Gehörlose Mäuse erhalten die Innenohrfunktion bis zur Öffnung des Gehörgangs aufrecht; Ergebnisse geben Aufschluss über die Wirksamkeit von Cochlea-Implantaten

Neue Forschung, die von Wissenschaftlern an der Johns Hopkins Medicine durchgeführt wurde, zeigt, dass Mäuse mit erblicher Gehörlosigkeit während der ersten zwei Lebenswochen normale neuronale Aktivität im Hörsystem aufweisen. Diese frühe Höraktivität scheint dem Gehirn als eine Art Training zu dienen, Geräusche zu verarbeiten, sobald das Hören beginnt. Die am 27. Juni veröffentlichte Studie in PLOS Biology könnte neue Erkenntnisse über die Mechanismen liefern, die dem Erfolg von Cochlea-Implantaten bei Personen mit genetischem Hörverlust zugrunde liegen.

Wissenschaftler glauben, dass Mutationen im Gjb2-Gen für mehr als 25 % der Fälle von angeborenem Hörverlust verantwortlich sind. Das Gen kodiert für das Protein Connexin 26, das zu einer Gruppe von Proteinen gehört, die als GAP junctions bezeichnet werden. Diese Proteine überbrücken den Abstand zwischen Zellen und ermöglichen ihnen den Austausch von Ionen, Metaboliten und anderen Molekülen, die bei der Zellkommunikation und -erhaltung eine Rolle spielen.

Die Forscher sagen, dass ihre Ergebnisse einen Mechanismus für die Beobachtung nahelegen, dass Menschen mit dieser erblichen Mutation gut auf Cochlea-Implantate (CIs) ansprechen. CIs nutzen elektrische Signale, um Nerven im Innenohr zu stimulieren, und können das Hörvermögen bei Menschen mit hochgradigerem Hörverlust sowie bei Personen, für die Hörgeräte unwirksam sind, deutlich verbessern. Laut den National Institutes of Health wurden zwischen Dezember 2019 und März 2021 bei Erwachsenen und Kindern mehr als 180.000 CIs implantiert.

Das Connexin-26-Protein kommt überwiegend in Stützzellen innerhalb der Cochlea vor, dem spiralförmigen Organ, das für die Übertragung von Schall an das Gehirn verantwortlich ist. Ohne Connexin 26 entwickelt die Cochlea nicht ihre normale Form und verliert ihre Fähigkeit, die für eine effiziente Schallerkennung notwendigen Vibrationen zu erfassen. Trotz dieser strukturellen Beeinträchtigung stellten die Forschenden jedoch fest, dass die Cochlea weiterhin spontane Aktivität erzeugen kann, die für die Entwicklung des Gehirns im Zusammenhang mit der Schallverarbeitung entscheidend ist.

„Stützzellen sind für Gewebe und Organe äußerst wichtig“, sagt der Neurowissenschaftler Dwight Bergles, PhD, Diana Sylvestre and Charles Homcy Professor an der Johns Hopkins University School of Medicine. „Die neue Studie zeigt, wie entscheidend sie dafür sind, das Hörsystem zu trainieren und auf die Verarbeitung von Schall vorzubereiten.“

Bergles und der MD/PhD-Kandidat Calvin Kersbergen von Johns Hopkins entwickelten ein Mausmodell, dem Connexin 26 speziell in unterstützenden Cochlea-Zellen fehlt. Durch die Messung auditorischer Hirnstammreaktionen (ABRs) und Distorsionsprodukt-otoakustischer Emissionen (DPOAEs) stellten sie fest, dass Mäuse ohne Connexin 26 in unterstützenden Zellen gehörlos waren, was die entscheidende Rolle dieser interzellulären Kanäle beim Hören hervorhebt.

Vor diesem Hintergrund fragten sie sich auch, ob das Fehlen von Connexin 26 und Veränderungen in der Cochlea-Struktur die spontane Aktivität bei jüngeren Mäusen stören würden, bevor sich ihr Gehörgang öffnet. Überraschenderweise fanden sie heraus, dass Mäuse ohne Connexin 26 weiterhin elektrische Aktivitätsschübe in auditorischen Neuronen aufwiesen, und zwar in ähnlichem Ausmaß wie Mäuse mit intaktem Connexin 26. Weitere Untersuchungen zeigten, dass die spontane Aktivität in unterstützenden Zellen sensorische Haarzellen im Innenohr aktivierte – was zu normaler neuronaler Aktivität in den schallverarbeitenden Bereichen des Gehirns führte.

Schlagtraining für die auditorischen Bereiche des Gehirns

Bergles vermutet, dass die Rolle unterstützender Zellen während dieser frühen Entwicklungsphase darin besteht, das auditorische System darauf zu „trainieren“, auf Schall bei bestimmten Frequenzen zu reagieren. Obwohl der Gehörgang noch nicht geöffnet ist, erzeugen unterstützende Zellen ihre eigene spontane Aktivität, um die mechanisch empfindlichen Haarzellen in der mit Flüssigkeit gefüllten Cochlea zu stimulieren. Diese selbst erzeugte Aktivität ist vergleichbar damit, dass die Cochlea in diesem Entwicklungsstadium eigene „Klänge“ produziert, was die Reifung auditorischer Neuronen und Schaltkreise unterstützt, bevor der Gehörgang zugänglich wird.

„Es ist, als würde die Cochlea in diesem Entwicklungsstadium eigene ‚Klänge‘ erzeugen“, sagt Bergles. „Dieses Training könnte den auditorischen Neuronen und Schaltkreisen im Gehirn helfen, zu reifen, bevor sich der Gehörgang öffnet. Es ist wie ein Baseballspieler in einem Schlagkäfig, der die Grundlagen seines Schwungs erlernt und sich darauf vorbereitet, der Unvorhersehbarkeit eines echten Pitchers zu begegnen“, sagt Bergles.

Die Forschenden beobachteten außerdem, dass die spontane Aktivität in den unterstützenden Zellen gehörloser Mäuse aufhört, sobald sich der Gehörgang öffnet. Gleichzeitig werden die auditorischen Neuronen – die nicht in der Lage sind, Schall zu verarbeiten – empfindlicher gegenüber Schallreizen. Diese erhöhte Empfindlichkeit ähnelt der Hyperakusis, einem Zustand beim Menschen, bei dem normale Schallpegel als schmerzhaft wahrgenommen werden können. Sie kann auch zu Tinnitus oder „Klingeln in den Ohren“ führen.

Die Ergebnisse der Studie legen eine molekulare Grundlage für die verbesserten Ergebnisse nahe, die bei Personen mit der erblichen Mutation beobachtet werden, die früh im Leben Cochlea-Implantate erhalten. „Spontane Aktivität in Stützzellen in der Cochlea könnte die molekularen Belege für empirische Daten liefern, die bessere Ergebnisse bei Menschen zeigen, denen früher im Leben Cochlea-Implantate eingesetzt werden“, sagt Bergles.

Das Forschungsteam plant zu untersuchen, ob es den Signalweg der spontanen Aktivität in Stützzellen nutzen kann, um Tinnitus und andere Hörstörungen zu behandeln.

Die Wissenschaftler Travis Babola und Patrick Kanold trugen ebenfalls zu der Forschung bei.