auslenkung der kochleären Trennwand im tieffrequenten Bereich (bis ca. 100 Hz) proportional der zweiten zeitlichen Ableitung des Schalldrucks vor dem Trommelfell. Das bedeutet für einen sinusförmigen Tiefton­masker, daß die Trennwand in der 90°-Phase, bei maximalem Druck vor dem Trommel­fell, am weitesten in Richtung Scala vestibuli und in der 270°-Phase, bei maximalem Sog vor dem Trommelfell, am weitesten in Richtung Scala tympani ausgelenkt wird.

Mrowinski et al. (1995) untersuchten die Tieftonmaskierung der subjektiven Mithörschwelle hinsichtlich der günstigsten Maskerpegel und Testreizparameter zur Messung des größt­möglichen Maskierungseffektes bei zwölf normalhörenden Probanden. Wie Zwicker (1976; 1977) beobachteten sie mit steigendem Maskerpegel und sinkender Testreizfrequenz eine Zunahme der Modulation; als Testreize erwiesen sich kurze Tonbursts mit 2‑4 ms Dauer und Frequenzen ≤ 2 kHz günstig.

Patuzzi et al. (1984a; 1984b und 1984c) untersuchten die Auswirkungen eines Tieftons auf die kochleäre Sensitivität in der basalen Windung der Meerschweinchenkochlea. Sie fanden eine phasenabhängige Modulation der neuralen Aktivität einzelner Nervenzellen im Ganglion spirale (1984a), die sich auch auf der Ebene der inneren Haarzellen und als Modulation der Basilarmembranbewegung nachweisen ließ. Sie folgerten, daß die Modulation peripher auf der Ebene der Basilarmembranbewegung entsteht, wahrscheinlich durch die Beeinflussung des Verstärkermechanismus, an dem die äußeren Haarzellen beteiligt sind.

Für den kochleären Verstärker als Ort der Modulation spricht auch die Beobachtung der Modulation tieftonmaskierter otoakustischer Emissionen (OAE), die als Nebenprodukte des Verstärkermechanismus gelten.

Die Modulation transitorisch evozierter otoakustischer Emissionen (TEOAE) durch Töne tiefer Frequenz wurde von Zwicker bereits 1981 im Selbstversuch gemessen. Wie die subjektive Mithörschwelle zeigten die OAE eine phasenabhängige Modulation, die sich in Abhängigkeit von den Masker- und Testreizpegeln ausprägt. Mit niedrigem Tieftonpegel und moderatem Testreizpegel war eine geringere Modulation mit einem Minimum des TEOAE-Effektivwertes (entsprechend dem psychoakustisch gemessenen Verdeckungs­maximum) pro Tieftonperiode zu beobachten. Mit hohem Tieftonpegel und niedrigem Testreizpegel wurde die Modulation stärker, und es zeigten sich zwei Minima pro Periode mit der gleichen Phasenabhängigkeit wie die tiefton­maskierte Mithörschwelle. Zu entsprechenden Ergebnissen kamen Zwicker et al. (1987) bei dem Vergleich der phasen­abhängigen Modulation der Mithörschwelle kurzer Testreize, der TEOAE und der Hirnstamm­welle V durch einen 30 Hz-Ton.


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Frank und Kössl (1996 und 1997) untersuchten die Modulation der DPOAE mit den Frequenzen f2-f1 und 2f1-f2 bei Maskierung mit einem 5 Hz-Ton im Tiermodell (mongolische Wüstenspringmäuse). Mit verschiedenen Tiefton- und Primärtonpegeln fanden sie phasen­abhängige DPOAE-Pegelverläufe, die sich sowohl in ihrer Ausprägung (zunehmende Modulation mit steigendem Maskerpegel), als auch in ihren Formen (Ausbildung von einem bzw. zwei Minima und Maxima pro Tieftonperiode, Änderung der Phasenabhängigkeit) voneinander unterschieden. Auch bei der Verlagerung der kochleären Trennwand durch Wechselstrominjektion (f = 5 Hz) in die Scala media beobachteten sie eine phasenabhängige DPOAE-Modulation (1997). Sie konnten die gemessenen Ergebnisse simulieren, indem sie die Amplitudenfunktionen der Verzerrungsprodukte berechneten, die sich bei der Verlagerung des Arbeitspunktes auf einer Boltzmannfunktion zweiter Ordnung (als Annäherung an die mechano­elektrische Transferfunktion äußerer Haarzellen) ergaben. Dieses Modell wird in leicht veränderter Form zur Simulation der Ergebnisse dieser Arbeit verwendet (s. Kapitel 4.4).

Nubel et al. (1995) untersuchten die Tieftonmaskierung von TEOAE bei Normalhörenden und Patienten mit M. Menière bzw. Hörsturz hinsichtlich einer möglichen Anwendung zur Diagnostik des kochleären endolymphatischen Hydrops1, der als eine wesentliche patho­physiologische Grundlage für die Symptomatik des M. Menière2 betrachtet wird. Sie beobachteten einen deutlich verminderten Modulationsgrad3 bei Patienten mit M. Menière (2%) im Vergleich zu Normalhörenden (48%) und Patienten mit Hörsturz (39%).

Die Möglichkeit einer klinischen Anwendung der Tieftonmodulation zur objektiven Diagnostik von Hörstörungen, die mit Bewegungseinschränkungen der kochleären Trennwand­strukturen einher gehen, wurde von Morizono und Sikora (1984) aufgezeigt. Im Tierversuch beobachteten sie die phasenabhängige Modulation nervaler Reizfolge­potentiale durch einen Tiefton, die bei [Seite 4↓]einem experimentell induzierten endolymphatischen Hydrops stark vermindert war bzw. ausblieb. Zu vergleichbaren Ergebnissen kamen Klis und Smoorenburg (1988) und Höhmann (1993) bei der Untersuchung tiefton­modulierter nervaler und kochleärer Reizfolge­potentiale bei Meer­schweinchen mit experimentellem endolymphatischen Hydrops.

Tono und Morizono (1992) sowie Höhmann (1993) konnten mit dieser Methode den experimentellen endolymphatischen Hydrops von anderen experimetellen Innenohr­hörstörungen (Perilymphfistel, Gentamycinintoxikation) diagnostisch abgrenzen.

Klis und Smoorenburg (1994) schlugen vor, die Basilarmembranauslenkung in Richtung Scala tympani durch Töne tiefer Frequenz als Modell des endolymphatischen Hydrops anzuwenden. Sie gaben aber zu bedenken, daß die Basilar­membranverlagerung mit dieser Methode im Gegensatz zum endolymphatischen Hydrops nicht statisch, sondern kontinuierlich erfolgt.

Als entscheidend für den sinnvollen klinischen Einsatz der Methode bewerteten Tono und Morizono (1995) die Bestimmung der optimalen Kombination der Tiefton- und Testreizpegel sowie der Testreizfrequenz.

Die phasenabhängige Modulation elektrokochleografisch und hirnstamm­audiometrisch meßbaren Reizantworten bei Tieftonmaskierung (Höhmann et al., 1989; Gerull et al., 1991) sowie der subjektiven Mithörschwelle kurzer tieftonmaskierter Testreize (Mrowinski et al., 1996) wurde bei Normalhörenden und bei Patienten mit unterschiedlichen Hörstörungen untersucht. Bei Patienten mit kochleären Hörstörungen ohne Schwindel war die Modulation im Vergleich zu Normalhörenden moderat vermindert, bei Patienten mit M.‑Menière-Anamnese war sie dagegen stark vermindert bzw. gar nicht mehr zu erkennen. In der Verlaufskontrolle über ein Jahr korrelierte die Ausprägung der Modulation der subjektiven Mithörschwelle bei Patienten mit M. Menière gut mit der Ausprägung der subjektiven Symptome (Mrowinski et al., 1996). Die Tieftonmaskierung erscheint als Werkzeug zur Diagnostik des M. Menière und zur Verlaufskontrolle der Erkrankung geeignet; die subjektive Methode wird in der Klinik (“Phasenaudiometrie”) bereits eingesetzt.

Die Tieftonmaskierung von DPOAE hat gegenüber der Verdeckung der Mithörschwelle im sog. Phasenaudiogramm den Vorteil der Objektivität, außerdem läßt sich die Messung kontinuierlich und mit geringerem Zeitaufwand durchführen. Voraussetzung für den Einsatz der Methode ist aber die Meßbarkeit von DPOAE. Wie bei der Tieftonmaskierung der subjektiven Mithörschwelle und der elektrophysiologisch meßbaren kochleären Antworten ist die optimale Kombination der Tiefton- und Reizparameter für die Ausprägung der Modulation entscheidend.


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In dieser Arbeit wird der Einfluß des Tieftonpegels (f = 32,8 Hz), der Primärtonpegel sowie unterschiedlicher Primärtonfrequenzen auf die Modulation der DPOAE bei normalhörenden Probanden untersucht. Die Meßergebnisse werden denen der subjektiven Phasen­audiometrie gegenübergestellt. Außerdem wird der Einfluß spontaner otoakustischer Emissionen (SOAE) auf die Messung der DPOAE bei Tieftonmaskierung in Einzelfällen unter­sucht und die Modulation tieftonmaskierter SOAE beobachtet.

1.2 Anatomie und Physiologie der Kochlea

1.2.1 Gliederung des Innenohres

Das Innenohr (Labyrinth) ist ein knöchernes Gangsystem mit membranöser Auskleidung in der Felsenbeinpyramide. Das häutige Labyrinth (Labyrinthus membranaceus) enthält Endo­lymphe, der Raum zwischen ihm und der knöchernen Kapsel (Labyrinthus osseus) Peri­lymphe. Während der Endolymphraum in sich geschlossen ist, steht der Perilymphraum über den Ductus perilymphaticus mit dem Subarachnoidalraum in Verbindung.

Der vordere Anteil des Innenohres, die Kochlea oder Schnecke, beherbergt das Hörorgan. Im mittleren Teil befindet sich das Vestibulum, dessen endolymphatische Strukturen (Sacculus und Utriculus) wie die Bogengänge (Canaliculi semicirculares) im hinteren Teil des Labyrinths zum Gleichgewichtsorgan gehören.

Der Meatus acusticus internus (innerer Gehörgang) stellt die Verbindung des Labyrinths mit der Schädelhöhle her. In ihm laufen der N. vestibulocochlearis, der N. facialis, der N. intermedius und die das Innenohr versorgenden Gefäße (A. und Vv. labyrinthi - Waldeyer und Mayet, 1986, S. 261-273; Eysholdt, 1994, S. 5-7).

1.2.2 Anatomie der Kochlea

Die schneckenförmige Kochlea zeigt mit der Basis in Richtung des Meatus acusticus internus und mit der Spitze (Apex) nach ventrolateral. Sie hat 2 ½ Windungen, eine basale, eine mediale und eine apikale, in deren Zentrum die kegelförmige Schneckenspindel (Modiolus) liegt. Ihre Länge beträgt 30 bis 35 mm.

Um den Modiolus läuft spiralig eine Knochenlamelle (Lamina spiralis ossea), an der die Reissnersche Membran (Membrana vestibularis) und die Basilarmembran (Lamina basilaris) [Seite 6↓]ansetzen. Diese Strukturen teilen die Kochlea der Länge nach in drei Kammern, die sogenannten Scalae.

Abb. 1: links: Längsschnitt durch die Kochlea (schematisch). Das Rechteck markiert den Bereich der Ausschnittsvergrößerung im rechten Bild: Scala media mit Cortischem Organ (verändert nach Rohen, 1971, S. 251-252).

Die obere (Scala vestibuli) und die untere (Scala tympani) der drei Kammern enthalten Peri­lymphe; sie sind an der Schneckenspitze durch eine Öffnung, das Helikotrema, miteinander ver­bunden. An der Schneckenbasis mündet die Scala vestibuli in den Vorhof. Hier liegt im ovalen Fenster die Steigbügelplatte. Die Scala tympani endet am runden Fenster, das an der medialen Paukenhölenwand liegt und durch die flexible Membrana tympani secundaria verschlossen ist. Zwischen beiden liegt die Scala media, die Endolymphe enthält und auch als Ductus cochlearis oder funktionell als kochleäre Trennwand bezeichnet wird. Sie hat einen dreieckigen Querschnitt. Von der Scala vestibuli trennt sie die Reissnersche Membran und von der Scala tympani die Basilar­membran. Ihre äußere Wand wird vom Ligamentum spirale gebildet, an dem die Membranen ihre äußere Verankerung finden. Dies ist mit einem gefäß­reichen Epithel, der Stria vascularis, ausgekleidet, das die Endolymphe bildet und als Stoffwechsel­organ der Kochlea arbeitet.

Der Ductus cochlearis endet blind mit dem Caecum cupulare in der Schneckenspitze und mit dem Caecum vestibulare zum Vestibulum hin. Über den Ductus reuniens steht der kochleäre Endolymraum mit dem des Gleichgewichtsorgans in Verbindung. Von ihm führt der Ductus endolymphaticus in den Saccus endolymphaticus. Dieser endet blind unter der Dura mater und [Seite 7↓]dient der Endolymphresorption (Waldeyer und Mayet, 1986; S. 261-273; Spoendlin, 1994, S.32-35; Klinke, 1995, S. 261-263).

Die Basilarmembran ist am ovalen Fenster steif und schmal (ca. 0,1 mm) und wird nach apikal kontinuierlich elastischer und breiter (ca. 0,5 mm). Sie trägt die akustischen Rezeptorzellen und Stützzellen des Cortischen Organs (Organum spirale).

Die Rezeptorzellen lassen sich nach ihrer Struktur und Funktion in äußere und innere Haar­zellen unterteilen. Die inneren Haarzellen sind in einer, die äußeren in drei Reihen entlang der Schneckenwindung angeordnet. Die Zelldichte der inneren Haarzellen nimmt von der Basis zum Apex kontinuierlich zu, während die äußeren Haarzellen in der zweiten Windung am dichtesten stehen. Insgesamt hat der Mensch ca. 3000 innere und ca. 14000 äußere Haar­zellen, mit dem Alterungs­prozeß nimmt ihre Zahl ab.

Die inneren Haarzellen (Inner hair cells, IHC) haben eine birnenähnliche Form und sind von Stützzellen umgeben. Die äußeren Haarzellen (Outer hair cells, OHC) besitzen einen lang­gestreckten, zylindrischen Körper und haben ein kontraktiles Zytoskelett. Sie werden nur an ihrem unteren und oberen Pol von Stützzellen gehalten. Die apikale Zelloberfläche beider Arten wird von der Kutikularplatte gebildet, die drei bis vier Reihen V- oder W-förmig angeordnete kontraktile Stereozilien (ca. 120 etwa 2 μm lange in der unteren und ca. 50 bis zu 8 μm lange in der oberen Schneckenwindung) trägt. Die Stereozilien sind untereinander durch sogenannte Tip-links verbunden. Sie reichen durch die von Stützzellfortsätzen gebildete Retikularmembran luminal in den Ductus cochlearis.

Abb. 2: Schematische Anatomie des Cortischen Organs (Zenner, 1994, S. 12).


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Über ihnen steht die elastische Tektorialmembran, die wie die Basilarmembran von der Lamina spiralis ossea ausgeht. In ihrer Unterseite sind die Stereo­zilien der äußeren Haarzellen verankert. Die inneren Haarzellen haben keinen festen Kontakt mit der Tektorialmembran, können sie aber berühren (s. Abb. 2).

Am unteren Zellpol der Haarzellen liegen die Endigungen afferenter und efferenter Nerven. Etwa 90 % aller Efferenzen enden an den äußeren Haarzellen (an jeder Zelle 6 bis 10), wobei jede Nerven­faser etwa 10 bis 50 Zellen versorgt (multiple Innervation). Dagegen sind 90 bis 95 % aller Afferenzen des N. cochlearis mit den inneren Haarzellen assoziiert. An jeder Zelle beginnen 10 bis 15 afferente Fasern, von denen jede nur mit dieser einen Zelle in Kontakt steht. Nur 10 % der Efferenzen enden an den IHC und nur 5 bis 10 % der Afferenzen gehen von den OHC aus. Durch die Lamina spiralis ossea laufen die Axone Richtung Ganglion spirale, das innerhalb des Modiolus liegt, und treten an der Schneckenbasis als N. cochlearis (Afferenzen) und olivo­kochleäres Bündel (Efferenzen) aus (Spoendlin, 1994, S.35-58).

1.2.3 Physiologie der Kochlea

Trifft ein akustischer Reiz auf das Ohr, werden die Vibrationen des Trommelfells über die Gehör­knöchelchenkette des Mittelohres und das ovale Fenster auf die Perilymphe der Scala vestibuli übertragen. Die inkompressible Flüssigkeit weicht aus. Bei Einwärtsbewegung der Stapes­fußplatte wird die kochleäre Trennwand in Richtung Scala tympani ausgelenkt. Dabei wird hier wiederum die Perilymphe verdrängt und die Membrana tympani secundaria gegen die Paukenhöhle gewölbt. Bei Auswärtsbewegung der Stapes­fußplatte wird dann der Endo­lymphschlauch in Richtung Scala vestibuli ausgelenkt, die Membran am runden Fenster wölbt sich nach innen (s. Abb. 3).

Die Schwingungen setzen sich in Form sogenannter Wanderwellen (v. Békésy, 1928), die von der Schneckenbasis in Richtung Spitze laufen, in der kochleären Trennwand fort. Ihr Verlauf wird entscheidend vom Bau der Basilarmembran beeinflußt. Deren Steifheit nimmt von der unteren zur oberen Schneckenwindung hin ab (steigende Compliance), ihre Massenträgheit nimmt zu. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Wanderwelle nimmt entlang der steigenden Compliance ab. Dabei kommt es zu einem Amplitudenanstieg, die Welle “läuft auf”.

Für jede Tonhöhe bildet sich ein Amplitudenmaximum an einem spezifischen Ort entlang der Basilar­membran aus: für hohe Töne stapesnah, für tiefe nahe der Kochleaspitze; man spricht vom Ortsprinzip (Tonotopie). Komplexe Schallereignisse werden dabei in ihre Einzel­frequenzen aufgespalten (Frequenzdispersion). Apikal der maximalen Auslenkung der kochleären Trenn­[Seite 9↓]wand bricht die Ausbreitung der Wanderwelle abrupt ab (Zenner, 1994, S. 14-18; Klinke, 1995, S. 264-267).

Abb. 3: Schallinduzierte Auslenkungen in Mittel‑ und Innenohr (Zenner 1994, S.14).

In Abbildung 4 wird die Signaltransduktion durch die Haarzellen in einem veränderten Modell nach Patuzzi und Rajan (1992), Zenner (1994, S. 32) und Patuzzi (1996, S. 230) dargestellt. Die im folgenden Text eingefügten römischen Ziffern (I bis VII) beziehen sich auf die einzelnen Transduktionsschritte in Abbildung 4.

Die Bewegungen des Ductus cochlearis (I) bewirken eine Parallelverschiebung des Cortischen Organs auf der Basilarmembran gegen die Tektorialmembran. Dadurch kommt es zur Abscherung (Deflexion) der Stereozilien auf den äußeren Haarzellen (II). Die Stereozilien der inneren Haarzellen werden wahrscheinlich durch die entstehende Endolymphströmung im Subtektorialspalt abgeschert, wobei die Rezeptorzellen im Bereich tiefer Frequenzen durch die Auslenkungsgeschwindigkeit und im Bereich mittlerer und hoher Frequenzen durch die Bewe­gung selbst stimuliert werden.

Durch die V-förmige Anordnung der Stereozilien auf der Haarzelle und deren Verbindung unter­einander durch Tip-links besitzt die Abscherbewegung eine Richtungscharakteristik. Wird die kochleäre Trennwand in Richtung Scala vestibuli ausgelenkt, kommt es zur Deflexion der Stereozilien zum längsten Stereozilium hin bzw. radial vom Modiolus weg. Diese bewirkt über [Seite 10↓]einen unbekannten Transducermechanismus die Öffnung von Ionenkanälen in der apikalen Zell­membran (III). Die Folge ist ein Kaliumeinstrom (IV), der zur Depolarisation der Haarzelle und Ausbildung eines Rezeptorpotentials führt. Gleichzeitig kommt es zu einem Anstieg der intrazellulären Konzentration freien Calciums (V). Die treibende Kraft für den Kaliumeinstrom ist eine hohe elektrische Potentialdifferenz, die durch die Stoffwechseltätigkeit der Stria vascularis aufgebaut wird und über dem Rezeptorpol der inneren und äußeren Haarzellen liegt (Ruhepotential des Endolymph­raums ca. +85 mV gegenüber der Perilymphe und dem allgemeinen Extrazellular­raum, Ruhepotential der OHC: ca. -70, der IHC: ca. -40 mV).

Eine Trennwandauslenkung in Richtung Scala tympani führt zur Deflexion der Stereozilien in Gegenrichtung. Dies hat die Öffnung von Ionenkanälen in der lateralen Zellmembran zur Folge. Es kommt zum Kaliumausstrom in die Perilymphe und zur Re- bzw. Hyperpolarisation der Haarzelle.

Die Wandlung des mechanischen Reizes (Stereoziliendeflexion) in ein bioelektrisches Signal (Rezeptorpotential) durch die Haarzellen wird als mechanoelektrische Transduktion bezeichnet.

Zur eigentlichen Perzeption des Schallreizes kommt es wahrscheinlich über die Signal­transduktion durch die inneren Haarzellen. In Folge der Rezeptorpotentialbildung und des Anstiegs der intrazellulären Konzentration freien Calciums wird ein Transmitter (wahrscheinlich L‑Glutamat) in den synaptischen Spalt freigesetzt (VIIHC). Der Transmitter bindet an Rezeptor­stellen in der postsynaptischen Membran korrespondierender afferenter Nervenfasern und bewirkt den Aufbau eines postsynaptischen Potentials, das zur Bildung von Aktionspotentialen führt (VIIAfferenz).

Dabei besitzt jede Haarzelle entsprechend der tonotopen Organisation der kochleären Trennwand eine sogenannte Bestfrequenz (charakteristische Frequenz, CF), mit der ein Schallreiz schon mit schwellennahen Schalldruckpegeln ein Aktionspotential auslöst (Frequenzkodierung). Außerdem wird die Frequenz durch eine Periodizitätsanalyse ver-schlüsselt: Das Abscheren der Stereozilien ist wegen ihrer Richtungscharakteristik mit der Schwingungsphase und damit der Frequenz des Schallsignals gekoppelt. Durch “Zählen” der Phasen sind Frequenzen bis zu ca. 5 kHz auswertbar.


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Abb. 4: Modell der Signaltransduktion durch innere und äußere Haarzellen, verändert nach Patuzzi und Rajan (1992), Zenner (1994, S. 32) und Patuzzi (1996, S. 230). TM: Tektorial­membran, OHC: äußere Haarzellen, IHC: innere Haarzellen, AP: Aktionspotential.


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Die Zeitdauer eines Schallreizes wird durch die Dauer der Aktivierung, die Höhe des Schalldruckpegels durch die Entladungsrate kodiert. Erreicht eine Nervenfaser ihre maximale Entladungsrate, werden zur Kodierung höherer Lautstärkepegel Afferenzen von benachbarten Haarzellen aktiviert (Rekrutierung).

Die äußeren Haarzellen können auf die Ausbildung des Rezeptorpotentials und den intra­zellulären Ca2+‑Konzentrationsanstieg mit Bewegungen ihres Zellkörpers antworten (VIOHC). Dabei kommt es der Muskelzellkontraktion vergleichbar unter ATP-Verbrauch zur Interaktion der Aktin‑ und Myosinfilamente sowohl im Zellkörper als auch in der Kutikularplatte der OHC. Die Zelle kontrahiert und elongiert sich, die Stereozilienbündel werden in radiale Richtung bewegt (Haarzellmotilität).

Es werden eine “schnelle” und eine “langsame Haarzellmotilität” voneinander unterschieden (Zenner, 1986). Die schnelle Motilität der OHC zeigt sich bei niedrigen und moderaten Schalldruckpegeln als frequenzsynchrone Kontraktion und Elongation ihres Zellkörpers und Deflexion der Stereozilien am Ort der charakteristischen Frequenz. Es wird angenommen, daß die Wanderwelle über diesen positiven Feedbackmechanismus verstärkt wird, wobei ihr die notwendige Energie zur Ausbildung eines hohen Amplituden­maximums und einer scharf abgestimmten Spitze zugeführt wird. So scheinen die OHC Teil eines Verstärkermechanismus zu sein, durch den sich die hohe Frequenzselektivität und Empfindlichkeit der Kochlea erklären lassen.

Abb. 5: Umhüllende im passiven und aktiven Wanderwellenmodell (Zenner, 1994, S. 22).


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Das Amplitudenmaximum der prozessierten Wanderwelle, die als “aktive Wanderwelle” bezeichnet wird, kann mehr als 100 Mal größer sein, als bei einer passiven Welle zu erwarten wäre und ist im Verhältnis zum Maximum bei lauten Pegeln etwa um eine halbe Oktave in Richtung Helikotrema verschoben (Johnstone et al., 1986; s. Abb. 5).

Der molekulare Mechanismus der schnellen Motilität ist noch nicht bekannt, wahrscheinlich wird sie aber physikalisch gesteuert: Im Experiment reagierten isolierte OHC auf elektrische Reize mit frequenzkonformer Längenänderung. Dabei nahm das Ausmaß der Bewegungen linear mit der Intensität des Stimulus zu (Gitter und Zenner, 1995).

Die langsame Motilität kann von den olivokochleären Efferenzen beeinflußt werden. Mit steigenden Schalldruckpegeln findet man ab ca. 40 dB SPL eine Abnahme der aktiven Wanderwellen­verstärkung (Dynamikkompression). Durch diese nichtlineare Arbeitsweise des kochleären Verstärkers wird die Zeitauflösung für laute Stimuli verbessert, gleichzeitig sinkt die Sensitivität für Pegel­unterschiede. Es wird angenommen, daß die Kochlea über diesen Mechanismus die Position der Basilar­membran verändern und sich so an verschiedene Schalldruckpegel adaptieren kann. Außerdem schützt sie sich durch diesen Mechanismus wahrscheinlich vor schallinduzierten mechanischen Schäden und kann physiologische Trennwandverschiebungen aufgrund von Schwankungen der Endo- und Perilymph­produktion und -resorption ausgleichen (Zenner, 1986, Johnstone et al., 1986).

Die Umwandlung des elektrischen Reizes (Haarzelldepolarisation) in Bewegung (schnelle und langsame Motilität) durch die OHC wird als elektromechanische Transduktion bezeichnet.

1.3 Otoakustische Emissionen (OAE)

1.3.1 Entstehung

Unter otoakustischen Emissionen (OAE) versteht man aus dem Innenohr stammende Schall­ereignisse, die mit einem empfindlichen Mikrofon im äußeren Gehörgang gemessen werden können. Es wird angenommen, daß sie als Nebenprodukt der Motilität äußerer Haar­zellen entstehen: Bei den periodischen Längenänderungen der OHC im Rahmen des physiologischen Verstärkerprozesses kommt es zu Dichteverschiebungen der Endo- und Perilymphe, wobei möglicherweise auch eine retrograde, zur Basis der kochleären Trennwand laufende, Wander­welle entsteht. Diese Schwingungen werden über das ovale und runde Fenster an den Mittelohr­apparat und das Trommelfell weitergeleitet und als Schallwellen in den äußeren Gehör­gang abgegeben (Probst et al., 1991; Janssen, 1996, S. 83-88; Hoth und Lenarz, 1997, [Seite 14↓]S.13-23). Systematisch wurden evozierte OAE erstmalig von Kemp (1978) am Menschen gemessen.

1.3.2 Einteilung

OAE können spontan entstehen (spontane otoakustische Emissionen, SOAE) oder durch Schallreize hervorgerufen werden (evozierte otoakustische Emissionen, EOAE). Letztere werden je nach Art des Reizes eingeteilt in

1.3.3 Eigenschaften

Die Entstehung von OAE ist an die Funktionsfähigkeit der Kochlea gebunden. Sind die äußeren Haarzellen geschädigt (z.B. durch Schalltrauma, Hypoxie oder ototoxische Medikamente), lassen sich je nach Ausmaß der Schädigung nur verringerte oder keine OAE aus dem jeweiligen Bereich der Kochlea registrieren. Auch die mechanische Übertragung durch das Mittelohr muß normal funktionieren, damit die Schallaussendungen im äußeren Gehörgang gemessen werden können. TEOAE sind bis zu einem Hör­verlust von ca. 30 dB registrierbar, DPOAE bis zu 40‑50 dB Hörverlust. Evozierte otoakustische Emissionen können bei nahezu 100% aller jungen, hör­gesunden Menschen gemessen werden; mit zunehmendem Alter nimmt ihre prozentuales Auftreten stark ab (Probst et al., 1991; Janssen, 1996, S. 92-99,). Außerdem läßt sich eine Geschlechter­abhängigkeit erkennen: Frauen zeigen im Mittel höhere Emissionspegel als Männer, für DPOAE liegt die Differenz bei 2 bis 3 dB (Gaskill und Brown, 1990; Cacace et al., 1996).

Spontane otoakustische Emissionen sind bei etwa 50% der Frauen und 30% der Männer zu beobachten und können bis zu Hörverlusten von 20 dB registriert werden (Probst et al., 1991; Janssen, 1996, S. 109). Wahrscheinlich entstehen sie durch die periodischen Bewegungen benachbarter OHC-Populationen in gleicher Phase. Sie lassen sich meist in einem Frequenz­[Seite 15↓]bereich zwischen 0,5 und 7 kHz mit Schwerpunkt zwischen 1 und 2 kHz als schmale Frequenzbänder mit Schalldruckpegeln bis zu ca. 20 dB SPL registrieren (Janssen, 1996, S. 92). Evozierte OAE und spontane OAE mit benachbarten Frequenzen können sich gegen­seitig verstärken oder abschwächen (Wier et al., 1988; Moulin et al., 1992; Cianfrone et al., 1990, S. 126-138; Norrix und Glattke, 1996).

Evozierte OAE sind in ihrer Beschaffenheit von der Art des Reizes abhängig. Bei transitorischer Anregung sind die Emissionen (TEOAE) einer Stoßantwort vergleichbar. Der Frequenzinhalt der Emission entspricht in etwa dem des Stimulus. Werden die OAE mit einem breit­bandigen Klickreiz evoziert, weisen sie ein weites Frequenzspektrum von etwa 0,6 bis 5 kHz auf. Dabei kann man sie als Summe der OHC-Stoßantworten betrachten. Wegen der Laufzeiteffekte lassen sich hochfrequente OAE, die in der basalen Kochlea generiert werden, in den frühen Anteilen der Reizantwort beobachten (geringe Latenz). OAE mittlerer Frequenzen zeigen sich im mittleren Anteil des Signals und tieffrequente OAE, die in der apikalen Kochlea generiert werden, in den späten Anteilen (große Latenz - Janssen, 1996, S. 86, Hoth und Lenarz, 1997, S. 14).

Werden die OAE mit einem Sinuston als Dauerstimulus evoziert und gleichzeitig registriert (SFOAE), besitzen Reiz und Antwort die gleiche Frequenz (Brass und Kemp, 1991).

Der Schalldruckpegel der EOAE hängt von dem des Reizes ab. Diese Abhängigkeit, dargestellt als I/O-Funktion, ist in der intakten Kochlea nichtlinear. Mit steigenden Reizpegeln steigen die Emissionspegel, wobei mit geringeren Reizpegeln eine größeres Wachstum zu erkennen ist als mit höheren (Sättigungscharakteristik). Bei tieffrequenten Emissionen zeigt sich der Sättigungseffekt schon mit geringeren Reizpegeln als bei hochfrequenten. Bei einem kochleärem Hörverlust mit Schädigung der OHC tritt eine Linearisierung der Abhängigkeit zwischen Emissions- und Reizpegel ein (Janssen et al., 1995; Janssen und Arnold, 1995; Janssen et al; 1998; Kummer et al., 1998).

1.3.4 Distorsionsprodukt-Otoemissionen (DPOAE)

1.3.4.1 Hypothese zur Enstehung der DPOAE

Es wird angenommen, daß DPOAE infolge der nichtlinearen Arbeitsweise des kochleären Verstärkers bei Zweitonstimulation des Ohres mit Tönen benachbarter Frequenzen entstehen (Kemp, 1979; Zwicker, 1986). Die Reiztöne bezeichnet man als Primärtöne mit den Frequenzen f1 und f2, wobei f1 < f2 ist; ihre Pegel werden mit L1 und L2 bezeichnet. Sie laufen als passive [Seite 16↓]Wanderwellen auf der Basilarmembran zu ihren Frequenzorten und besitzen dicht beieinander liegende Amplitudenmaxima (s. Abb. 6). Es entsteht ein Überlappungs­bereich (ÜB), in dem dieselbe Gruppe äußerer Haarzellen von beiden Wellen angeregt wird.

Setzt der kochleäre Verstärkermechanismus ein, werden durch die nichtlineare Übertragung der OHC an diesem Ort zusätzliche Schwingungen, sogenannte Verzerrungs- oder Distorsions­produkte, erzeugt, die sich einerseits retrograd der normalen Ausbreitungs­richtung der Wander­wellen auf der Basilarmembran bewegen und als otoakustische Emissionen registrieren lassen und andererseits zu ihren CF-Orten laufen. An ihrem jeweiligen CF-Ort können die zusätzlich entstandenen Schwingungen über die IHC perzepiert werden (Modell: Janssen et al., 1995). Wahrscheinlich liefert auch der aktive Verstärkerprozeß am charakteristischen Frequenzort des Verzerrungsproduktes als Neben­produkt eine DPOAE-Komponente, die als SFOAE-Komponente bezeichnet wird (Gaskill und Brown,1990; Whitehead et al., 1995a und 1995b; Janssen et al., 1995; Heitmann et al., 1998; Kummer et al., 1998).

Abb. 6: Modell zur Entstehung der DPOAE: Basilarmembranauslenkung (Einhüllende der Wanderwellen) bei Zweitonstimulation (Erweitert nach Janssen et al., 1995), f1 und f2: Frequenzen der Primärtöne (f1 < f2), hier: Frequenzort des Wander­wellen-Amplituden­maximums der Primärtöne; fDPOAE: Frequenz der DPOAE, hier: Frequenzort des Wanderwellen-Amplitudenmaximums der DPOAE; ÜB: Überlappungsbereich der Wander­wellen.


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1.3.4.2  Eigenschaften von DPOAE

Unter der Vielzahl von möglichen Distorsionsprodukten ist das mit der Frequenz 2f1 - f2 beim Menschen am deutlichsten ausgeprägt und läßt sich als DPOAE am besten nachweisen. Dieses Distorsionsprodukt wird als kubisch4 bezeichnet. Weitere teilweise als otoakustische Emissionen meßbare Verzerrungsprodukte sind z.B. die kubischen mit der Frequenz 2f2 - f1, 3f1 - 2f2, 3f2 - 2f1, die quadratischen mit den Frequenzen, f1 + f2, f2 - f1 und die harmonischen Oberwellen der Primärtöne mit 2f1, 2f2, 3f1, 3f2 etc. (Hoth und Lenarz, 1997, S. 53; Janssen, 1996, S. 87-88). Klinische Anwendung findet bisher nur die Messung der DPOAE mit der Frequenz 2f1 - f2.

Wegen ihrer hohen Frequenzspezifität kann man mit Hilfe von DPOAE gezielt die Funktion des kochleären Verstärkers an den verschiedenen Frequenzorten der Kochlea untersuchen. Registriert man die DPOAE-Pegel in Abhängigkeit von der Primärtonfrequenz, ergibt sich ein sogenanntes “DP-Gramm”, das unter bestimmten Bedingungen eine hohe Korrelation mit der subjektiven Tonschwelle aufweist. Interindividuell besteht selbst bei gleichen Reizbedingungen eine große Variabilität der DPOAE-Pegel (einfache Standardabweichung im Normalkollektiv: > 10 dB), daher lassen sich bislang mit dieser Methode keine absoluten Aussagen über einen Hörverlust treffen. Intraindividuell dagegen zeigen sie eine sehr geringe Schwankung und können daher gut für Verlaufs­kontrollen eingesetzt werden. DPOAE können in einem Frequenzbereich zwischen 0,6 und 8 kHz gemessen werden, wobei ihre Registrierung im unteren Frequenzbereich wegen des geringeren Signal-Rausch-Abstandes schwieriger als im oberen ist (Janssen, 1996, S. 95-99).

Der Pegel der DPOAE hängt von den Eigenschaften der Primärtöne ab. Sie wird sowohl durch die Absolutwerte der Primärtonpegel und ‑frequenzen, als auch durch die Pegeldifferenz und das Frequenzverhältnis beider Töne beeinflußt, da diese Parameter das Ausmaß des Überlappungs­bereiches der Wanderwellen auf der Basilarmembran und die Energie, mit der die OHC in diesem Bereich angeregt werden, bestimmen. Die “optimalen” Reizparameter um DPOAE mit maximalen Pegeln zu evozieren, variieren in den verschiedenen Regionen der Kochlea (Harris et al., 1989; Gaskill und Brown, 1990; Hauser und Prost, 1991; Whitehead et al., 1995a; Popelka et al., 1993; Janssen et al., 1995; Abdala, 1996a; Kummer et al., 1998).


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1.3.4.3  Abhängigkeit des Pegels der DPOAE mit der Frequenz 2f1-f2 vom Frequenzverhältnis der Primärtöne

Das Frequenzverhältnis f2/f1 zur Generierung von DPOAE mit maximalen Pegeln (OR - optimal ratio) ist für den unteren Frequenzbereich größer als für den oberen. Wird mit einem festen Verhältnis gearbeitet, gelten über einen mittleren Frequenzbereich von 1 bis 4 kHz Werte um 1,2 als günstig (Harris et al., 1989; Gaskill und Brown, 1990; Janssen et al., 1995). Oberhalb 4 kHz liegt das optimale Verhältnis bei kleineren Werten (bis zu 1,16), unterhalb 1 kHz muß mit größeren Verhältnissen gearbeitet werden, um größtmögliche Emissionspegel zu erreichen (Janssen et al., 1995). Bei niedrigen Primärtonpegeln erweisen sich kleine, bei höheren größere Frequenzverhältnisse als günstig. Mit wachsenden Pegeldifferenzen sinkt das optimale Frequenzverhältnis (Harris et al., 1989; Abdala, 1996a).

1.3.4.4 Abhängigkeit des Pegels der DPOAE mit der Frequenz 2f1-f2 von den Primärtonpegeln

DPOAE zeigen ebenfalls eine nichtlineare Abhängigkeit zwischen den Pegeln der Primärtöne und den der Emissionen. Mit zunehmenden Primärtonpegeln steigen auch die DPOAE-Pegel, wobei sie im unteren Pegelbereich (L2 < 40 dB SPL) eine größere Steigung aufweisen als im mittleren und oberen (L2 > 40 dB SPL). Ab Primärtonpegeln mit L2 = 50 bis 60 dB SPL erreichen die DPOAE-Pegel einen Sättigungsbereich (Janssen et al., 1995). Bei der Verwendung gleichlauter Stimuli liegt die Steigung über einen weiten Pegelbereich bei Werten um 1 dB/dB (Popelka et al., 1993; Gaskill und Brown, 1990; Whitehead et al., 1995b). Mit den günstigsten Pegelverhältnissen evozierte DPOAE zeigen, in Abhängigkeit von L2, dagegen Wachstums­raten um 0,74 dB/dB bei L2 = 20 dB SPL, die mit steigenden Stimuluspegeln abnehmen und oberhalb L2 = 60 dB auf einen Wert von 0,08 dB/dB zurückgehen (Kummer et al., 1998).

Es wird angenommen, daß DPOAE mit maximalen Pegeln generiert werden, wenn die Schwingungsamplituden beider Primärtöne im Überlappungsbereich ihrer Wanderwellen gleich sind (Gaskill und Brown, 1990; Whitehead et al., 1995a und b; Janssen et al.,1995a; Kummer et al., 1998). Da der Überlappungsbereich nahe bei f2 und im basalen, flacheren Teil der f1-Basilarmembran­auslenkung liegt (s. Modell Abb. 6), muß also L1 größer als L2 sein, um maximale DPOAE-Pegel hervorzurufen. Es wird deutlich, daß eine Änderung von L1 das Ausmaß des Überlappungsbereiches stärker beeinflußt als eine L2‑Änderung. Mit steigenden Primärton­pegeln werden auch die Auslenkungen der Basilarmembran größer und verschieben sich zur Basis der Kochlea, wobei ihre Steilheit abnimmt (Gaskill und Brown, 1990). Die Basilar­[Seite 19↓]membran­schwingungen im Überlappungsbereich werden dabei zunehmend vom tief­frequenteren Primärton hervorgerufen, woraus sich ergibt, daß mit lauten Primärtonpaaren kleinere Pegeldifferenzen (L1 - L2) und mit leisen größere optimal sind. Die optimalen Primärton­pegelpaare können mit der Funktion

L1 = a L2 + (1-a) b

beschrieben werden (Whitehead et al., 1995b). Der Faktor a beschreibt das optimale Verhältnis der Wachstumsrate von L2 zur Wachstumsrate von L1 für die Generierung von DPOAE mit maximalen Pegeln. Whitehead et al. (1995b) bestimmten a mit etwa 0,5, d.h. bei einer Erhöhung der Primärtonpegel muß L1 etwa doppelt so stark ansteigen wie L2. Im unteren Frequenzbereich nahm a eher größere, im oberen eher kleinere Werte an. Der Faktor b ist der Schalldruckpegel, ab dem gleichhohe Primärtonpegel optimale Emissionsamplituden hervorrufen. Unter Verwendung eines festen Frequenz­verhältnisses f2/f1 = 1,2 kann diese Funktion für einen mittleren Frequenz­bereich von etwa 1 bis 4 kHz weiter optimiert werden (Kummer et al., 1998). In diesem Bereich können maximale DPOAE-Pegel mit Primärtonpegeln nach der sog. Pegel­schere registriert werden, die sich ergibt, wenn man a = 0,4 und b = 65 dB SPL setzt:

L1 = 0,4 L2 + (1-0,4) x 65 dB = 0,4 L2 + 39 dB.

An dieser Pegelschere oriertieren sich die in dieser Arbeit verwendeten Primärtonpegelpaare (s. Kapitel 2.7.2.2).

1.3.4.5 Vulnerabilität der DPOAE in Abhängigkeit von den Primärtonpegeln

DPOAE, die mit niedrigen Primärtonpegeln generiert werden, sind “vulnerabler” (Probst, 1990) gegenüber kochleären Traumen als DPOAE, die mit hohen Pegeln generiert werden. Im mittleren und unteren Primärtonpegelbereich kann, ausgehend von gleichen Primärtonpegeln, eine Verminderung von L2 die Vulnerabilität der DPOAE und damit die Sensitivität gegen kochleäre Dysfunktionen erhöhen, ohne dabei den DPOAE-Pegel zu verringern (Whitehead et al., 1995a). Dementsprechend ist zu erwarten, daß mit schwellennahen Primärtonpegeln evozierte DPOAE eine größere Korrelation zur Tonschwelle bei f2 zeigen als mit hohen Pegeln evozierte DPOAE (Janssen et al. 1995 und 1998, Janssen und Arnold, 1995). Bei Normal­hörenden werden optimale Korrelationen mit den Primärtonpegeln L1 = 45 und L2 = 20 dB SPL erreicht, bei Patienten mit kochleärem Hörverlust sind Primärtöne mit L2-Werten zwischen 35 und 55 dB SPL günstiger (Kummer et al., 1998).


Fußnoten und Endnoten

1 Endolymphatischer Hydrops: Erweiterung des Endolymphraumes mit möglicher Verlagerung der Trennwandstrukturen durch den Anstieg der Ionenkonzentration und des elektrolytosmotischen Druckes im Endolymphraum, bedingt z.B. durch eine Resorptionsstörung oder Überproduktion der Endolymphe (Zenner, 1994, S. 114).

2 Syptomatik des Morbus Menière: Plötzlich - akut oder innerhalb von Minuten - auftretende Funktionsstörung eines Labyrinthes mit Schwerhörigkeit, Tinnitus (Ohrgeräusch) und Drehschwindel, fakultativ: Druck- und Völlegefühl im Ohr (Thumfahrt et al., 1996, S. 88; Michel, 1998, S. 47).

3 Modulationsgrad (bei Amplitudenmodulation): Verhältnis der Amplitudenänderung einer Schwingung zur Amplitude der unmodulierten Schwingung (Stadler, 1988, S. 38); hier: Differenz der TEOAE Effektivwerte bei 0° und bei 270° bezogen auf den Effektivwert bei 0° (Nubel et al., 1995).

4 kubische und quadratische Verzerrung: Bei Zweitonstimulation im nichtlinearen akustischen Übertragungssystem entstehende Schwingungen, die sich aus dem kubischen Term (f1-f2)3 bzw. dem quadratischen Term (f1-f2)2 der Übertragungsfunktion ergeben.



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31.08.2004