Menschliches Gehör komplexer als gedacht

Eine bisher unbekannte Reihe von Modi im menschlichen Ohr schränkt die Verstärkung schwacher Töne, die Toleranz gegenüber lauten Geräuschen und die Wahrnehmung eines Spektrums von dazwischen liegenden Schallfrequenzen stark ein.

Durch die Anwendung bestehender mathematischer Modelle auf eine generische Nachbildung der Cochlea haben die Forschende der Yale University, New Haven (USA), eine neue Ebene der Komplexität der Cochlea aufgedeckt. Die Ergebnisse bieten neue Einblicke in die Fähigkeiten und Genauigkeit des menschlichen Gehörs.

„Wir wollten verstehen, wie das Ohr sich so einstellen kann, dass es schwache Töne wahrnimmt, ohne instabil zu werden und wie es auch ohne äußere Geräusche reagiert“, erklärt Benjamin Machta, Assistenzprofessor für Physik an der Fakultät für Kunst und Wissenschaft in Yale und Mitautor der kürzlich veröffentlichten Studie. „Aber als wir dem auf den Grund gingen, stießen wir auf eine neue Reihe von niederfrequenten mechanischen Modi, die die Cochlea wahrscheinlich unterstützt.“

Menschen sind in der Lage, Töne mit Frequenzen von drei Größenordnungen und einem mehr als trillionenfachen Leistungsbereich bis hin zu winzigen Luftschwingungen wahrzunehmen. Sobald Schallwellen in die Cochlea eindringen, werden sie zu Oberflächenwellen, die sich entlang der haarförmigen Basilarmembran der Cochlea ausbreiten. „Jeder reine Ton erklingt an einem Punkt entlang dieses spiralförmigen Organs“, erklärt Asheesh Momi, Doktorand der Physik an der Graduate School of Arts and Sciences in Yale und Erstautor der Studie.

Die Haarzellen des Innenohrs fungieren aber auch als mechanische Verstärker, indem sie Energie in die Schallwellen pumpen, um der Reibung entgegenzuwirken und ihnen zu helfen, ihr Ziel zu erreichen. Für präzises Hören sei genau die richtige Menge an Energie und ständige Anpassungen entscheidend, so die Forschenden.

Dies ist jedoch nur einer der gut dokumentierten Hörmodi innerhalb der Cochlea. Das Yale-Team entdeckte eine zweite, erweiterte Gruppe von Modi innerhalb des Organs. Bei diesen erweiterten Modi reagiert ein großer Teil der Basilarmembran und bewegt sich gemeinsam, selbst bei einem einzigen Ton. Diese kollektive Reaktion beeinflusst, wie die Haarzellen auf den eintreffenden Schall reagieren und wie die Haarzellen Energie in die Basilarmembran pumpen.

„Da diese neu entdeckten Modi niedrige Frequenzen aufweisen, glauben wir, dass unsere Ergebnisse auch zu einem besseren Verständnis des Gehörs bei niedrigen Frequenzen beitragen könnten, was immer noch ein aktives Forschungsgebiet ist“, so Isabella Graf, ehemalige Postdoktorandin in Yale, die jetzt am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie in Heidelberg arbeitet.

Graf und Machta haben in den letzten Jahren an einer Reihe von Studien mitgearbeitet, in denen mathematische Modelle und Konzepte der statistischen Physik verwendet wurden, um biologische Systeme besser zu verstehen, wie etwa die Empfindlichkeit einer Grubenotter gegenüber Temperaturschwankungen und das Zusammenspiel zwischen Materiephasen, die in Zellmembranen in Kontakt kommen.