Sensorische Systeme/ Vestibuläres System

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Einleitung

Die Hauptfunktion des vestibulären Systems (Gleichgewichtsorgan) ist die Wahrnehmung von Kopfbewegungen, insbesondere unfreiwilligen, und diesen mit reflexiven Augenbewegungen oder Haltungsveränderungen entgegenzuwirken. Dies stabilisiert die sichtbare Umgebung und bewahrt uns vor Stürzen. Auf Scholorpedia ist ein hervorragender und ausführlicherer Artikel zum vestibulären System verfügbar ^[1]. Weitere Informationen zum aktuellen Wissensstand über das Gleichgewichtssystem findet man in «The Vestibular System: a Sixth Sense» von J Goldberg et al ^[2].

Anatomie des vestibulären Systems

Labyrinth

Zusammen mit der Hörschnecke besteht das Gleichgewichtssystem aus einem System von Röhren, das sogenannte häutige Labyrinth. Diese Röhren befinden sich in den Hohlräumen des knöchernen Labyrinths im Innenohr. Innerhalb der Röhren befindet sich die lymphähnliche Flüssigkeit Endolymphe. Der Raum zwischen dem knöchernen und häutigen Labyrinth hingegen füllt die Perilymphe. Diese Flüssigkeiten haben eine einzigartige ionische Zusammensetzung, speziell angepasst an ihre Funktion, das elektrochemische Potential der Haarzellen zu regulieren. Wie wir später erfahren, findet dadurch die Signalübertragung des vestibulären Systems statt. Das elektrische Potential der Endolymphe ist ungefähr 80mV höher als das der Perilymphe.

Da unsere Bewegungen aus einer Kombination von linearen Verschiebungen und Rotationen bestehen, kann das Gleichgewichtssystem in zwei Hauptbereiche aufgeteilt werden: Die Makulaorgane nehmen lineare Beschleunigung wahr und die Bogengänge können Winkelveränderungen erkennen.

Menschliches knöchernes Labyrinth (Computed tomography 3D)	Interne Struktur des menschlichen Labyrinths
	1 Nervus vestibularis 2 Nervus cochlearis 3 Nervus intermediofacialis 4 Ganglion geniculi 5 Chorda tympani 6 Cochlea 7 Ductus semicirculares 8 Malleus 9 Membrana tympani 10 Tuba auditiva

Makulaorgane

Die Makulaorgane beider Ohren liegen in zwei Aussackungen des häutigen Labyrinths, genannt Utriculus und Sacculus. Ihre Hauptfunktion ist das Erkennen von horizontaler und vertikaler Beschleunigung. Jeder Utriculus hat um die 30'000 Haarzellen und jeder Sacculus circa 16'000. Die Makulaorgane befinden sich im Mittelteil des Labyrinths, auch Vestibulum genannt. Die Haarzellen ragen bis in eine gelartige Membran, die Otolithen enthält. Otolithen sind mikroskopisch kleine Kalziumkarbonatkristalle, die das Wahrnehmen von Beschleunigung unterstützen.

Bogengangsorgane

Jedes Ohr hat drei Bogengänge, dünnwandige und miteinander verbundene Röhren. Diese sind gefüllt mit Endolymphen und sind wichtig für die Feststellung und Regulierung von dreidimensionalen Drehbewegungen. Die Gänge haben einen Radius von etwa 3.2mm und stehen auf jeder Seite ungefähr orthogonal zueinander. ^[3].

Die Winkelausrichtung der on-direction der jeweiligen Bogengänge (auf der rechten Seite) beträgt ^[4]:

Bogengang	X	Y	Z
Lataler (horizontaler)	0.32269	-0.03837	-0.94573
Vorderer	0.58930	0.78839	0.17655
Hinterer	0.69432	-0.66693	0.27042

(Die Achsen sind so ausgerichtet, dass die positiven x-,y-,und z-Achsen nach vorne, links, und hoch zeigen. Die horizontale Ebene ist durch Reids Grundlinie definiert, die Linie welche den unteren Rand der Augenhöhle mit dem Zentrum der äusseren Hörorgane verbindet. Und die Vektoren sind so definiert, dass eine Rotation um den Vektor gemäss der Drei-Finger-Regel den jeweiligen Bogengang erregt.) Der vordere und hintere Bogengang sind ungefähr vertikal und der laterale Bogengang horizontal.

Jeder Kanal besitzt am Ende eine Erweiterung, genannt Ampulle. In ihr liegen Haarzellen der Bogengänge, die eigentlichen Sinneszellen des Gleichgewichtsorgans. Jede Ampulle enthält einen sattelförmigen Gewebekamm, die Crista, welche sich von einer bis auf die andere Seite erstreckt. Aus diesem Gewebe entspringt eine gelartige Struktur, die Cupula, die den Innenraum der Ampulle etwa in zwei Hälften halbiert.

Haarzellen

Die Sensoren innerhalb der Makulaorgane und den Bogengängen sind die Haarsinneszellen. Sie sind verantwortlich für die Signaltransduktion von mechanischen Kräften in elektrische Signale und bilden somit die Schnittstelle zwischen der Welt der Beschleunigungen und dem Hirn.

Haarzellen haben ein Bündel von Stereozilien, die aus ihrer apikalen Oberfläche herausragen. Die grösste Stereozilie heisst Kinozilie. Stereozilienverbiegung ist der Mechanismus, mit dem alle Haarsinneszellen mechanische Krafteinwirkung erkennen und umwandeln. Stereozilien innerhalb eines Bündels sind untereinander an ihrer Spitze mit Proteinsträngen verbunden, den sogenannten Tip-Links. Bei einer Biegung des Bündels, sind die Tip-Links zuständig für die mechanische Öffnung und Schliessung der sensiblen Ionenkanäle. Afferente Erregung der Nerven funktioniert folgendermassen: Wenn alle Zilien in Richtung der Kinozilie gebogen werden, dann öffnen sich die Kanäle und positive Kaliumionen strömen in die Zelle ein. Dadurch wird das Innere der Zelle positive (depolarisiert). Die Haarzellen selber senden keine Aktionspotentiale aus. Die Depolarisierung aktiviert spannungssensitive Kalziumkanäle auf der basolateralen Seite der Zelle. Als Folge strömt Kalzium ein und es werden verstärkt Neurotransmitter an nachgeschaltete Neuronen abgegeben. Auf der anderen Seite haben wir die afferente Hemmung der Nerven, dies beschreibt den Prozess verursacht durch das Krümmen der Stereozilien weg von der Kinozilie (Hyperpolarisierung), was die Abgabe von Neurotransmittern reduziert. Dies erlaubt die Erkennung von beidem höherer und reduzierter Abfeuerung von Signalen an die Nerven. Haarsinneszellen sind sehr sensible und antworten extrem schnell auf Reize. Die schnelle Antwortzeit kommt teilweise daher, dass sie imstande sein müssen, Neurotransmitter verlässlich ab einer Grenze von nur 100 µV des Rezeptorenpotenzials freizusetzen.

Reguläre und irreguläre Haarzellen

Während afferente Haarzellen im auditiven System ziemlich gleichförmig sind, kann man die des vestibulären Systems in zwei Gruppen unterteilen: Reguläre und irreguläre Einheiten. Reguläre Haarzellen haben ungefähr konstante Interspike-Intervalle und feuern ständig proportional zu ihrer Krümmung. Die irregulären Haarzellen hingegen haben viel wechselhaftere Interspike-Intervalle. Ausserdem steigt ihre Entladungsrate mit steigender Frequenz. Reguläre und irreguläre Haarsinneszellen unterscheiden sich ausserdem noch in ihrer Lage, Innervation und Formung.

Signalverarbeitung

Periphere Signalübertragung

Transduktion linearer Beschleunigung

Die Haarzellen der Makulaorgane sind zuständig für die Übertragung einer mechanischen Kraft verursacht durch lineare Beschleunigung in ein elektrisches Signal. Diese Kraft (gravito-inertial force) ist das Produkt aus Erdanziehung und linearer Bewegung des Kopfes:

{\vec {F}}={\vec {F}}_{g}+{\vec {F}}_{inertial}=m({\vec {g}}-{\frac {d^{2}{\vec {x}}}{dt^{2}}})

Der Mechanismus der Übertragung funktioniert folgendermassen: Die Otokonien, Calcitkristalle im Innenohr haben eine deutlich höhere Dichte als die umliegenden Materialien. Deshalb führt eine lineare Beschleunigung zu einer Verschiebung der Otokonienschicht im Vergleich zu dem anliegenden Bindegewebe. Die Verschiebung wird von de Haarsinneszellen wahrgenommen. Das beugen der Haare polarisiert dann die Zelle und induziert afferente Erregung oder Hemmung.

Während alle drei Bogengänge jeweils nur eine eindimensionale Komponente der Drehbewegung spüren, produziert lineare Beschleunigung komplizierte Muster von Erregung und Hemmung. Diese werden von den Makulaorganen (Utriculus und Sacculus) wahrgenommen. Innerhalb jeder Makula zeigen die Kinozilien der Haarzellen in alle möglichen Richtungen.

Die Lage des Sacculus orientiert sich daran, dass seine Makula vertikal ausgerichtet ist. Der Utriculus hingegen hat eine horizontal ausgerichtete Makula bei aufrechter Kopfposition. Deshalb unterscheiden sie sich auch bei der Wahrnehmungsrichtung von Beschleunigungen, nämlich Sacculus vertikal und Utriculus horizontal. Die Otolithen-Membran ist weich genug, sodass jede Haarzelle proportional zur lokalen Kraftrichtung umgebogen wird. Die Stimulation durch statische Beschleunigung ist definiert als:

stim_{otolith}={\vec {F}}\cdot {\vec {n}}

Die Richtung und Grösse der totalen Beschleunigung wird durch die Erregungsmuster auf den Otolithen bestimmt.

Transduktion von Drehbeschleunigung

Die drei Bogengänge sind zuständig für die Wahrnehmung von Drehbeschleunigungen. Wenn sich der Kopf in der Ebene eines Bogenganges bewegt, führt die Trägheit der Endolymphe zu einer relativen Verschiebung innerhalb des Bogenganges. Relativ zu den Wänden bewegt sich die Endolymph-Flüssigkeit also in die entgegengesetzte Richtung als der Kopf. Bei dieser Bewegung werden die Haarzellen erregt oder gehemmt, je nach Richtung der Beschleunigung.

Dies vereinfacht die Interpretation von Bogengang-Signalen: Falls man die Richtung eines Bogengangs als Einheitsvektor ${\vec {n}}$ definiert, ist die Stimulation des Bogenganges proportional du der Projektion der Drehbeschleunigung ${\vec {\omega }}$ auf diesen Bogengang

stim_{canal}={\vec {\omega }}\cdot {\vec {n}}

Der horizontale Bogengang ist zuständig für die Wahrnehmung von Kopfdrehungen um die vertikale Achse, zum Beispiel den Nacken. Der vordere und hintere Bogengang nehmen Rotationen in der Sagittalebene, z.B. Nicken, und in der Frontalebene, z.B. Radschlagen), wahr.

In einer spezifischen Cupula schauen alle Haarsinneszellen in die gleiche Richtung. Die Bogengänge beider Seiten funktionieren ausserdem wie ein Push-Pull-System. Zum Beispiel sind die Cristae der rechten und linken horizontalen Bogengänge exakte Gegenteile, sie haben also immer die entgegengesetzten Reaktionen auf Kopfbewegungen. Eine schnelle Bewegung nach links führt zu einer Depolarisierung der Haarzellen in der Ampulle des linken horizontalen Bogengangs und somit verstärktes Abfeuern von Aktionspotenzial in den Neuronen, welche den linken horizontalen Bogengang anregen. Diese Linksbewegung des Kopfes löst gleichzeitig eine Hyperpolarisierung der Haarzellen auf der rechten Seite aus und hemmt dort das Abfeuern von Aktionspotenzial in den kanal-anregenden Neuronen. Wegen dieser gegensätzlichen Struktur bilden nicht nur die beiden horizontalen Bogengänge ein Push-Pull-Paar, sondern auch der rechte vordere (anterior) mit dem linken hinteren (posterior) Bogengang (RALP) und umgekehrt (LARP).

Zentrale Vestibularisbahn

Die Informationen aus den Gleichgewichtsorganen werden zusammen mit den auditiven Informationen über den vestibulookulären Nerv ans Hirn weitergeleitet. Die Zellkörper der bipolaren afferenten Neuronen, welche die Haarsinneszellen in den Makulae und Cristae anregen, befinden sich in der Nähe des Gehörganges im vestibulären Ganglion (auch Scarpa’s Ganglion genannt, Abbildung 10.1). Die zentral hervorstehenden Axone aus dem vestibulären Ganglion treffen mit anderen Axonen aus den auditiven Neuronen zusammen und bilden den achten Hirnnerv. Dieser verläuft weiter zusammen mit dem Gesicht durch den inneren Gehörgang. Die ersten afferenten Neuronen ragen bis zu den vier vestibulären Nuclei (Kerne), welche den vestibulären Nuklearkomplex im Gehirnstamm bilden.

Vestibulookulärer Reflex (VOR)

Ein weitaus untersuchtes Beispiel für die Funktion des Gleichgewichtsorgans ist der vestibulookuläre Reflex. Die Aufgabe des VOR besteht darin, das Bild während der Drehung des Kopfes zu stabilisieren. Dies erfordert die Bewahrung einer stabilen Augenposition während horizontale und vertikale Rotationen des Kopfes. Wenn der Kopf sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit und in eine bestimmte Richtung dreht, dann verschieben sich die Augen mit der gleichen Geschwindigkeit aber in der entgegengesetzten Richtung. Da sich der Kopf immer ein bisschen bewegt, ist der VOR für die Stabilisation des Augenbilds verantwortlich.

Wie funktioniert also der VOR? Der Gleichgewichtsorgan signalisiert den Nerven (Nervus oculomotorius), der für die Augenbewegung zuständig ist, die Geschwindigkeit mit dem sich der Kopf dreht, damit dieser Nerv die Augen stabilisieren kann um das Bild still auf der Netzhaut zu projizieren. Die Gleichgewichtsnerven (Nervus vestibulocochlearis) ragen von dem Ganglion vestibulare (Scarpa-Ganglion) bis hin zu dem Vestibularkernkomplex vor, wo die Vestibularkerne (Nuclei vestibulares) Signale der Gleichgewichtsorgane mit denen des Rückenmarks, des Kleinhirns und des visuellen Systems verknüpfen. Von diesen Vestibularkernen gehen Fasern bis zum kontralateralen Abduzenskern (Nucleus nervi abducnetis), wo sie mit zwei zusätzlichen Pfaden zusammenkommen. Ein Pfad verläuft über den Abduzens-Nerv direkt zum seitlichen Muskel des Auges (Musculus rectus lateralis). Ein weiterer Nervenstrang erstreckt sich vom Abduzenskern durch die Interneurone des Abduzens bis zu den okulomotorischen Nervenzellen im Mittelhirn. Diese Nervenzellen enthalten Motoneuronen, welche die Aktivität der Augenmuskeln antreiben und den Musculus rectus medialis des Auges aktivieren. Diese Verbindung ist auch bekannt als Drei-Neuronen-Bogen und ermöglicht die Augenanpassung innerhalb von 10 ms nach der Kopfbewegung.

Beispiel: Was passiert wenn sich der Kopf nach rechts rotiert? Die rechten horizontalen Haarzellen werden depolarisiert und die auf der linken Seite werden hyperpolarisiert, daher steigt die Aktivität des rechten Afferenten (Fortsätze von Haarzellen), während die des linken abnimmt. Diese Änderung der Signalstärke in den jeweiligen Afferenten macht sich der Gleichgewichtsnerv zu Nutze und leitet diese Information an dem Hirnstamm, wodurch sich die Aktivität des rechten Vestibularkernes steigt und die des linken sinkt. Demzufolge feuern die Interneuronen des linken Abduzenskernes und des rechten okulomotorischen Nervenzellen mit höherer Geschwindigkeit. Hingegen die Interneuronen im linken okulomotorischen Nervenzellen und im die rechten Abduzenskern feuern mit einer geringeren Rate. Das führt dazu, dass sich der linke seitliche Augenmuskel und der rechte mediale Augenmuskel kontrahieren, während sich der linke mediale Augenmuskel und der rechte seitliche Augenmuskel entspannen. Und so rotieren beide Augen nach links und stabilisieren so das Augenbild.

Der Profit des VOR ist definiert durch die Veränderung des Winkels erzeugt von der Augenrotation geteilt durch die Veränderung der Winkels erzeugt von der Kopfrotation.

gain={\frac {\Delta _{Eye}}{\Delta _{Head}}}

Falls der Profit respektive das Verhältnis ungleich als 1 ist, dann hat das zur Folge, dass durch die Kopfbewegung ein bewegtes Bild auf der Netzhaut projiziert wird und wir das Bild verschwommen sehen. Unter solchen Bedingungen passt das Bewegungslernen der Muskeln den Profit des VOR an, um eine genauere Augenbewegung zu produzieren. Das Kleinhirn spielt dabei eine wichtige Rolle.

Das Kleinhirn und das Gleichgewichtsorgan

Es ist bekannt, dass eine Kontrolle der Körperhaltung an ein bestimmtes Verhalten angepasst werden kann. Diverse physische Versuche an Patienten haben ergeben, dass diese Art vom Bewegungslernen ohne das Kleinhirn nicht funktionieren würde. Besonders geforscht wurde das Kleinhirn und dessen Rolle bei der Anpassung des VOR. Wahrlich hat es sich gezeigt, dass sich der Profit des VOR mit der Zeit anpasst und das Verhältnis die 1 annähert, auch wenn ein Teil des VOR-Pfades beschädigt wird oder freiwillig durch die Verwendung von Vergrösserungslinsen modifiziert wird. Hauptsächlich gibt es zwei verschiedene Annahmen über die Beteiligung des Kleinhirns bei der Anpassung des VOR. Die erste Annahme von M. Ito (1970) sagt aus, dass das Kleinhirn selbst der Ort des Lernens ist, während die zweite Annahme von Miles und Lisberger (1981) behauptet, dass die Vestibularkerne der Ort des adaptiven Lernens sei, während das Kleinhirn das Signal produziert welche diese Anpassungen ermöglichen. Weiterhin must man feststellen, dass zusätzlich zu den direkt anregenden Input des Vestibularkernes, die sensorischen Neuronen des vestibularen Labyrinths auch einen Input an die Purkinje-Zellen, die sich im Lobus flocculonodularis des Kleinhirns befinden, bereitstellen. Daraufhin übermitteln diese Purkinje-Zellen eine hemmende Wirkung an die Vestibularkerne zurück. M. Ito behauptet, dass man den Profit des VOR anpassen kann, in dem man die relative Stärke der direkten stimulierenden Pfaden und der indirekten hemmenden Pfaden verändern kann. Zudem denkt er auch, dass ein Signal des Netzhautbildes, welches durch den inferioren Nuclei olivares geht, getragen von den sogenannten «Climbing fibers» (Fasern, die sich im Nuclei olivares befinden) eine Art Störsignal ist und dazu dient die Stimulation der Purkinje-Zellen anzupassen. Wohingegen Miles und Lisberger die Neuronen im Hirnstamm, welche die Purkinje-Zellen aufsuchen, als den Ort des adaptiven Lernens ansehen und das Kleinhirn dabei das Störsignal generiert, das das adaptive Lernen antreibt.

Einfluss des Alkohols auf das Gleichgewichtsorgan

Es ist kein Geheimnis, dass der Alkoholkonsum eine Auswirkung auf das Gleichgewicht des Körpers hat. Aus persönlicher Erfahrung weiss man, dass nach ein paar alkoholischen Getränken man sich schwindelig fühlt und den Körper nicht ganz beherrscht. Es ist einfach zu erklären, warum der Körper sich so anfühlt und beruht im Wesentlichen auf zwei Faktoren: i) Der Alkohol ist leichter als die Endolymphe, eine Flüssigkeit die sich im Inneren des Ohres befindet. ii) Wenn das Alkohol einmal ins Blut angelangt ist, kann es relativ schnell in die Cupula (Bogengang) eindringen, da die Cupula eine gute bzw. schnelle Blutversorgung hat. Hingegen breitet sich das Alkohol eher langsam in die Endolymphe aus. Diese Kombination der schnellen Ausbreitung in der Cupula und der langsamen Ausbreitung in der Endolymphe führt zu einem Auftrieb im Cupula. Wenn man danach auf der Seite liegt, die Abweichung der linken und rechten horizontalen Cupula summieren sich auf und ruft einen starken Rotationsgefühl im Kopf hervor. Glaubt ihr nicht daran, dann rollt einfach auf die andere Seite und die wahrgenommene Rotationsrichtung ist jetzt anders herum.

Man erlebt diese Rotationsgefühle am stärksten, wenn man auf der Seite liegt. Das hat mit der Position der Cupula zu tun. Die Abweichung der linken und rechten horizontalen Cupula hebt sich auf, wenn man sich auf den Rücken legt und deshalb tauchen keine Schwindelgefühle auf. Das erklärt auch das Phänomen, wenn ein Bein aus dem Bett rausschaut, die Schwindelgefühle langsam weggehen oder weniger werden.

In aufrechter Körperhaltung wird der Gesamteffekt des Schwindels minimiert, also ist es vorteilhaft, wenn man auf einer Party so lange wie möglich aufrecht auf den Beinen bleibt.

Im Falle exzessiven Alkoholkonsums bleibt in der Endolymphe eine erhebliche Menge an Alkohol am nächsten Morgen, sogar mehr als im Cupula. Dies erklärt, warum eine kleine Menge an Alkohol am Morgen den Schwindel und die Übelkeit lindert, denn es gleicht die Differenz des Alkoholgehaltes im Cupula und Endolymphe aus.

↑ Kathleen Cullen and Soroush Sadeghi (2008). "Vestibular System". Scholarpedia 3(1):3013.
↑ M Goldberg, VJ Wilson, KE Cullen and DE Angelaki (2012). "The Vestibular System: a Sixth Sense". Oxford University Press, USA.
↑ Curthoys IS and Oman CM. “Dimensions of the horizontal semicircular duct, ampulla and utricle in the human.”. Acta Otolaryngol, 103:254–261, 1987.
↑ Della Santina CC, Potyagaylo V, Migliaccio A, Minor LB, Carey JB. “Orientation of Human Semicircular Canals Measured by Three-Dimensional Multi-planar CT Reconstruction.”. J Assoc Res Otolaryngol, 6(3):191-206, 2005.

[1] Kathleen Cullen and Soroush Sadeghi (2008). "Vestibular System". Scholarpedia 3(1):3013.

[2] M Goldberg, VJ Wilson, KE Cullen and DE Angelaki (2012). "The Vestibular System: a Sixth Sense". Oxford University Press, USA.

[3] Curthoys IS and Oman CM. “Dimensions of the horizontal semicircular duct, ampulla and utricle in the human.”. Acta Otolaryngol, 103:254–261, 1987.

[4] Della Santina CC, Potyagaylo V, Migliaccio A, Minor LB, Carey JB. “Orientation of Human Semicircular Canals Measured by Three-Dimensional Multi-planar CT Reconstruction.”. J Assoc Res Otolaryngol, 6(3):191-206, 2005.

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