Inner ear of marine mammals

Cetacea (Wale, Delfine und Schweinswale) nutzen Geräusche für alle ihre täglichen Aktivitäten, wie Navigation, Beutesuche oder Kommunikation. Eine Veränderung ihres Hörvermögens kann daher schwerwiegende Folgen haben. Auch Pinnipedia (Robben, Seelöwen und Walrosse) sind in hohem Maße auf Geräusche angewiesen.

Die Besorgnis darüber, wie sich die Lärmbelastung unter Wasser aufgrund zunehmender anthropogener Aktivitäten (Schifffahrt, seismische Untersuchungen, militärische Aktivitäten, Bau und Betrieb von Offshore-Windparks usw.) auf das Gehör von Meeressäugern auswirken kann, hat zugenommen.

Dauerhafte ultrastrukturelle Veränderungen des sensorineuralen Epithels des Innenohrs können nach der Exposition gegenüber hochintensivem Lärm auftreten. Zu diesen Veränderungen gehört das Absterben der Sinneszellen (oder Haarzellen) des Corti-Organs, des Hörorgans. Das Hörorgan von Säugetieren besteht aus einer Reihe innerer Haarzellen (IHC), drei Reihen äußerer Haarzellen (OHC) und mehreren Arten von Stützzellen. Stirbt eine Sinneszelle ab, beteiligen sich die benachbarten Stützzellen aktiv an der Beseitigung der Haarzellen und der Versiegelung der retikulären Lamina, was zu einer deutlichen Narbe führt. Das Vorhandensein von Narben innerhalb der Haarzellenreihen ist dann ein wichtiges Kriterium für die Diagnose einer Hörstörung.

Wir haben neue Untersuchungsmethoden etabliert, um 1) die Ultrastruktur des Innenohrs zu beschreiben und 2) um Fälle von Hörverlust bei gestrandeten Meeressäugern zu erkennen. Hörschäden können durch verschiedene Faktoren verursacht werden, z. B. durch Lärmbelastung, ototoxische Medikamente oder Schadstoffe wie PCBs und Schwermetalle, Alter, Barotrauma, Explosionsverletzungen, angeborene oder immunologische Störungen und andere Infektionen. Abhängig von der Lage innerhalb der Cochlea-Spirale, der fokalen oder diffusen Ausbreitung der Läsion und der Länge der Übergangszone zwischen der Schädigung und dem normalen Epithel ist es möglich, potentielle Ätiologien zu bekräftigen oder zu verwerfen, wenn eine Läsion gefunden wird.

Die Rasterelektronenmikroskopie (SEM) ermöglicht die hochauflösende Visualisierung der Kutikularplatte der Sinnes- und Stützzellen des Corti-Organs. Der Nachteil der SEM-Methode besteht darin, dass es nicht möglich ist, eine Narbe zu datieren oder die afferente Innervation vom Typ I mit der von uns angewandten Präparation darzustellen. Die Immunfluoreszenz hingegen ermöglicht die gleichzeitige Markierung von Sinneszellen und der zugehörigen Innervation. Wir haben eine Auswahl von Markern gefunden, die bei Meeressäugern durchweg gut funktionieren (Anti-Prestin-, Anti-Myosin-VI-, Anti-Neurofilament-H-, anti-acetylierte Tubulin-Antikörper, Phalloidin und DAPI). Ein weiterer Vorteil der Immunfluoreszenz ist die Möglichkeit, zwischen neu entstandenen Läsionen (die möglicherweise mit der Strandung in Verbindung stehen könnten) und alten Läsionen zu unterscheiden. Mit der Phalloidin-Markierung ist es möglich, innerhalb von 9 Stunden nach der Exposition gebildete Narben zu erkennen und mit der Anti-Prestin-Antikörper-Markierung solche, die innerhalb von 9-10 Tagen nach der Exposition gebildet wurden. SEM und Immunfluoreszenz (und die Kombination beider Verfahren) sind ideal, um Anzeichen für lärmbedingten Hörverlust zu detektieren, da das sensorische Epithel an allen Stellen der Cochlea-Spirale abgebildet werden kann. Die Histopathologie hingegen ist ideal, um Blutungen und Infektionen sowie Anomalien im Mittelohr zu erkennen. Wir kombinieren die Analysen außerdem mit hochauflösenden CT-Scans, um Veränderungen in der Knochenstruktur feststellen zu können. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ermöglicht eine sehr hohe Auflösung und eine ergänzende Betrachtung des sensorineuralen Epithels. Wir verwenden TEM, um die ultrastrukturellen Spezialisierungen der Zellen des Corti-Organs an verschiedenen Stellen der Spirale zu beschreiben. Alle Techniken, die ursprünglich zur Darstellung des Innenohrs von Walen eingesetzt wurden, können auch auf andere Gewebe angewandt werden, um das Innenohr anderer Tierarten, sowohl für anatomische Zwecke als auch zur Erkennung möglicher Fälle von Hörverlust, zu untersuchen.

Wir haben die Ultrastruktur der Zellen des Corti-Organs beschrieben und ihre Formveränderungen entlang der Spirale bei Walen, die Echolokation nutzen, und Fledermäusen mit Hilfe linearer und geometrischer Morphometrie quantifiziert. Darüber hinaus haben wir den ersten Millimeter des Apex der Cochlea (wo die niedrigsten Frequenzen kodiert werden) von fünf Odontocetenarten charakterisiert. Der Apex ist die Region, in der wir die meisten Läsionen aufgrund von Lärmbelastung erwarten, da die meisten Unterwasserquellen eine große Komponente niedriger Frequenzen aufweisen. Dies ist jedoch die Region, in der die größte morphologische Variabilität des Corti-Organs bei Säugetieren zu beobachten ist, und häufig werden zwei oder drei Reihen von OHCs festgestellt. Wir haben festgestellt, dass bei zwei OHC-Reihen auch nur zwei Reihen unterstützender Deiters-Zellen vorhanden sind (und bei drei OHC-Reihen liegen auch drei Reihen Deiters-Zellen vor). Somit ist das OHC-Deiters-Zellpaar ein gutes Kriterium zur Unterscheidung zwischen normaler Variabilität und dem Vorhandensein von Läsionen.

Um festzustellen, ob ein gestrandeter Meeressäuger einen dauerhaften Hörverlust erlitten hat, ist die Einbeziehung des Innenohrs in die vollständige Post-Mortem-Untersuchung erforderlich. Wir haben mehrere Fälle gefunden, bei denen es Hinweise auf eine Hörschädigung aufgrund verschiedener Faktoren gab. Wir analysierten das Innenohr eines Belugas (Delphinapterus leucas) in menschlicher Obhut, dessen auditorisch hervorgerufene Potenziale (Reaktion des Hirnstamms auf einen eingehenden Ton) gemessen wurden. Dies war das erste Individuum, bei dem wir einen mit elektrophysiologischen Techniken gemessenen Hörverlust mit einer Schädigung der Cochlea in Verbindung bringen konnten. Die wahrscheinlichste Ursache für den Hörverlust war eine Ischämie, die von einer bakteriellen Infektion ausgelöst wurde oder sekundär mit dieser zusammenhing. Darüber hinaus fanden wir einen selektiven IHC-Verlust (bis zu 84,6 %) in der Cochlea eines neugeborenen Seehunds (Phoca vitulina), der höchstwahrscheinlich angeboren war. In einem Fall verursachte ein Parasit, der morphologisch mit Stenurus minor übereinstimmt, schwere Blutungen im Innenohr eines Schweinswals (Phocoena phocoena),. Läsionen in der Cochlea, die mit lärmbedingtem Hörverlust vereinbar sind, wurden bei einem gestrandeten Langflossen-Grindwal (Globicephala melas) und bei zwei gestrandeten Schweinswalen festgestellt. Während bei dem Grindwal keine Todesursache festgestellt werden konnte, starb einer der Schweinswale an einer tödlichen Aspergillose und der andere an einer Toxoplasmose. Darüber hinaus wurde bei 30 % (8 von 24) der Schweinswale, die nach Munitionsexplosionen in der Ostsee gestrandet waren, als Todesursache eine Explosionsverletzung festgestellt.

Für Meeressäugerarten sind Forschungsvorhaben zur Abschätzung der Cochlea-Frequenzkarten (d. h. der Frequenzverteilung entlang der Cochlea-Spirale) auf der Grundlage morphologischer Merkmale erforderlich. Wenn Läsionen gefunden werden, sind diese Frequenzkarten wichtig, um den beeinträchtigten Frequenzbereich zu bestimmen. Außerdem können diese Karten Informationen über den Hörbereich von Arten liefern, für die noch keine Audiogramme vorliegen, wie z. B. Mysticeti und einige Arten von Schnabelwalen. Darüber hinaus können Frequenzkarten bei lärmbedingtem Hörverlust letztlich wichtige Informationen über die Frequenzcharakteristika der ursächlichen Quellen der Schädigung in der Cochlea liefern. Neben der Fortsetzung unserer Forschung zur Vorhersage von Cochlea-Frequenzkarten für Meeressäuger planen wir auch die Untersuchung ultrastruktureller Anpassungen der Cochlea von Bartenwalen für das Hören niedriger Frequenzen. Darüber hinaus werden wir die verschiedenen Arten der Cochlea-Innervation untersuchen und ihr Potenzial zur Abschwächungdes Gehörs bei Cetacea bewerten. Schließlich möchten wir die für Wale angewandten Techniken auch auf andere aquatische Arten sowie auf wildlebende Säugetierarten mit unbekanntem Hörvermögen anwenden.

Die Analyse des Innenohrs von Meeressäugern hat weitreichende Auswirkungen und ermöglicht die Gewinnung einzigartiger Informationen, die bei toten Tieren mit anderen Mitteln nicht erreicht werden können. Neben der Erweiterung unseres Wissens über das Gehör von Meeressäugern, Hörverlust und mögliche Auswirkungen der Lärmbelastung auf das Gehör kann die Innenohranalyse als Überwachungsinstrument für die Auswirkungen und die Wirksamkeit der derzeitigen Maßnahmen zur Abschwächung von Schallquellen eingesetzt werden. Die Analyse des Innenohrs ermöglicht durch die Detektion individuellen Hörverlusts auch die Identifizierung von Populationsgruppen, bei denen sofortige Maßnahmen erforderlich sein könnten, und kann den Regulierungsbehörden Informationen für die Entwicklung von Indikatoren im Rahmen des Deskriptors 11 der Meeresstrategie Rahmenrichtlinie liefern.