Bewegt sich die Luft periodisch nur um Bruchteile des Durchmessers eines Wasserstoffatoms, hören wir einen Ton. Damit wir diese kleinsten Bewegungen wahrnehmen können, ist unser Ohr biologisch hoch spezialisiert. Der Dresdner Ingenieur Dr. Johannes Baumgart hat nun ein detailliertes Computermodell vorgestellt, das das Verhalten der Haarbündel im Innenohr beschreibt. Es liefert neue Einblicke in den Prozess der auditiven Wahrnehmung.

Bei der Hörwahrnehmung eines Klangs spielen viele komplexe Prozesse zusammen. Der Schlüsselprozess, die Umwandlung mechanischer Schwingungsbewegung in elektrische Signale, findet in den Haarbündeln im Innenohr statt. Diese Bündel bestehen aus vielen nahe beieinander stehenden winzigen Härchen, den Stereozilien, die von einer zähen Flüssigkeit umgeben sind und an den Spitzen miteinander verbunden sind. So weit, so gut.

So richtig klar, so beschreibt es Johannes Baumgart, ist den Biologen dennoch nicht, wie unser Ohr so hochempfindlich sein kann und beispielsweise sehr ähnliche Frequenzen ausgezeichnet unterscheidet – obwohl eine zähe Umgebungsflüssigkeit, die Endolyphme, die Schwingungen der Stereozilien eigentlich dämpfen und „verwaschen“ müsste. „Hier fehlte ein wirklichkeitsgetreues Computermodell, das die Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Struktur genauer unter die Lupe nimmt“, erklärt Baumgart. Mithilfe eines solchen Modells, welches in enger Zusammenarbeit mit Experimentatoren aus New York entstand, hat der Mitarbeiter des Instituts für Wissenschaftliches Rechnen der Technischen Universität Dresden im Rahmen seiner Doktorarbeit nun gezeigt, was im Einzelnen das Haarbündel zusammenhält, und wie überraschend gering sein Widerstand ist. Baumgarts Ergebnisse liefern einen weiteren Schritt, um das Hören besser zu verstehen.

„Bewegt sich die Luft periodisch nur um Bruchteile des Durchmessers eines Wasserstoffatoms, hören wir einen Ton“, fängt Johannes Baumgart an, das komplexe Phänomen des Hörens genauer zu erklären. „Im Innenohr fängt dabei die so genannte Basilarmembran an zu vibrieren, und auf ihr die winzigen Haarzellen; die Bewegung macht tatsächlich manchmal nur einen Nanometer aus!“ Die erwähnten Stereozilien, im Durchmesser hundertmal dünner als ein Kopfhaar, stehen in Bündeln dicht an dicht. „Dieser Aufbau reicht jedoch noch nicht aus, um auf die kleinsten Bewegungen zu reagieren. Es sind zusätzliche ‚Motoren’ zur Unterstützung unerlässlich. Solche befinden sich zwischen den Härchen und wirken als aktive Verbindungselemente. Um deren Bewegungen effizient zu verstärken, müssen sie zeitgleich wirksam sein.“ Mithilfe von Computermodellen zeigte Baumgart, was im Einzelnen zu dieser Kopplung notwendig ist. Hochpräzise Messungen an den Haarbündeln von Ochsenfröschen, die kleinste Relativbewegungen zwischen den Härchen erkennen ließen, bestätigten seine Vermutungen.

Die Erkenntnisse der Forschungskooperation ermöglichen wichtige Präzisierungen bei der Beschreibung des Hörvorgangs; weit verbreitete Hörkrankheiten könnten so in Zukunft besser therapiert werden.

Publikationen:
Andrei S. Kozlov (1), Johannes Baumgart (2), Thomas Risler (3,4,5), Corstiaen P. C. Versteegh (1,6) und A. J. Hudspeth (1); Forces between clustered stereocilia minimize friction in the ear on a subnanometre scale. Nature. (2011). DOI:10.1038/nature10073.
(1) Howard Hughes Medical Institute and Laboratory of Sensory Neuroscience, The Rockefeller University, 1230 York Avenue, New York, New York 10065, USA
(2) Institute of Scientific Computing, Department of Mathematics, Technische Universität Dresden, 01062 Dresden, Germany
(3) Institut Curie, Centre de Recherche, F-75005 Paris, France
(4) UPMC Université Paris 06, UMR 168, F-75005 Paris, France
(5) CNRS, UMR 168, F-75005 Paris, France
(6) Experimental Zoology Group, Wageningen University, 6709?PG Wageningen, The Netherlands

Johannes Baumgart; The Hair Bundle: Fluid-Structure Interaction in the Inner Ear. Dissertation. Technische Universität Dresden, Germany. (2010)
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-63810 

Informationen für Journalisten:
Dr. Johannes Baumgart
Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme
Nöthnitzer Straße 38
01187 Dresden
baumgart@pks.mpg.de
Tel.: +49 351 871-1808, Fax: -1999

Martin Morgenstern
26. Mai 2011