Informatie

Wanneer is het buitenoor van zoogdieren geëvolueerd?


Alle Eutheria en Metatheria hebben uitwendige oren, en voor zover ik heb ontdekt, hadden monotremes ze ooit ook, dus ze lijken universeel te zijn voor zoogdieren. Hadden andere synapsiden ze ook?

Ik weet dat zacht weefsel niet goed fossiliseert, maar is er geen andere manier om daar achter te komen, zoals spieraanhechting? Heeft het iets te maken met de gehoorbeenderen van zoogdieren?


Ja, er wordt aangenomen dat het verband houdt met de botten van het binnenoor van zoogdieren. Omdat ze als versterkers werken, hebben de zwakke geluiden die door het uitwendige oor worden verzameld een groter voordeel. Maar echt vroege zoogdieren vertonen veel aanpassingen dat ze heel weinig afhankelijk waren van zicht en veel van horen. Externe oren zijn misschien niet gunstig genoeg, tenzij u echt op gehoor vertrouwt. De enige andere gewervelde dieren die zo afhankelijk zijn van het gehoor, de uilen, hebben ook externe structuren om geluid te helpen verzamelen.

Het feit dat beide zich in hetzelfde stadium ontwikkelden, is indirect bewijs dat ze ook met elkaar verbonden kunnen zijn.


Onderzoekers onthullen hoe het gehoor is geëvolueerd

Longvissen en salamanderoren zijn goede modellen voor verschillende stadia van oorontwikkeling bij deze vroege gewervelde landdieren. Twee nieuwe studies gepubliceerd in de tijdschriften Proceedings van de Royal Society B en The Journal of Experimental Biology laten zien dat longvissen en salamanders kunnen horen, ondanks dat ze geen uitwendig oor of trommelvlies hebben. De studie geeft daarom aan dat de vroege gewervelde landdieren ook konden horen voordat ze het trommelvlies ontwikkelden. De onderzoeksresultaten geven dus meer kennis over de ontwikkeling van het gehoor 250-350 miljoen jaar geleden.

De fysieke eigenschappen van lucht en weefsel zijn heel verschillend, wat in theorie betekent dat tot 99,9% van de geluidsenergie wordt gereflecteerd wanneer geluidsgolven dieren via de lucht bereiken. Bij mensen en veel andere gewervelde landdieren kan het oor in drie delen worden verdeeld: het buitenoor, het middenoor en het binnenoor. Het uitwendige oor vangt geluidsgolven op en leidt ze naar de gehoorgang. In het middenoor worden drukschommelingen in de lucht via het trommelvlies (trommelvlies) en een of drie kleine botjes (gehoorbeentjes) overgedragen op vloeistofbewegingen in het binnenoor, waar de omzetting van geluidsgolven in zenuwsignalen plaatsvindt. Het trommelvlies in het middenoor verbetert de overdracht van geluidsenergie van de omgeving naar de sensorische cellen in het binnenoor tot wel 1000 keer en is daarom erg belangrijk voor het gehoor bij gewervelde landdieren. Dit komt tot uiting in het feit dat verschillende configuraties worden gevonden in de overgrote meerderheid van de huidige landzoogdieren, vogels, reptielen en amfibieën. Beschikbare paleontologische gegevens geven echter aan dat het trommelvlies hoogstwaarschijnlijk is geëvolueerd in het Trias, ongeveer 100 miljoen jaar na de overgang van de gewervelde dieren van een aquatische naar een terrestrische habitat tijdens het Vroege Carboon. De gewervelde dieren zouden dus de eerste 100 miljoen jaar op het land doof kunnen zijn geweest.

Het is natuurlijk niet mogelijk om het gehoor van de vroege gewervelde landdieren, die lang geleden zijn uitgestorven, te bestuderen. Door het gehoor van hedendaagse gewervelde dieren met een vergelijkbare oorstructuur te bestuderen, is het echter mogelijk om meer te weten te komen over het gehoor van de vroege gewervelde landdieren en de ontwikkeling van horen vanuit de lucht. Een team van Deense onderzoekers van de Universiteit van Aarhus, het Universitair Ziekenhuis van Aarhus en de Universiteit van Zuid-Denemarken bestudeerde daarom het gehoor van longvissen en salamanders, die een oorstructuur hebben die vergelijkbaar is met die van verschillende soorten vroege gewervelde landdieren.

Ze bestudeerden het gehoor van longvissen en salamanders door gehoorzenuwsignalen en neurale signalen in de hersenstam te meten als functie van geluidsstimulatie op verschillende frequenties en op verschillende niveaus. Verrassend genoeg toonden de metingen aan dat niet alleen de terrestrische volwassen salamanders, maar ook de volledig in het water levende juveniele salamanders - en zelfs de longvissen, die volledig slecht zijn aangepast aan het horen vanuit de lucht - in staat waren om luchtgeluid te detecteren ondanks het feit dat ze geen trommelvlies hadden. middenoor. Door het trillingsgevoel van de dieren te bestuderen, konden de onderzoekers aantonen dat zowel longvissen als salamanders geluid detecteren door de trillingen te voelen die worden veroorzaakt door geluidsgolven.

De resultaten laten zien dat zelfs gewervelde dieren zonder buiten- en middenoren in staat zijn om luchtgeluid te detecteren. Dit betekent dat de aanpassing aan het horen vanuit de lucht na de overgang van een aquatische naar een aardse levensstijl tijdens het Vroege Carboon vermoedelijk een geleidelijk proces was, en dat de vroege gewervelde landdieren zonder trommelvliesmiddenoren de eerste 100 miljoen jaar op het land niet doof waren voor luchtgeluid. De resultaten maken ons niet alleen wijzer over het gehoor in het algemeen, maar kunnen in de toekomst ook inspiratie bieden voor de ontwikkeling van klinische behandelingen voor gehoorverlies.


Mysterie van zoogdieroren opgelost

Een 30-jarig wetenschappelijk debat over hoe gespecialiseerde cellen in het binnenoor geluid bij zoogdieren versterken, lijkt volgens onderzoekers van het St. Jude Children's Research Hospital meer in het voordeel van stuiterende cellichamen dan trillende, haarachtige trilhaartjes.

De bevinding zou kunnen verklaren waarom honden, katten, mensen en andere zoogdieren zo'n gevoelig gehoor hebben en onderscheid kunnen maken tussen frequenties. Het werk benadrukt ook het belang van fundamenteel gehooronderzoek in studies naar de oorzaken van doofheid.

"Onze ontdekking helpt bij het verklaren van de mechanica van horen en wat er mis kan gaan bij sommige vormen van doofheid", zegt Jian Zuo, Ph.D., senior auteur van de paper en geassocieerd lid van de St. Jude Department of Developmental Neurobiology. "Er zijn verschillende oorzaken voor gehoorverlies, waaronder bijwerkingen van chemotherapie voor kanker. Een sterk punt van St. Jude is dat onderzoekers de mogelijkheid hebben om enkele zeer basale vragen te stellen over hoe het lichaam werkt, en die antwoorden vervolgens te gebruiken om op te lossen medische problemen in de toekomst."

Het al lang bestaande argument draait om buitenste haarcellen, staafvormige cellen die reageren op geluidsgolven. Deze buitenste haarcellen bevinden zich in het met vloeistof gevulde deel van het binnenoor dat het slakkenhuis wordt genoemd en hebben plukjes haarachtige trilhaartjes die in de vloeistof uitsteken. De aanwezigheid van buitenste haarcellen zorgt ervoor dat zoogdieren meer dan 100 keer beter kunnen horen dan wanneer de cellen afwezig waren.

Terwijl geluidsgolven met honderden mijlen per uur het binnenoor binnenstormen, genereert hun energie - hoewel deze wordt verdreven door de cochleaire vloeistof - golven in de vloeistof, ongeveer zoals de kleine golven die worden gemaakt door een kiezelsteen die in een vijver wordt gegooid. Deze energie zorgt ervoor dat de haarcelcilia bij zowel zoogdieren als niet-zoogdieren snel heen en weer zwaaien in een gestaag ritme.

Bij zoogdieren trekt het staafvormige lichaam van de buitenste haarcel samen en trilt dan als reactie op de geluidsgolven, waardoor het geluid wordt versterkt. In een eerdere studie toonden Zuo en zijn collega's aan dat een eiwit genaamd prestin de motor is in de buitenste haarcellen van zoogdieren die deze samentrekking veroorzaakt. En daar begint het debat.

Terwijl zowel zoogdieren als niet-zoogdieren trilhaartjes hebben op hun buitenste haarcellen, hebben alleen de buitenste haarcellen van zoogdieren prestin, dat deze cellulaire samentrekking of somatische beweeglijkheid aanstuurt. De samentrekking trekt de plukjes trilhaartjes naar beneden, waardoor de kracht van hun vibratie wordt gemaximaliseerd. Bij zoogdieren trillen zowel de trilhaartjes als de cel zelf. Tot dusverre was de vraag of de trilhaartjes de belangrijkste motor zijn voor geluidsversterking bij zowel zoogdieren als niet-zoogdieren.

Een groep wetenschappers gelooft dat somatische beweeglijkheid in de buitenste haarcellen van zoogdieren eenvoudigweg een manier is om de hoogte van de trilhaartjes in de vloeistof te veranderen om de kracht waarmee de trilhaartjes oscilleren te maximaliseren. Dat zou op zijn beurt het geluid versterken. Een tegengestelde groep wetenschappers beweert dat hoewel de vibratie van het buitenste haarcellichaam zelf - somatische beweeglijkheid - de vibratie van de trilhaartjes maximaliseert, het cellichaam onafhankelijk van zijn trilhaartjes werkt. Dat wil zeggen, vibratie van de zoogdiercel domineert het werk van het versterken van geluid bij zoogdieren.

"Als somatische beweeglijkheid de dominante kracht is voor het versterken van geluid bij zoogdieren, zou dit betekenen dat prestin de reden is dat zoogdieren geluid zo efficiënt versterken," zei Zuo.

In de huidige studie voerden Zuo en zijn team een ​​complexe reeks onderzoeken uit die bij zoogdieren aantoonden dat de rol van somatische mobiliteit, aangedreven door prestin, niet alleen is om de reactie van de trilharen van de buitenste haarcellen op binnenkomende geluidsgolven in de cochlea-vloeistof te wijzigen. . In plaats daarvan lijkt somatische motiliteit zelf het amplificatieproces in het slakkenhuis van zoogdieren te domineren, terwijl de trilharen de amplificatie domineren bij niet-zoogdieren.

Zuo's team profiteerde van een eerder ontdekte gemuteerde vorm van prestin die de buitenste haarcellen niet doet samentrekken als reactie op binnenkomende geluidsgolven zoals normale prestin doet. In plaats daarvan zorgt de gemuteerde vorm van prestin ervoor dat de cel zichzelf uitbreidt wanneer deze trilt.

De St. Jude-onderzoekers redeneerden dat als het veranderen van de positie van de trilharen in de vloeistof het vermogen van de trilhaartjes om geluid te versterken verandert, het gehoor zou moeten worden aangetast wanneer de gemuteerde prestin ervoor zorgde dat de cel zichzelf uitbreidde. Daarom ontwikkelde het team een ​​lijn van genetisch gemodificeerde muizen die alleen mutant prestin in hun buitenste haarcellen droegen. De onderzoekers testten vervolgens de reacties van de dieren op geluid.

De resultaten van de onderzoeken toonden geen verandering in het gehoor, wat suggereerde dat het er niet toe deed of de buitenste haarcellen zich samentrokken of uitzetten, dat wil zeggen, de trilhaartjes verhoogd of verlaagd. Er was geen effect op de versterking. De onderzoekers concludeerden dat somatische beweeglijkheid niet alleen een manier was om de trilhaartjes hun werk beter te laten doen, er is geen verband tussen de contracties van de haarcellen en hoe de trilhaartjes hun werk doen. In plaats daarvan is somatische beweeglijkheid, gegenereerd door prestin, de sleutel tot het superieure gehoor van zoogdieren.

Een rapport over dit werk verschijnt in het geavanceerde online nummer van "Proceedings of the National Academy of Science."

Andere auteurs van deze studie zijn Jiangang Gao, Xudong Wu en Manish Patel (St. Jude) Xiang Wang, Shuping Jia en David He (Creighton University, Omaha, Neb.) Sal Aguinaga, Kristin Huynh, Keiji Matsuda, Jing Zheng, MaryAnn Cheatham en Peter Dallos (Northwestern University, Evanston, Illinois).

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door ALSAC, het Hugh Knowles Center en de National Institutes of Health.

Verhaalbron:

Materialen geleverd door St. Jude Children's Research Hospital. Opmerking: inhoud kan worden bewerkt voor stijl en lengte.


Menselijk oor

Onze redacteuren zullen beoordelen wat je hebt ingediend en bepalen of het artikel moet worden herzien.

menselijk oor, gehoor- en evenwichtsorgaan dat geluid detecteert en analyseert door transductie (of de omzetting van geluidsgolven in elektrochemische impulsen) en het evenwichtsgevoel handhaaft (evenwicht).

Het menselijk oor bevat, net als dat van andere zoogdieren, zintuigen die twee heel verschillende functies hebben: dat van gehoor en dat van houdingsevenwicht en coördinatie van hoofd- en oogbewegingen. Anatomisch gezien heeft het oor drie te onderscheiden delen: het buiten-, midden- en binnenoor. Het buitenoor bestaat uit het zichtbare gedeelte dat de oorschelp of oorschelp wordt genoemd en dat uitsteekt vanaf de zijkant van het hoofd, en de korte uitwendige gehoorgang, waarvan het binnenste uiteinde wordt afgesloten door het trommelvlies, gewoonlijk het trommelvlies genoemd. De functie van het uitwendige oor is om geluidsgolven op te vangen en deze naar het trommelvlies te leiden. Het middenoor is een smalle met lucht gevulde holte in het slaapbeen. Het wordt overspannen door een ketting van drie kleine botten - de hamer (hamer), incus (aambeeld) en stapes (stijgbeugel), gezamenlijk de gehoorbeentjes genoemd. Deze gehoorbeentjesketen geleidt geluid van het trommelvlies naar het binnenoor, dat sinds de tijd van Galenus (2e eeuw gt) bekend staat als het labyrint. Het is een gecompliceerd systeem van met vloeistof gevulde doorgangen en holtes die zich diep in het keiharde rotsachtige deel van het slaapbeen bevinden. Het binnenoor bestaat uit twee functionele eenheden: het vestibulaire apparaat, bestaande uit de vestibule en halfcirkelvormige kanalen, die de sensorische organen van het houdingsevenwicht bevatten en het slakkenhuisachtige slakkenhuis, dat het sensorische gehoororgaan bevat. Deze sensorische organen zijn zeer gespecialiseerde uiteinden van de achtste hersenzenuw, ook wel de nervus vestibulocochlearis genoemd.


Evolutie van het middenoor van zoogdieren

Vraag een willekeurig schoolkind wat een zoogdier anders maakt dan een niet-zoogdier, en ze kunnen het hebben over vacht, borstklieren, levendgeborenen en warmbloedigheid. Afgezien van de uitzonderingen die men zou verwachten voor een biologische regel (vogelbekdier en echidnae leggen eieren, vogels zijn warmbloedig), zijn deze kenmerken van zacht weefsel niet altijd nuttig voor paleontologen, aangezien ze zelden of nooit in fossielen worden bewaard. Als je echter een student van de evolutie van zoogdieren zou vragen, zouden ze waarschijnlijk ook het nieuwe kaakgewricht van zoogdieren en de middenoorketen met drie gehoorbeentjes omvatten, die contrasteert met het ene bot in andere amnioten zoals reptielen en vogels. Misschien verrassend genoeg zijn de extra middenoorbotten de herbestemde kaakgewrichtsbotten van niet-zoogdieren. Het bewijs hiervoor kan worden gevolgd door een aantal tussenvormen in het fossielenbestand van Mesozoïcum voorouderlijke zoogdieren. Dit is een schoolvoorbeeld geworden van een evolutionaire transitie. Verschillende belangrijke groepen Mesozoïsche voorouders van zoogdieren hadden zowel het nieuwe zoogdierkaakgewricht als een oud niet-zoogdiergewricht dat een dubbele rol speelde in zowel de kaak als het oor, bekend als een gedeeltelijk zoogdiermiddenoor. Een van de laatste anatomische veranderingen die leidden tot het definitieve zoogdiermiddenoor uit de dubbele gewrichten van deze primitieve zoogdieren, was het loslaten van het oude kaakgewricht van de onderkaak door het verlies van het Meckel-kraakbeen dat de hamer met de onderkaak verbond. Deze laatste stap resulteerde in het definitieve zoogdiermiddenoor. De ontwikkeling van het middenoor van zoogdieren weerspiegelt de evolutionaire overgang, aangezien de hamer en het aambeeld zich aanvankelijk ontwikkelen als onderdeel van de onderkaak en laat in de ontwikkeling scheiden.

Deel

Kopieer de link

We hebben zojuist een artikel gepubliceerd in Natuurecologie en evolutie dat gebruik maakt van moderne vergelijkende ontwikkelingsbiologie die onthult dat de activiteit van bot- en kraakbeenetende clastcellen een sleutelmechanisme is waardoor het middenoor zich van de kaak scheidt, wat de evolutie van het definitieve zoogdiermiddenoor mogelijk maakt.

Ik raakte voor het eerst geïnteresseerd in de evolutie van de kaak en het oor van zoogdieren tijdens mijn promotieonderzoek toen ik de ontwikkeling van het mandibulaire skelet van de muis bestudeerde. Uiteindelijk wonnen mijn PI Abigail Tucker en ik de financiering waarmee we ons onderzoek naar het oor en de kaak vanuit een evo-devo-perspectief konden voortzetten. Kort nadat ons werk was begonnen, ontdekten we dat Karen Sears en haar toenmalige PhD-student Dan Urban in Urbana, Illinois ook een vergelijkbare aanpak volgden en dus besloten we in plaats van te concurreren allemaal dat we moesten samenwerken. In de twee laboratoria hebben we de ontwikkeling van het middenoor en de kaak bestudeerd bij muizen, opossum en verschillende reptielensoorten. Het geluk betekende dat Zhe-Xi Luo, een paleontoloog in Chicago met een expertise in de evolutie van zoogdieren, aan boord kon worden gehaald, aangezien hij al optrad in de proefschriftcommissie voor Dan's PhD. We hadden daarom een ​​geweldig team van ontwikkelings- en evolutiebiologen samengesteld om deze fascinerende vraag te beantwoorden.

In Londen had ik histologische secties van Meckel's kraakbeen bij muizen bestudeerd in de tijd dat het afbreekt, in een poging te begrijpen hoe dit gebeurt. Het leek waarschijnlijk dat clastcellen, die de extracellulaire matrix van bot en kraakbeen opeten als onderdeel van normale hermodellering tijdens ontwikkeling en homeostase, een belangrijke rol speelden.

We zochten naar deze cellen in twee soorten zoogdieren, een placenta (muis) en een buideldier (opossum), en in niet-zoogdieren, korenslangen en gekko's. Bevredigend is dat, terwijl we de clastcellen aan het werk konden zien op het kraakbeen van Meckel tijdens de afbraak ervan in muizen en opossums, ze niet werden gevonden in het kraakbeen van beide reptielen. Als zodanig concludeerden we dat clastcellen een belangrijke speler zijn in de scheiding van het middenoor van de onderkaak.

Als ontwikkelingsbiologen breken we graag dingen om te zien hoe ze werken, dus we keken in een transgene muis die een gen miste genaamd cFos. Dit gen heeft veel taken, waaronder het optreden als een belangrijk onderdeel van het clastceldifferentiatieproces, enzovoort cFos null-muizen kunnen geen clastcellen maken. Gelukkig (voor ons) was er geen afbraak van MC bij deze muizen toen we in vroege postnatale stadia keken. Om er zeker van te zijn dat dit niet te wijten was aan een algemene vertraging in de ontwikkeling - deze muizen zijn vrij klein - hebben we enkele dieren tot volwassen stadia gezoogd. Dit omvatte het voeren van een zacht dieet aan de muizen, omdat het gebrek aan clastcellen betekent dat de tanden niet vanuit het onderkaakbeen konden doorbreken. Verbazingwekkend, toen we in volwassen keken cFos nul-muizen, ontdekten we dat niet alleen het kraakbeen van de Meckel bleef plakken, maar dat het ook verbeend leek te zijn. Dit impliceerde dat de takken van de primitieve zoogdieren die aanleiding gaven tot moderne zoogdieren, ook die dieren waren met een verbeend kraakbeen.

Ondertussen waren Karen en haar team in Illinois in staat om deze bevindingen te repliceren door opossum-pups te behandelen met een osteoporose-behandelend medicijn dat de activiteit van clastcellen remt. We zouden daarom kunnen bewijzen dat dit mechanisme bij alle zoogdieren aanwezig is. Ten slotte hielp Luo ons om onze gemuteerde muizen zorgvuldig te vergelijken met het fossielenbestand. Hierdoor konden we aantonen dat de mutanten niet alleen leken op de fossielen in de persistentie van het kraakbeen van de Meckels, maar ook in de groef die het kraakbeen verlaat op het binnenoppervlak van het onderkaakbeen. Deze groef wordt veel vaker gevonden in fossielen dan een verbeende Meckel, die erg dun kan zijn en daarom gemakkelijk verloren gaat.

Door samen te werken in drie verschillende instellingen in twee landen, toonde ons team de kracht van samenwerkingen met andere disciplines en expertise. Ten slotte laten we ook zien dat de ouderwetse morfologische en paleontologische benadering sterk kan worden geïnformeerd door modernere natte-labbenaderingen.


Invoering

Psychoakoestische en gedragsexperimenten 1, 2 vertonen een duidelijke frequentieafhankelijkheid van de gehoorgevoeligheid van zoogdieren 3,4,5,6 (Fig. 1). Meer dan een decennium lang is de biofysische oorsprong van deze afhankelijkheid nu een onderwerp van discussie gebleven 3, 7,8,9,10 , ondanks de grote ontwikkeling van meet- en modelleringstechnologieën. Om psycho-akoestische rechtstreeks te vergelijken met biofysische resultaten - wat over het algemeen wordt gedaan en wat we hieronder zullen doen - zou het auditieve signaal langs het auditieve pad ongewijzigd moeten blijven.Dit is verre van vanzelfsprekend, maar recent 11 is aangetoond dat het auditieve pad deze eigenschap kan bereiken door substantieel gebruik te maken van stochastische resonantie in de auditieve vezels. Hier laten we zien dat hetzelfde mesoscopische niet-lineaire fysica-model van het slakkenhuis van zoogdieren dat met succes andere uitdagende gehoorverschijnselen 12,13,14,15,16 heeft gereproduceerd, ook een verklaring kan bieden voor de waargenomen gevoeligheidsafhankelijkheid van frequentie.

Gedragsaudiogrammen van prairiehond 52 , olifant 53 , maki 54 , huiskat 55 , psychoakoestische gehoordrempel van de mens 4 , witsnuitdolfijn 56 (verzachte gegevens), valse orka 57 , van boven naar beneden, gesorteerd op de minima van de curve. De volledige extensie van het audiogram werd niet in alle gevallen gebruikt. Referentie geluidsdruk P 0 = 20 μVader.

Laten we kort de belangrijkste controverses samenvatten die aan dit debat ten grondslag liggen. Eén gezichtspunt komt voort uit het volgen van de meest directe manier om deze vraag te benaderen, door de gehoorsensor op te vatten als samengesteld uit een resonator (buitenoor), een impedantie-aanpasser (middenoor) en een Fourier-analysator van het auditieve signaal (binnenoor), respectievelijk (zie de referenties gegeven in de corresponderende discussie in ref. 3). Het uitwendige oor wordt gewoonlijk gemodelleerd door een halfgesloten cilinder 17, 18 van ongeveer 30 mm. Dit leidt tot een resonantie in het bereik van 3 kHz als de eerste, en de tweede bij drievoudige frequentie-effecten die inderdaad worden waargenomen in meetgegevens (zie figuren 1 en 3). Het modelleren van de invloed van het middenoor in dit proces is uitdagender vanwege de aanwezigheid van aanvullende, complicerende mechanische en ruimtelijke elementen (zie refs 19,20,21). De algehele respons van het gehoorpad wordt dan verkregen door een sommatie uit te voeren over de corresponderende individuele logaritmische responsen. Met de ontwikkeling van experimentele technieken zou deze benadering kunnen worden gekalibreerd met gemeten diergegevens. Op deze manier konden kwalitatieve aspecten van de gedragsgegevens (Fig. 1) worden gereproduceerd voor sommige zoogdieren (bijvoorbeeld voor het menselijk gehoor 10, 22), terwijl voor een aantal andere zoogdieren de benadering tot nu toe niet succesvol lijkt te zijn geweest 3 . Uit een meer recente analyse van Ruggero . komt een afwijkend standpunt naar voren et al. 3, die de gegevens van de middenooroverdrachtsfunctie opnieuw evalueerde, kwamen tot het resultaat dat een aantal dierlijke middenooroverdrachtsfuncties een veel breder interval lijken te bestrijken dan hun werkelijke gehoorfrequentie-interval (zie de bespreking en de overeenkomstige figuren in ref. 3, en verdere verwijzingen daarin). Dit bracht deze auteurs tot de conclusie dat het binnenoor "een cruciale rol zou kunnen spelen bij het bepalen van de frequentielimieten..." , gerbil, cavia, hoefijzervleermuis, duif en schildpad zullen worden bevestigd..” 3 . Een aantal daaropvolgende biologische metingen en eindige-elementensimulaties lijken het gebrek aan frequentiespecificiteit van het buiten- en middenoor te ondersteunen (bijv. respectievelijk refs 23, 24 en 25). Voor het gemak van de lezer worden de gegevens die aan deze visie ten grondslag liggen voor het voorbeeld van het hoorsysteem van de Gerbil gepresenteerd in onze Suppl. Mat. sectie I. Deze resultaten zijn echter in twijfel getrokken (zie ref. 7 en de discussie in ref. 24). De hoofdrol bij het vormgeven van gehoorgevoeligheid lijkt vaak nog steeds te worden toegeschreven aan het buiten- en middenoor.

In dit dispuut, ongeacht welke argumenten uiteindelijk zullen prevaleren, ontbreekt nog een kritische analyse van de rol van het actieve binnenoor, en de tot dusver uitgevoerde analyse moet dan ook als onvolledig worden beschouwd. We dragen bij aan het debat door te onderzoeken of, en zo ja, onder welke omstandigheden, een gevestigd model van het slakkenhuis de waargenomen frequentieafhankelijkheid überhaupt zou kunnen reproduceren.

Het biofysisch gedetailleerde differentiaalvergelijkingsmodel van het slakkenhuis dat we hieronder gebruiken om deze vraag te beantwoorden 26 is gebaseerd op een ondiepe vloeistofgolf die zich voortplant langs het basilair membraan (BM), beschreven door vloeistof- en BM-massadichtheid, diepte van het cochleaire vloeistofkanaal, BM stijfheid en oppervlaktespanning. Aan deze passieve eigenschappen wordt actieve amplificatie die in het slakkenhuis wordt gevonden, toegevoegd in de vorm van buitenste haarceldynamica beschreven op een mesoscopisch niveau 26 in termen van de Hopf kleine signaalversterkereigenschap 27,28,29,30,31. Een micro-elektromechanisch model van de ingebedde haarceldynamiek, dat het hele gehoorbereik van zoogdieren zou verklaren, ontbreekt momenteel nog. Dit is echter niet schadelijk, aangezien het onderliggende Hopf-model voor een klein signaalversterker, waarvan is aangetoond dat het het werkingsprincipe is van verschillende implementaties van het horen van dieren (bijvoorbeeld de sacculus van de kikker 32,33,34 of de antennes van Drosophila 35, 36), kan natuurlijk worden geïmplementeerd in het biofysische raamwerk en kan direct dienen voor het implementeren van de biofysisch waargenomen amplificatierespons.

Onze biofysische beschrijving is van generalistische aard. Het kan eenvoudig worden gespecificeerd om generalistische of specialistische gehooreigenschappen te implementeren, evenals om defecte gehooreigenschappen te implementeren (zie bijvoorbeeld ref. 37). Bovendien kan het direct worden vertaald in een computationeel geoptimaliseerde vorm waarbij het onderliggende differentiaalvergelijkingsmodel wordt gediscretiseerd in een reeks serieel verbonden cochlea-secties. Een sectie, zie Fig. 2, omvat de frequentiespecifieke amplificatie door een stukje van het basilair membraan met aangehechte buitenste haarcellen omgeven door de cochleaire vloeistof. In de sectie wordt een lange lijst van lokale of microscopische parameters (relevant voor het beschrijven van de gedetailleerde passieve aspecten van het slakkenhuis of micro-elektrisch-mechanisch van actieve versterking) samengevouwen in twee parameters per sectie, de Hopf-bifurcatieparameter μ (c.f. Suppl. Mat. II) en de voorkeursfrequentie van de sectie. In het menselijke geval (een hoorgeneralist, zie hieronder), zijn de frequenties bij voorkeur logaritmisch verdeeld. Deze implementatie wordt volledig beschreven, bijvoorbeeld in het supplement van ref. 16, zie ook refs 12,13,14,15,16.

Cochlea-sectie van een Hopf-cochlea bestaande uit verschillende in serie verbonden secties. Een complex (reëel en denkbeeldig deel) signaal uit een eerdere sectie (geïndexeerd door J − 1) komt in de volgende sectie (geïndexeerd door J). Signaalcomponenten die dicht bij de karakteristieke frequentie (_ liggen)^<(j)>) van de Hopf-versterker J worden het sterkst versterkt en kunnen op dit punt worden afgelezen, waar de maximale versterking wordt bepaald door de Hopf-parameter μ (J) . Vervolgens wordt de signaalcomponent gedempt door een laagdoorlaat Butterworth-filter, terwijl geluidscomponenten van lagere frequenties worden doorgegeven aan de volgende sectie (_^<(j+mathrm<1)>>) (zie tekst). Het niet-lineaire karakter van de versterking leidt tot allerlei verschijnselen die bekend zijn uit experimenten met het menselijk gehoor (zie onze suppl. Mat. III).

Het is aangetoond dat de verkregen sensor alle waargenomen opvallende niet-lineaire effecten van het gehoor van zoogdieren reproduceert, van frequentie- en stimulatiesterkteafhankelijke versterkingsprofielen, tot de juiste combinatietoongeneratie, tot de verschijnselen van toonhoogteperceptie (pitch shift-effect, luidheid-afhankelijkheid van toonhoogte). Gedetailleerde vergelijkingen van biofysische kerngegevens met de overeenkomstige gegevens van het Hopf-slakkenhuis werden verschaft in eerdere publicaties 13, 15 en in het bijzonder in de aanvullende materialen van referenties 16 en 38. Voor het gemak is een verzameling opvallende vergelijkingen tussen de biofysische gegevens en overeenkomstige resultaten van ons model worden geleverd in onze Suppl. Mat. III.

Hopf-versterkers kunnen worden afgestemd op een hogere of lagere gevoeligheid door hun Hopf-parameters respectievelijk dichter of verder weg van het Hopf-bifurcatiepunt aan te passen. De gehoorkenmerken van een soort worden op dit niveau gekenmerkt door een lijst met voorkeursfrequenties en de "normale" gevoeligheden van de secties. Reeds in ref. 26 werd aangetoond dat voor een mensachtig gehoor, een down-tuning van de gevoeligheden van de Hopf-versterkers naar meer apicale frequenties passend zou zijn, waar een analytische uitdrukking werd verschaft. In het biologische voorbeeld kan de versterkergevoeligheid bovendien tot op zekere hoogte worden gemoduleerd door efferente verbindingen. In ref. 39 (zie onze Suppl. Mat. II), hebben we aangetoond dat deze eigenschap waarschijnlijk een belangrijk ingrediënt is van auditieve bronscheiding in het biologische voorbeeld, en hoe dit mechanisme, dat onze sensor van een "hoorder" in een "luisteraar" verandert, , kan gemakkelijk worden geïmplementeerd binnen het huidige kader. Vergelijkend gehooronderzoek onthult voor auditief specialisten een geweldige frequentieoptimalisatie van de BM-plaats-frequentiekaart, waar generalisten een veel vloeiendere variatie laten zien. Beide categorieën wijken echter af van de puur exponentiële afhankelijkheid 40 die verenigbaar zou zijn met een cochlea waar alle Hopf-parameters dezelfde waarde hebben (een "flat-tuned" cochlea) op een logaritmische frequentie-afstand. Het feit dat dieren van variabele grootte (fret, olifant) aanzienlijk lagere gehoorfrequentiegrenzen hebben in vergelijking met mensen, wijst op afstemming als een uitdrukking van evolutionaire aanpassing van de verschillende soorten, in plaats van op beperkingen die worden veroorzaakt door de mechano-elektrische OHC en haarbundel ontwerp. Bovendien kunnen soortspecifieke benadrukte frequentie-intervallen het gevolg zijn van neurale conditionering, waardoor efferente verbindingen kunnen worden ontworpen of geleerd om respectievelijk gewenste en ongewenste frequentiebereiken te versterken of te onderdrukken 39 . Er wordt een zacht verval van de endocochleaire potentiaal langs het kanaal van het slakkenhuis waargenomen (waarvan kan worden verwacht dat het de efficiëntie van de buitenste haarcellen negatief beïnvloedt (bijv. ref. 41)) en veranderingen in de micromechanische eigenschappen langs het kanaal van het slakkenhuis 42 lijken in dit verband van ondergeschikt belang. Deze genoemde observaties laten echter zien dat in de context van niet-lokale aspecten van het slakkenhuis, zoals de frequentieafhankelijkheid van de gehoordrempel over het hele gehoorbereik, een afstemming van de versterking langs het slakkenhuis moet worden overwogen. In een cochlea-model gebaseerd op Hopf-versterkers konden 'afgestemde' versterkingsprofielen op twee manieren worden verkregen: door een gewijzigde dichtheid van OHC met dezelfde versterkingssterkte (biologisch zien we een verlaagde OHC-dichtheid naar de apex toe), of door de afstemming van de gevoeligheid van de versterkers. In de context van de mesoscopische benadering die in onze modellering is gevolgd, is een afstemming van de gevoeligheid de eenvoudigere oplossing. In het volgende hebben we een afstemming gebruikt die wordt gesuggereerd door de schatting in ref. 26 waarvan werd aangetoond dat het een nauwkeurige reproductie gaf van de 43 pitch shift-experimenten van Smoorenburg 15 . Bij een dergelijke afstemming blijven eerdere waarnemingen met betrekking tot lokale versterking, combinatietoonverval, fasegedragsprocessie langs het slakkenhuis en geluidselectiviteit door afstemming 15 geldig (zie onze suppl. Mat. III).

Om ons model in de context van psychoakoestische gehoorexperimenten te plaatsen, gaan we uit van het volgende: als voor het slakkenhuis een Hopf-parameter rond (mu simeq -0.2) wordt gekozen en als ongeveer −114 dB invoer naar het Hopf-slakkenhuis aangenomen om overeen te komen met 0 dB SPL in de biologie 15 , reproduceren de lokale versterkingsresponscurves van het Hopf-slakkenhuis op betrouwbare wijze het gedrag van de prominente biofysische voorbeelden verkregen bij hoge tot centrale gehoorfrequenties bij matige geluidsdrukniveaus 41, 44 , gegeven een "natuurlijke" discretisatie van het slakkenhuis 16 . Een 10 dB SPL-ingang, die de gehoordrempel voor het meest gevoelige deel van het menselijke frequentiebereik 15 karakteriseert, komt dan overeen met een -104 dB-ingang naar het Hopf-slakkenhuis, wat leidt tot een respons van ongeveer -50 dB. Het is daarom natuurlijk om een ​​knooppunt te definiëren dat moet worden 'geactiveerd' als het versterkte signaal (van een willekeurig ingangssignaal) het knooppunt bereikt boven een drempel van −50 dB (de gehoordrempel van het model). Andere keuzes van de drempel binnen een bandbreedte van ± 10 dB (inclusief, in het bijzonder, de -53 dB-waarde die is gebruikt voor de reproductie van de experimentele gegevens van gehoorexperimenten met combinatie van tonen in ref. 15), hadden geen invloed op een van de de volgende resultaten. Voor onze experimenten hebben we het Hopf-slakkenhuis gestimuleerd door zuivere toonsignalen van frequentie F, met de amplitude EEN ingesteld op een vooraf gedefinieerd niveau L in dB, d.w.z. EEN = 10 (L/20). Stimulaties met zuivere tonen werden gebruikt omdat ze leiden tot in wezen één geactiveerde locus (eenvoudige niet-zuivere stimuli leiden tot complexe activeringsresponspatronen 16, 45 die moeilijker zijn om mee te werken). Uit een bereik tussen -120 en -10 dB werden stimulatieniveaus geselecteerd in stappen van 1 dB, bij stimulatiefrequenties van een (0,02,20) kHz-interval, met behulp van logaritmische afstanden. Bij elke sectie is het antwoord (R=20,>_<10>(y)) werd gemeten, waarbij ja geeft de maximale amplitude aan van de respons verkregen tijdens de observatietijd. Het ingangsniveau waarvoor de maximale R max in alle secties het dichtst bij −50 dB lag, werd als ingangsniveau voor de gehoordrempel genomen.

Voor onze hoofdexperimenten, een Hopf-cochlea met 31 secties, die 110-19912 Hz omspannen, afgestemd op Hopf-parameters μ bij −0.1 voor de eerste paar secties (codering voor de hoogste frequenties), gevolgd door een gestage afname van −0.0105 per sectie, werd gebruikt (de laatste waarde hangt af van de specifieke discretisatie). Ook werden aangrenzende configuraties getest (bijv. waar een onmiddellijk verval werd geïmplementeerd) ze reproduceerden allemaal het experimentele audiogram van ref. 4 opmerkelijk goed (vgl. Fig. 3).

Grijze curven: gegevens uit Zwicker's publicatie 4, 58, gestippeld gedeelte dat extrapolaties aangeeft. Grijze arcering: waargenomen menselijke variabiliteit. Rode curve: cochlea-respons met biologische afstemming, waarbij de inzet de afstemming van de gebruikte Hopf-parameters weergeeft (zie tekst). Over verstandige afstemmingsvariaties heen is het algehele gedrag opmerkelijk stabiel. Drie hokjes geven gebieden aan langs de cochleaire ductus waar ons model afwijkt van het biologische voorbeeld (zie tekst). Gestippelde verticale lijn: frequentielocatie van het laatste deel van het cochlea-model.

De afwijkingen tussen psychoakoestische metingen en schattingen en onze simulatieresultaten hebben de volgende natuurlijke verklaringen (Fig. 3, kaders van rechts naar links). Bij de hoogste frequenties is een steile stijging van de gehoordrempelcurve aan de basis geschat door ref. 4 (eerste vak, stippellijn). Ons analytische model van het passieve model van het basilaire membraan 26 bevestigt dat opvallende effecten van de BM-aanhechting basaal zijn voor de karakteristieke locus van onze eerste versterker (als betrouwbare biofysische gegevens beschikbaar waren, zou onze computationele benadering kunnen worden aangepast om met dergelijke gegevens rekening te houden ook (zie eerste kader en Fig. 4)). Na gebruik te hebben gemaakt van het volledige interactiebereik - bij de gegeven discretisatie en gevoeligheid van ons Hopf-slakkenhuis, strekt deze invloed zich uit over een bereik van ongeveer 6-8 secties (zie Fig. 5, onderste paneel) - wordt een gebied van optimale gevoeligheid bereikt waar de gedrag voorspeld door ons model wijkt af van het biologische voorbeeld (tweede kader). Deze afwijking is te wijten aan het bekende resonantie-effect door het buiten- en het middenoor, waarvan bekend is dat het bijdraagt ​​aan een stimulerend effect tot 10 dB, beperkt tot het interessegebied rond 4000 Hz 18 . Dit in aanmerking nemen levert een zeer goede overeenkomst op met het biologische voorbeeld. Verder richting de apex neemt de gevoeligheid langzaam af door de afname van de Hopf-gevoeligheid. Voorbij de karakteristieke frequentie van de laatste versterkersectie, wijkt ons model af van het voorbeeld omdat de discretisatie van ons model geen rekening houdt met de meer geleidelijke afname van de amplificatie van het biologische voorbeeld (aangegeven door een verminderd aantal OHC-rijen), derde vak. Voorbij de karakteristieke frequentie van de laatste versterker verdwijnt de versterking dus abrupter dan in het biologische voorbeeld, en het is ook bekend dat naar de top toe de membraantrillingen minder scherp zijn afgestemd 46 . Tegen het fysieke uiteinde van het basilair membraan worden ook andere opvallende effecten verwaarloosd, in het bijzonder het verdwijnende drukverschil tussen de scala media en de scala tympani waarvan moet worden verwacht dat het een sterk effect heeft op de biologische respons. We vermoeden dat als dat frequentiegebied experimenteel zou kunnen worden benaderd (een vrij moeilijke onderneming 47 ), een steile stijging van de curve zou worden waargenomen. Betrouwbare gegevens zijn echter ook in dit geval schaars.

Gevoeligheid aan de randen van het frequentiehoorinterval waaruit blijkt dat de eerste sectie de hoogfrequente respons bepaalt. De respons aan de laagfrequente grens komt echter naar voren als een cumulatief, collectief resultaat dat ook zal worden beïnvloed door grens- en discretisatie-effecten. Gestippelde verticale lijnen geven de locaties van de karakteristieke frequenties van de Hopf-versterkers aan.

Mechanisme dat ten grondslag ligt aan frequentieafhankelijkheid van de gehoordrempel. Onderste paneel: evolutie van het versterkingsprofiel langs het cochleaire kanaal, voor zeven ingangsfrequenties. Bovenste paneel: verkregen gehoordrempel. Voor de duidelijkheid van het effect werd een plat afgestemd slakkenhuis van 29 secties gebruikt. Horizontale gestippelde stippellijn: ingangsamplitude.

De bovenstaande interpretatie kan worden bevestigd door analytische overwegingen die bovendien mooi het fundamentele mechanisme laten zien waarmee de frequentie-afhankelijkheid van de gehoordrempel in ons model wordt verkregen. De Hopf-vergelijking van de complexe-getalnormale vorm, opnieuw geschaald met een karakteristieke hoekfrequentie ω ch en onderworpen aan een sinusoïdaal forceersignaal, (dot=_((mu +i)z-<|z|>^<2>z+F^)) , (zin >) , kan worden herschreven in een coördinatenframe dat roteert met de forcering: (dot=_(mu z-<|z|>^<2>z+F)+i(_-omega )z,) . Ervan uitgaande dat na een tijdelijke periode een 1:1 gesloten oplossing is (bestaan ​​geverifieerd in de numerieke experimenten), z(t) = ae ik is constant in dit coördinatenframe, en men kan een kubische polynoom in . verkrijgen een 2 die kan worden opgelost voor de reële amplitude een 12, 30, 45 . Als alternatief kan men het vergrendelingscriterium scheiden in twee voorwaarden (dot=mu a-^<3>+F,cos ,varphi =0) en (dot=( _-omega )a-_F,sin ,varphi =0) . De eerste voorwaarde is niet direct afhankelijk van ω, maar vanaf de tweede, ervan uitgaande dat (|varphi | o frac<2>) voor groot |ω chω|, we kunnen benaderen

Deze benadering, die een goede overeenkomst vertoont met de volledige analytische oplossing voor kleine negatieve μ en klein forceren F (zie suppl. Mat. II), geeft een duidelijk beeld van de collectieve versterking die verantwoordelijk is voor de zuivere toon gehoordrempelcurve. Om invloeden te concentreren en te scheiden, illustreren we onze argumenten met behulp van een plat afgestemd Hopf-slakkenhuis (d.w.z. een slakkenhuis waarvoor alle Hopf-parameters allemaal dezelfde waarde hebben, μ l = const., l = 1 … 29). Voor ingangsfrequentie (omega ll _) , we hebben een Hopf-responsamplitude eenF. Dit definieert een natuurlijke limiet voor het aantal Hopf cochlea-secties met een hogere frequentie die de versterkingscascade van een ingangssignaal het meest significant beïnvloeden (in onze setting, ongeveer de genoemde 6-8 secties, zie Fig. 5). Over het frequentiebereik dat door die hoogfrequente secties wordt bestreken, neemt de gehoordrempel af vanwege het begin van de versterkingscascade. Nadat het interactiebereik is benut, wordt de maximale gehoorgevoeligheid bereikt en wordt een vlakke gehoordrempelcurve gehandhaafd totdat de karakteristieke frequentie van de laatste sectie is bereikt. Na de laatste cochlea-sectie, als de ingangsfrequentie voorbij de versterkingsenvelop van de laatste cochlea-secties komt, neemt de gehoordrempel weer toe. Dit houdt ook in dat voor zeer lage frequenties de ingangsdrempel van het Hopf-slakkenhuis in het model de vooraf gespecificeerde uitgangsdrempel van −50 dB benadert (d.w.z. eenF).

Op deze manier komt de essentiële frequentie-afhankelijkheid van de gehoordrempel naar voren uit een buurt die voorafgaat aan en inclusief de best passende versterker van de signaalfrequentie. Deze buurt levert het belangrijkste deel van de versterking, waarbij de asymmetrie in frequentie (vgl. Fig. 3, Suppl. Mat. III) het gevolg is van het Butterworth-filter. De verkregen versterking kan worden gewijzigd door een afstemming van de gevoeligheid van de Hopf-versterkers langs het cochleaire kanaal, zoals het geval is bij het menselijk gehoor, waar we een eenvoudige voortdurende neerwaartse regulering van de gevoeligheid waarnemen. Op de hoogfrequente tak versnelt de versterking door steeds meer versterkers van deze buurt te rekruteren, totdat het maximale buurtbereik is bereikt. Na dit punt wordt de langzame ontstemming van de efficiëntie van de versterkers effectief, totdat de signaalfrequentie onder de karakteristieke frequentie van de laatste versterker ligt. Hier begint een de-rekruteringsproces, waarbij alleen de resterende versterkers van de buurt - bij niet-optimale karakteristieke frequenties - nog steeds bijdragen aan de versterking. Omdat ons systeem is gebaseerd op een gedetailleerd model van de fysieke eigenschappen van het binnenoor, verwachten we dat deze verklaring ook geldt voor het biologische voorbeeld.

Hoewel de vragen hoe de microscopische mechano-elektromotiele systemen samenwerken om tot de Hopf-eigenschap 47,48,49 te komen en hoe dit zich vertaalt naar de mesoscopische benadering 50 zelf van groot belang zijn, omvat ons mesoscopische cochlea-model beide effecten binnen zijn Hopf sectie. Het model reproduceert met grote nauwkeurigheid niet alleen de natuurlijk gemeten lokale niet-lineariteiten 13, 38 en de daaruit voortvloeiende opvallende niet-lineaire verschijnselen van het gehoor (zoals de perceptie van toonhoogte), maar ook de afhankelijkheid van de gemeten psychoakoestische gehoordrempel van frequentie. Op dit mesoscopische niveau zien we sterk bewijs voor een potentiële essentiële rol van het binnenoor bij het bepalen van de gevoeligheidsafhankelijkheid van het gehoor van zoogdieren. Terwijl ons model is samengesteld uit identieke versterkers (modulo hun karakteristieke frequenties en μ-waarden), is het hun niet-lineaire interactie die het slakkenhuis bindt aan zijn specifieke, biofysisch en psycho-akoestisch waargenomen frequentiespecifieke gevoeligheid. Deze onbedekte functie is, op een meer globale schaal van het slakkenhuis, een nog fundamentelere manifestatie van niet-lineariteit in het gehoor, vergeleken met het feit dat voor signalen die zijn samengesteld uit verschillende frequenties, combinatietoonlawines ontstaan ​​(zie ref. 16). Onze resultaten benadrukken ook een sterke rol van niet-lineaire dynamiek bij het verklaren en reproduceren van de biologische aard: in ons model reproduceert hetzelfde niet-lineaire principe, uitgedrukt in zijn meest eenvoudige vorm, zonder enige extra inspanning een heel spectrum van voorheen onverklaarde opvallende gehoorverschijnselen (zie onze Aanvulling Mat. III). Dit heeft een aantal voordelen, zowel bij abstracte modellering als bij technische implementaties. Om tot een versterking van binnenkomend geluid op elk gewenst niveau te komen, is alleen een wijziging van de Hopf-parameter nodig, met een veel lagere latentie (vergeleken met de activering van een cascade van lineaire versterkers, waarbij de versterkingssterkte van nature zou worden begrensd door de aantal elementen van de cascade). Een dergelijke afstemming is met name vruchtbaar voor de implementatie van de rol van de biologische efferente verbindingen met het slakkenhuis. Deze verbindingen zijn waarschijnlijk betrokken bij de verbetering van gewenste auditieve objecten uit een auditief landschap, door de verbetering van de corresponderende frequentiekanalen 39 (hoewel we te maken hebben met een niet-lineair systeem). Op een meer algemeen niveau kan de hier gevolgde benadering nieuwe perspectieven openen voor onderzoek en engineering op het gebied van sensoren. Als een voorbeeld, onze analytische benadering van het volledige niet-lineair-fysica gebaseerde model van het slakkenhuis, onthult "filters" van een zeer specifieke vorm en enorme ruimtelijk uitgebreide overlappingen. Een klassieke ingenieur zou nauwelijks met zo'n ontwerp komen dat een belangrijke paradigma-uitdaging vormt voor de conventionele stand van de techniek. Op het gebied van horen kan onze modelleringsaanpak inzicht verschaffen in vragen die ontoegankelijk zijn voor de huidige experimentele technieken, door te leiden naar de formulering van nauw verwante probleemstellingen die experimenteel toegankelijk zijn.

De vraag of het buiten-middenoor of het binnenoor de beperkende factor van het gehoor vormt, zou naar onze mening toch ten onrechte kunnen worden gesteld. Als we zouden toegeven dat het binnenoor voldoende is om frequentiegevoeligheid te verklaren, kunnen we dan concluderen dat het buiten- en middenoor (afgezien van de reeds genoemde resonanties) een ondergeschikte rol spelen bij het vormgeven van de gehoordrempel? Het is duidelijk dat evolutie af en toe de gehoorgang en het uitwendige oor kan hebben gevormd, wat heeft geleid tot een beperking van de gehoorgevoeligheid. Zelfs de evolutionaire aanpassing van de huidige zoogdieren op het land naar op het water gebaseerde zoogdieren had echter geen wezenlijke invloed op het cochleaire constructieprincipe 36, 51, terwijl het duidelijk het uitwendige oor aantastte. In dit licht, hoewel het binnenoor niet als het enige relevante onderdeel moet worden gezien, lijkt het erop dat het, als de evolutionair minder variabele constructie, de dominante rol speelt bij het vormgeven van de gehoordrempel. In beide gevallen suggereren onze resultaten sterk dat de verschillende uitspraken in leerboeken die aantonen dat gehoorgevoeligheid in het algemeen wordt bepaald door het buiten- en middenoor (maar niet door het binnenoor), historisch bevooroordeeld kunnen zijn en niet volledig gerechtvaardigd zijn.


Auditieve ontwikkeling en gehoorstoornissen

Uitwendig oor

Na 6 weken beginnen de buitenste oren zich te ontwikkelen vanuit plooien op het voorste nekgebied van het embryo. Een set van zes auriculaire heuveltjes of bultjes ontstaat voor elk oor. Deze heuvels zijn zichtbaar als vroege kenmerken van het volwassen oor. De gehoorgang vormt zich na 5 weken en na ongeveer 12 weken vormt zich een plaat aan het binnenste uiteinde van de gehoorgang. Deze plaat blijft tot ongeveer 7 maanden, wanneer deze oplost en het resterende weefsel het trommelvlies of trommelvlies vormt. Het uitwendige oor en de gehoorgang blijven na de geboorte langer groeien en bereiken de volwassen grootte op ongeveer 9 jaar. Het niet ontwikkelen van het uitwendige oor wordt anotia genoemd, beperkte groei wordt microtia genoemd, terwijl gedeeltelijke of volledige sluiting van de gehoorgang atresie wordt genoemd.


Hoofdstuk 10: Oren

1) Het oor bestaat uit drie delen: het binnenoor, het middenoor en het buitenoor. De oorschelp, of de flap van het uitwendige oor, is een lichaamsdeel dat alleen bij zoogdieren voorkomt.

2) De ontdekking dat de oorbeenderen van zoogdieren enige correlatie kunnen hebben met de kaakbeenderen van reptielen begon met Karl Reichert, een Duitse anatoom. Zoogdieren hebben drie botten in het middenoor, terwijl reptielen en amfibieën er maar één hebben. Deze botten moesten dus ergens vandaan komen. Hij observeerde kieuwbogen bij verschillende soorten om te zien waar ze in de schedel terechtkwamen, en ontdekte dat twee van de oorbotten die bij zoogdieren aanwezig waren, overeenkwamen met botten in de kaken van reptielen. Hij concludeerde dat "dezelfde kieuwboog die deel uitmaakte van de kaak van een reptiel, oorbeenderen vormde bij zoogdieren" (Shubin 160). Een andere Duitse anatoom, Ernst Gaupp, zette deze theorie voort, in de overtuiging dat de drie middenoorbeenderen een verband vertoonden tussen reptielen en zoogdieren. De twee middenoorbeenderen van zoogdieren die correleerden met reptielen, de hamer en het aambeeld, evolueerden uit delen van de reptielenkaak. In de jaren 1840 werden nieuwe fossiele wezens ontdekt in Zuid-Afrika en Rusland toen ze bij elkaar werden gebracht, velen van hen werden beschreven als zoogdierachtige reptielen.

Tegen 1913 begonnen embryologen en paleontologen samen te werken, en met de theorie van Gaupp begonnen ze naar deze gefossiliseerde skeletten te kijken. Ze ontdekten dat de meest reptielachtige van deze skeletten slechts een enkel bot in het middenoor had, net als de huidige reptielen, en een kaak die uit vele botten bestaat. De meer zoogdieren van deze skeletten lieten echter zien dat de botten aan de achterkant van de reptielenkaak kleiner werden totdat ze uiteindelijk deel gingen uitmaken van het middenoor van zoogdieren. Dit bewees dat de hamer en het aambeeld evolueerden uit kaakbeenderen.

Soortgelijke ontdekkingen werden gedaan tussen mensen en haaien. De stijgbeugel is een tweede boogbeen in het oor en komt overeen met een bot in haaien en vissen dat bekend staat als de hyomandibula. De hyomandibula is een grote staaf die de bovenkaak verbindt met de hersenpan. Kijken naar fossielen die worden opgespoord van haaien tot Tiktaalik bij amfibieën is er een duidelijke trend dat de hyomandibula in de bovenkaak krimpt en uiteindelijk van positie verandert om een ​​rol te spelen bij het horen.

3) De Pax 2 gen is actief in het oor en start een kettingreactie waardoor het binnenoor zich kan ontwikkelen. Als een mutatie bij mensen of muizen dit gen kent, kan het binnenoor zich niet goed vormen. Dit is een belangrijk gen dat essentieel is voor een goede ontwikkeling.


In de zich ontwikkelende oren van opossums, echo's van de evolutionaire geschiedenis

Wanneer we worden geconfronteerd met de opmerkelijke diversiteit en complexiteit van vormen tussen levende wezens - de lichtgewicht en leerachtige vleugels van een vleermuis, de dichte netwerken van genen die samenwerken om een ​​functionele cel te produceren - kan het moeilijk zijn voor te stellen hoe toevallige mutaties en selectieve processen hebben ze geproduceerd. Als we de evolutionaire tijd zouden kunnen terugspoelen, wat zouden we dan zien?

In een nieuwe studie gepubliceerd in Proceedings van de Royal Society B (DOI: 10.1098/rspb.2016.2416), hebben dierwetenschappers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, King's College London en de Universiteit van Chicago ontdekt dat in de ontwikkeling van opossums een mogelijke versie van het evolutionaire pad dat leidde van de eenvoudige oren van reptielen tot de meer uitgebreide en gevoelige structuren van zoogdieren, inclusief mensen.

Wanneer botten van het middenoor van zoogdieren zich ontwikkelen, beginnen ze als onderdeel van de kraakbeenboog die de embryonale kaak vormt. Bij reptielen blijven deze structuren verbonden met de kaak, omdat ontwikkelingsprocessen het kraakbeen geleidelijk in bot omzetten.

Drie kleine botjes in het middenoor van zoogdieren vormen een mechanisme dat de luchttrillingen van geluid omzet in de elektrische impulsen die door de hersenen worden begrepen. Drie van deze botten zijn bekend onder namen die hun vorm beschrijven, hetzij in het Latijn of in het Engels: de malleus (hamer), incus (aambeeld) en stapes (stijgbeugel). In de eenvoudiger oren van reptielen, evenals de gedeelde voorouders van beide groepen, wordt alleen de stijgbeugel in het middenoor gevonden, terwijl analogen van de hamer en het aambeeld deel uitmaken van de kaak.

Het scherpe contrast tussen de precieze structuur van deze kleine zoogdierbotten en hun niet-auditieve reptielachtige tegenhangers trok de aandacht van universitair hoofddocent dierbiologie Karen Sears en postdoctoraal onderzoeker Daniel Urban, die het onderzoek leidde. Sears is lid van het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB) Urban is een IGB-fellow.

"We kwamen tot dit project via de benadering van evolutionaire ontwikkelingsbiologie (evo-devo), die kijkt naar de ontwikkeling van een organisme. . . om de evolutionaire geschiedenis te helpen begrijpen”, zei Urban, die hun experimentele aanpak uitlegde. Een opwindend aspect van het project voor hem was dat het “aspecten van paleontologie, cellulaire en moleculaire biologie, ontwikkelingsbiologie en meer integreerde. We bekijken het probleem vanuit meer dan één hoek en gebruiken al deze methoden om de puzzel op te lossen.”

Wanneer middenoorbotten van zoogdieren zich ontwikkelen, beginnen ze als onderdeel van de kraakbeenboog die de embryonale kaak vormt. Bij reptielen blijven deze structuren verbonden met de kaak, omdat ontwikkelingsprocessen het kraakbeen geleidelijk in bot omzetten. Bij zoogdieren verdwijnen cellen in een deel van de zich ontwikkelende kaak, Meckel's kraakbeen genaamd, naarmate het dier groeit, waardoor de hamer en het aambeeld (de hamer en het aambeeld) vrijkomen om hun posities in het middenoor te bereiken.

Om een ​​beter idee te krijgen van hoe het zoogdieroor zou kunnen zijn geëvolueerd, kozen Sears, Urban en hun collega's ervoor om de grijze kortstaartbuidelrat te bestuderen, een klein en charismatisch Zuid-Amerikaans buideldier waarvan de belangrijkste stadia van kaak- en oorontwikkeling geleidelijk en na geboorte.

De groep beschreef eerst de anatomische progressie van de ontwikkeling van het middenoor in hun opossums, waarbij ze beelden vastlegden die de veranderende architectuur van kraakbeen en bot onthulden. Ze merkten op dat de progressie van structuren in de zich ontwikkelende buidelratkaak en -oor de evolutionaire progressie van deze structuren in het fossielenbestand van zoogdieren leek na te bootsen.

"Het was echt opmerkelijk hoe goed de ontwikkelingsstadia van ons bestaande opossum-modelorganisme overeenkwamen met de overgangsfossielen . . . dit maakt ons studie-organisme, de grijze kortstaartige opossum, een fantastisch levend model om te helpen bij het begrijpen van de ontwikkeling van lang uitgestorven taxa, "zei Urban. "Door deze moderne analoog te gebruiken, kunnen we zoveel meer leren over deze eerdere soorten en de oorsprong van zoogdieren."

Het team onderzocht ook veranderingen in genactiviteit en individuele cellen die plaatsvonden tijdens de afbraak van Meckel's kraakbeen. Ze identificeerden een reeks genen waarvan de verhoogde activiteit verband hield met de zelfvernietiging van de cellen die de toekomstige kaak verbinden met het toekomstige oor.

Onder deze genen concentreerden de onderzoekers zich op een gen genaamd TGF-β voor verder onderzoek. Toen ze zich ontwikkelende opossums behandelden met een medicijn dat de signalering van het TGF-β-eiwit blokkeert, werd de dood van cellen in het kraakbeen van Meckel voorkomen en bleven de hamer en het aambeeld een deel van de kaak. Met één tweak van genactiviteit leek dit ene detail van de anatomie achteruit te zijn geschoven door de evolutionaire tijd.

TGF-β Het is ook bekend dat signalering een rol speelt bij de ontwikkeling van het middenoor van muizen. De afbraak van cellen in Meckel's kraakbeen in deze studie van opossums vond echter plaats via een ander mechanisme dan dat waargenomen bij muizen: de cellen vernietigden zichzelf in plaats van te worden opgeslokt door andere cellen.

"Het was zowel verrassend als intrigerend om bewijs te vinden dat suggereert dat twee verschillende cellulaire mechanismen verantwoordelijk kunnen zijn voor het scheiden van middenoorelementen van de kaak bij placentale en buideldieren. . . gecombineerd met eerder fossiel bewijs, impliceert dit dat het [zoogdier middenoor] in totaal minstens vier keer onafhankelijk is geëvolueerd, "zei Urban. "Dit lijkt in eerste instantie onwaarschijnlijk, behalve dat we bij het uitvoeren van functionele tests hebben aangetoond dat deze verbinding (tussen het middenoor en de kaak) daadwerkelijk kan worden behouden of verbroken door een relatief kleine verandering in de expressie van een enkel gen."

Deze kracht van een enkele moleculaire verandering, een die zou kunnen worden geproduceerd door een toevallige mutatie in een sleutelgen, om het ontwikkelingstraject te veranderen, biedt een mogelijk antwoord op hoe het oor zou kunnen zijn geëvolueerd. Hoewel de huidige studie van de groep niet inging op waarom deze verandering adaptief zou kunnen zijn, bood Urban één hypothese om de succesvolle verspreiding door meerdere populaties van vroege zoogdieren te verklaren die ruwweg leken op zijn meelworm-kauwende opossums.

“De verbeterde auditieve gevoeligheid van deze pas vrijgekomen middenoorbeentjes zou een opmerkelijke zegen zijn geweest voor vroege zoogdieren. De meeste hiervan zouden zeer kleine, nachtelijke insecteneters zijn geweest, "zei hij. "Opsluiting in de nachtelijke uren zou hen hebben geholpen om te voorkomen dat ze een prooi werden, terwijl een verbeterd gehoor zou hebben bijgedragen aan hun eigen roofzuchtige vaardigheden."


Overleg:Gehoor - Ontwikkeling van het buitenoor

J Anat. 2016 februari 228 (2): 217-32. doi: 10.1111/joa.12344. Epub 2015 30 juli.

Het zoogdieroor is een complexe structuur die in drie hoofddelen is verdeeld: het buitenste midden- en binnenoor. Deze delen worden gevormd uit alle drie de kiemlagen en neurale lijstcellen, die met succes moeten integreren om een ​​volledig functionerend gehoororgaan te vormen. Elk defect in de ontwikkeling van het buiten- en middenoor leidt tot conductief gehoorverlies, terwijl defecten in het binnenoor kunnen leiden tot perceptief gehoorverlies. Deze review richt zich op de ontwikkeling van de delen van het oor die betrokken zijn bij geluidstransductie naar het binnenoor, en de delen die grotendeels genegeerd worden in de wereld van gehooronderzoek: het buiten- en middenoor. De gepubliceerde gegevens over de embryonale oorsprong, signalering, genetische controle, ontwikkeling en timing van het midden- en buitenoor van zoogdieren worden hier besproken, samen met nieuwe gegevens die aantonen dat het kraakbeen van de buis van Eustachius van dubbele embryonale oorsprong is. De embryonale oorsprong van sommige van deze structuren is pas onlangs ontdekt (Science, 339, 2013, 1453 Development, 140, 2013, 4386), terwijl de moleculaire mechanismen die de groei, structuur en integratie van veel buiten- en middenoorcomponenten regelen nauwelijks bekend. De genetische analyse van de ontwikkeling van het buiten- en middenoor is vrij beperkt, met een klein aantal genen die vaak meer dan één deel van het oor aantasten of slechts zeer kleine effecten op de ontwikkeling hebben. Deze review benadrukt daarom de noodzaak van verder onderzoek naar de ontwikkeling van buiten- en middenoorstructuren, wat belangrijk zal zijn voor het begrip en de behandeling van conductief gehoorverlies. SLEUTELWOORDEN: Buis van Eustachius kraakbeen ontwikkeling embryonale oorsprong uitwendige gehoorgang middenoor gehoorbeentjes buitenoor trommelvlies

PMID: 26227955 PMCID: PMC4718165 DOI: 10.1111/joa.12344

Ontwikkelingsmechanismen van het trommelvlies bij zoogdieren en niet-zoogdierlijke amnioten

Aangeboren Anom (Kyoto). 2016 jan.56(1):12-7. doi: 10.1111/cga.12132.

Takechi M1, Kitazawa T2,3, Hirasawa T4, Hirai T4, Iseki S1, Kurihara H2,5,3, Kuratani S4.

Het trommelvlies is een dunne laag die afkomstig is van het ectoderm, endoderm en mesenchym. Moleculair-genetisch onderzoek heeft aangetoond dat interactie tussen epitheel- en mesenchymale cellen in de faryngeale bogen essentieel is voor de ontwikkeling van het trommelvlies. We hebben onlangs gemeld dat ontwikkelingsmechanismen die ten grondslag liggen aan het trommelvlies verschillend lijken te zijn tussen muis en kip, wat suggereert dat het trommelvlies onafhankelijk evolueerde bij zoogdieren en niet-zoogdier amnioten. In deze review vatten we eerdere studies van trommelvliesvorming bij de muis samen. We bespreken ook de vorming ervan in amniotes vanuit een evolutionair oogpunt. © 2015 Japanse Teratologie Vereniging. SLEUTELWOORDEN: Goosecoid middenoor morfologische evolutie keelholte trommelvlies

Ontwikkelingsgenetische bases achter de onafhankelijke oorsprong van het trommelvlies bij zoogdieren en diapsiden

Nat Comm. 2015 226:6853 april. doi: 10.1038/ncomms7853.

Kitazawa T1, Takechi M2, Hirasawa T3, Adachi N3, Narboux-Nême N4, Kume H5, Maeda K6, Hirai T3, Miyagawa-Tomita S6, Kurihara Y1, Hitomi J7, Levi G4, Kuratani S3, Kurihara H8.

Het amniote middenoor is een klassiek voorbeeld van de evolutionaire nieuwigheid. Hoewel paleontologisch bewijs de opvatting ondersteunt dat zoogdieren en diapsiden (moderne reptielen en vogels) onafhankelijk het middenoor hebben verkregen na afwijking van hun gemeenschappelijke voorouder, blijven de ontwikkelingsbasissen van deze transformaties onbekend. Hier laten we zien dat transformatie van de onderkaak naar de bovenkaak, geïnduceerd door inactivering van de Endothelin1-Dlx5/6-cascade waarbij Goosecoid betrokken is, resulteert in verlies van het trommelvlies bij de muis, maar duplicatie van het trommelvlies bij kippen veroorzaakt. Gedetailleerde anatomische analyse geeft aan dat de relatieve posities van het primaire kaakgewricht en de eerste faryngeale zak leidden tot de koppeling van de vorming van het trommelvlies met de onderkaak bij zoogdieren, maar met de bovenkaak bij diapsiden. We stellen voor dat verschillen in verbinding en afgifte door verschillende faryngeale skeletelementen resulteerden in structurele diversiteit, wat leidde tot de verwerving van het trommelvlies op twee verschillende manieren tijdens de evolutie van amniote.

Beweging van het uitwendige oor in menselijk embryo

Hoofd Gezicht Med. 2012 februari 18:2.

Kagurasho M, Yamada S, Uwabe C, Kose K, Takakuwa T. Bron Human Health Science, Graduate School of Medicine, Kyoto University, 606-8507, Shogoin Kawahara-cyo 53, Kyoto, Japan.

INLEIDING: Externe oren, een van de belangrijkste gezichtscomponenten, vertonen een interessante beweging tijdens craniofaciale morfogenese in menselijk embryo. De huidige studie werd uitgevoerd om te zien of beweging van de uitwendige oren in een menselijk embryo kan worden verklaard door differentiële groei. METHODEN: In totaal werden 171 monsters tussen Carnegie-stadium (CS) 17 en CS 23 geselecteerd uit MR-beeldgegevenssets van menselijke embryo's verkregen uit de Kyoto-collectie van menselijke embryo's. De driedimensionale absolute positie van 13 representatieve anatomische oriëntatiepunten, inclusief externe en interne oren, uit MRI-gegevens werd getraceerd om de beweging tussen de verschillende stadia met identieke vergroting te evalueren. Er werden twee verschillende sets referentie-assen geselecteerd voor evaluatie en vergelijking van de bewegingen. RESULTATEN: Toen de hypofyse en de eerste halswervel als referentieas werden geselecteerd, verspreidden de 13 anatomische oriëntatiepunten van het gezicht zich binnen hetzelfde gebied als het embryo en veranderden van vorm. Het uitwendige oor bewoog wel voornamelijk zijdelings, maar niet craniaal. De afstand tussen het uitwendige en inwendige oor bleef ongeveer constant. Driedimensionaal bewoog het uitwendige oor in de caudale ventrale delen van het inwendige oor in CS 17 voornamelijk lateraal tot CS 23. Toen oppervlakteoriëntatiepunten ogen en mond werden geselecteerd als referentie-as, bewogen uitwendige oren zich van het caudale laterale ventrale gebied naar de positie tussen ogen en mond tijdens de ontwikkeling. CONCLUSIE: De resultaten geven aan dat beweging van alle anatomische oriëntatiepunten, inclusief externe en interne oren, kan worden verklaard door differentiële groei. Ook wanneer het uitwendige oor wordt herkend als een van de gezichtsoriëntatiepunten en een relatieve positie heeft ten opzichte van andere oriëntatiepunten zoals de ogen en mond, lijken de uitwendige oren craniaal te bewegen.

© 2012 Kaguraho et al licentiehouder BioMed Central Ltd.

Een missense-mutatie in PPARD veroorzaakt een groot QTL-effect op de oorgrootte bij varkens

PLoS Genet. 2011 mei7 (5):e1002043. Epub 2011 5 mei.

Ren J, Duan Y, Qiao R, Yao F, Zhang Z, Yang B, Guo Y, Xiao S, Wei R, Ouyang Z, Ding N, Ai H, Huang L. Source Key Laboratory for Animal Biotechnology van de provincie Jiangxi en de Ministerie van Landbouw van China, Jiangxi Agricultural University, Nanchang, China.

Chinese Erhualian is het meest productieve varkensras ter wereld. Het ras vertoont uitzonderlijk grote en slappe oren. Om genen te identificeren die ten grondslag liggen aan dit typische kenmerk, hebben we eerder een genoomscan uitgevoerd in een grootschalig White Duroc × Erhualian-kruis en een belangrijke QTL voor oorgrootte in kaart gebracht op een 2-cM-regio op chromosoom 7. We hebben hierin een identieke per afkomst uitgevoerd analyse die de QTL definieerde binnen een gebied van 750 kb. Historisch gezien is het kenmerk van de grote oren geselecteerd voor de oude offercultuur bij Erhualian-varkens. Door een selectieve sweep-analyse te gebruiken, hebben we het kritieke gebied vervolgens verfijnd tot een interval van 630 kb met 9 geannoteerde genen. Vier van de 9 genen komen tot expressie in oorweefsels van biggen. Van de 4 genen viel PPARD op als het sterkste kandidaatgen vanwege zijn gevestigde rol in huidhomeostase, kraakbeenontwikkeling en vetmetabolisme. Er werd geen differentiële expressie van PPARD gevonden in oorweefsels in verschillende groeistadia tussen Erhualian-varkens met grote oren en Duroc-varkens met kleine oren. We screenden verder coderende sequentievarianten in het PPARD-gen en identificeerden slechts één missense-mutatie (G32E) in een geconserveerd functioneel belangrijk domein. De eiwitveranderende mutatie vertoonde een perfecte overeenstemming (100%) met de QTL-genotypen van alle 19 oprichtersdieren die segregeerden in het witte Duroc × Erhualian-kruis en trad uitsluitend op bij hoge frequenties in Chinese rassen met grote oren. Bovendien is de mutatie van functioneel belang, het medieert de neerwaartse regulatie van β-catenine en zijn doelgenexpressie die cruciaal is voor vetafzetting in de huid. Bovendien was de mutatie significant geassocieerd met de oorgrootte in de experimentele kruising en diverse gekruiste populaties. Een wereldwijd onderzoek naar de diversiteit van haplotypes onthulde dat de mutatiegebeurtenis van Chinese oorsprong is, waarschijnlijk na domesticatie. Alles bij elkaar genomen leveren we bewijs dat PPARD G32E de variatie is die ten grondslag ligt aan deze belangrijke QTL.

Oorreconstructie door middel van tissue engineering

Adv Otorhinolaryngol. 201068:108-19. Epub 2010 3 mei.

Afdeling KNO, hoofd- en halschirurgie Campus Benjamin Franklin, Charité University Medicine Berlin, Berlijn, Duitsland. [email protected] Samenvatting Reconstructieve chirurgie van de oorschelp is al decennia een uitdaging voor chirurgen. Een immens aantal publicaties documenteert nu de inspanningen om technieken te ontwikkelen en te verbeteren die zijn ontworpen om een ​​redelijke vorm en functionaliteit te bieden. Sinds het begin van de jaren negentig is tissue engineering steeds populairder geworden op het gebied van reconstructieve chirurgie. Vooral toen een in vitro vervaardigd oorvormig kraakbeenimplantaat werd geïmplanteerd op de rug van een naakte muis, waren reconstructieve chirurgen geïntrigeerd en werden de verwachtingen van patiënten gewekt. Echter, bijna 20 jaar nadat tissue engineering door Langer en Vacanti [Science 1993260:920-926] werd gedefinieerd als: 'een interdisciplinair veld dat de principes van engineering en life sciences toepast op de ontwikkeling van biologische substituten die herstellen, onderhouden of verbeteren weefselfunctie of een heel orgaan', zijn er alleen afzonderlijke casusrapporten gepubliceerd. Deze rapporten beschrijven de klinische toepassing van in vitro vervaardigd kraakbeen voor reconstructieve procedures in het hoofd en de nek. Dit artikel beschrijft de fundamenten en het potentieel van tissue engineering bij reconstructieve chirurgie van de oorschelp, en benadrukt de beperkingen die de huidige klinische toepassing ervan in de weg staan.

Copyright 2010 S. Karger AG, Bazel. PMID: 20442565

Gecombineerde reconstructie van congenitale auriculaire atresie en ernstige microtie

Adv Otorhinolaryngol. 201068:95-107. Epub 2010 3 mei.

Afdeling Oto-Rhino-Laryngologie, Hoofd- en Halschirurgie, Prosper Ziekenhuis, Ruhr Universiteit Bochum, Recklinghausen, Duitsland. [email protected] Samenvatting DOELSTELLINGEN: Door hun embryologische ontwikkeling zijn ooratresie en ernstige microtie in de meeste gevallen gecombineerde misvormingen. De doelstellingen van deze studie waren enerzijds het ontwikkelen van een chirurgische techniek voor gecombineerde esthetische en functionele reconstructie met een minimum aan operaties en anderzijds het evalueren van de resultaten.

STUDIEONTWERP: Prospectieve klinische evaluatie.

PATINTEN EN METHODEN: Tweeënvijftig patiënten met derdegraads microtie en aangeboren auditieve atresie met een geluidsgeleidend blok van ongeveer 50 dB werden behandeld. Bij de eerste operatie werd autogeen kraakbeen geoogst en werd het auriculaire raamwerk gefabriceerd en geïmplanteerd. Bovendien werden het trommelvlies en de uitwendige gehoorgang geprefabriceerd en bewaard in een onderhuidse zak. In de tweede stap werd de verhoging van het nieuwe raamwerk gecombineerd met de operatie voor atresie, waarbij gebruik werd gemaakt van het geprefabriceerde trommelvlies en de uitwendige gehoorgang. In de derde stap werd de cavum concha verdiept en werd de uitwendige gehoorgang geopend en bedekt met een huidtransplantaat.

RESULTATEN: In totaal had 76% van de patiënten een uiteindelijk conductief gehoorverlies van 30 dB of minder. Er werd geen restenose van de nieuwe uitwendige gehoorgang waargenomen. De esthetische resultaten van de geconstrueerde oorschelpen worden in dit rapport weergegeven.

CONCLUSIE: Met deze combinatie van plastische chirurgie voor de oorschelp en functionele chirurgie voor het middenoor zijn geen extra operaties nodig en geeft de prefabricage van de uitwendige gehoorgang en het trommelvlies stabiele en betrouwbare resultaten. Deze gecombineerde techniek biedt de meeste kans op optimale esthetische en functionele revalidatie voor patiënten met deze misvormingen.

Copyright 2010 S. Karger AG, Bazel. PMID: 20442564

Morfologie van de annulus van het menselijk trommelvlies

Otolaryngol Head Neck Surg. 2010 mei142(5):682-7.

Kassem F, Ophir D, Bernheim J, Berger G.

Afdeling KNO-hoofd- en nekchirurgie, Meir Medical Center, Kfar Saba, Israël. [email protected] Samenvatting DOEL: Het volledige panoramische uitzicht bestuderen met figuratie van de morfologie en topografie van de menselijke trommelvliesring.

STUDIEONTWERP: Postmortale materiaalanalyse.

SNELHEID: Universitair ziekenhuis.

ONDERWERPEN EN METHODEN: Drieëntwintig enkele, normale menselijke volwassen trommelvliezen werden volledig geëxtraheerd uit formaline-gefixeerde temporale botten. Ze werden mediaal geconfronteerd en geplaatst op hetzelfde niveau van een millimeterpapier dat op een bord was gemonteerd. Er werden hoogwaardige beelden van de weefselpreparaten gemaakt en computerondersteunde metingen van het ringvormige kaliber werden berekend op negen referentiepunten. De 6 uur-richting diende als middelpunt, en nog eens vier referentiepunten werden anterieur en posterieur ingesteld in de richtingen met de klok mee en tegen de klok in.

RESULTATEN: De annulus heeft een hoefijzerachtige vorm met een klein deel afwezig boven de hals van de hamer. Het maximale gemiddelde kaliber op de manubriale as (6 uur richting) was 748 +/- 201 mum. De annulus wordt geleidelijk bijna symmetrisch anterieur en posterieur dunner, totdat het ongeveer 15 procent van het maximale kaliber bereikt aan de eindpunten (respectievelijk 152 +/- 87 en 113 +/- 42 mum). Er werden significante verschillen gevonden tussen aangrenzende referentiepunten aan zowel de voor- als de achterkant.

CONCLUSIES: De annulus heeft een hoefijzerachtige vorm en wordt geleidelijk bijna symmetrisch dunner en bereikt naar voren en naar achteren ongeveer 15 procent van het maximale kaliber op de manubriale as. Deze nieuwe gegevens kunnen een leidraad zijn bij transcanale onderzoek van het middenoor en suggereren de mogelijkheid van verschillende functies die aan de annulus kunnen worden toegeschreven met betrekking tot de transmissie van middenoorgeluid en TM-trillingseigenschappen. De gegevens kunnen bijdragen aan het begrijpen van de ontwikkeling van marginale perforaties en posterior superieure retractiepockets.

Copyright 2010 American Academy of Otolaryngology-Hoofd- en nekchirurgie Stichting. Gepubliceerd door Mosby, Inc. Alle rechten voorbehouden. PMID: 20416456

Overzicht craniofaciale microsomie

Heike CL, Hing AV. In: Pagon RA, Bird TC, Dolan CR, Stephens K, redacteuren. GeneReviews [Internet]. Seattle (WA): Universiteit van Washington, Seattle 1993-. 2009 19 maart.

Uittreksel Ziektekenmerken. Craniofaciale microsomie (CFM) omvat een spectrum van misvormingen die voornamelijk betrekking hebben op structuren die zijn afgeleid van de eerste en tweede kieuwbogen. Bevindingen zijn onder meer gezichtsasymmetrie als gevolg van maxillaire en/of mandibulaire hypoplasie preauriculaire of faciale tags oormisvormingen die microtia (hypoplasie van het uitwendige oor), anotia (afwezigheid van het uitwendige oor) of auditieve atresie (afwezigheid van de uitwendige gehoorgang) kunnen omvatten. en gehoorverlies. De ernst kan variëren van subtiele asymmetrie van het gezicht met een klein huidlabel voor een verder normaal ogend oor tot bilaterale betrokkenheid (meestal asymmetrisch), microtie/anotia met atresie van de gehoorgangen, microftalmie en ademhalingsproblemen door ernstige mandibulaire hypoplasie. Andere craniofaciale misvormingen, waaronder een gespleten lip en/of gehemelte, kunnen worden gezien. Niet-craniofaciale misvormingen, vooral wervel-, hart- en ledematen, kunnen worden gezien. Diagnose/testen. De diagnose van CFM is gebaseerd op klinische bevindingen. Genetisch advies. CFM komt het vaakst voor als een simplex geval (d.w.z. optreden in een enkel individu in een familie) met onbekende etiologie herhalingsrisico's zijn empirisch. Als een persoon met CFM een erfelijke of de novo chromosoomafwijking blijkt te hebben, is genetische counseling voor die aandoening geïndiceerd. Af en toe wordt autosomaal dominante of autosomaal recessieve overerving waargenomen. Als een proband CFM heeft en geen gerapporteerde familiegeschiedenis van CFM, is het risico voor broers en zussen twee tot drie procent. Dit kan een onderschatting zijn vanwege de moeilijkheid om een ​​nauwkeurige familiegeschiedenis te verkrijgen voor enkele van de subtiele kenmerken van CFM. Beheer. Behandeling van manifestaties: Voor een optimaal resultaat hebben kinderen met CFM tijdige en gecoördineerde beoordelingen en interventies nodig. Idealiter zouden kinderen moeten worden behandeld door een ervaren multidisciplinair craniofaciaal team. De doelen van de behandeling van CFM zijn het verzekeren van adequate ademhalingsondersteuning en voeding bij zuigelingen met ernstige misvormingen van het gezicht, het maximaliseren van het gehoor en de communicatie, het verbeteren van de gezichtssymmetrie en het optimaliseren van tandheelkundige occlusie. De behandeling is leeftijdsafhankelijk, met tijdgevoelige interventies in de juiste stadia van craniofaciale groei en ontwikkeling. Copyright © 1993-2010, Universiteit van Washington, Seattle. Alle rechten voorbehouden.

Congenitale loslating van de bovenste oorschelp: melding van twee ongebruikelijke gevallen

Indiase J Plast Surg. 2009 juli42(2):265-8.

Afdeling Plastische Chirurgie, Afdeling Chirurgie, Netaji Subhash Chandra Bose Government Medical College, Jabalpur-482 003, MP, India. Samenvatting Er zijn twee ongebruikelijke gevallen van aangeboren bilaterale oorafwijkingen gepresenteerd. De misvorming wordt gekenmerkt door loslating van de bovenste oorschelp aan de rechterkant met anotia aan de linkerkant in het eerste geval en loslating van de bovenste oorschelp aan de linkerkant met normaal oor aan de rechterkant in het tweede geval. Er is een poging gedaan om de gepresenteerde misvorming te correleren met de embryologische - foetale ontwikkeling van de oorschelp. Een bevredigende correctie kan worden verkregen door de oorschelp weer in zijn normale positie te plaatsen.

De nier en het oor: opkomende parallelle functies

Afdelingen Geneeskunde, Faculteit Geneeskunde, McGill University, Montreal, Quebec, Canada. Samenvatting De associatie tussen nierdysplasie en kleine misvormingen van het uitwendige oor is zwak. Er is echter een opmerkelijke lijst van syndromen die de nier met het binnenoor verbinden. Om deze schijnbaar ongelijksoortige syndromen te ordenen, clusteren we representatieve voorbeelden in drie groepen: (a) syndromen die routes delen die de ontwikkeling reguleren (b) syndromen waarbij sprake is van disfunctie van het primaire cilium, dat normaal gesproken kritieke informatie aan epitheelcellen verschaft over de vloeistof waarin ze zich bevinden bathed (c) syndromen die het gevolg zijn van disfunctie van gespecialiseerde eiwitten die ionen en medicijnen in en uit de extracellulaire vloeistof transporteren of structurele ondersteuning bieden.

Mutatie in het humane homeobox-gen NKX5-3 veroorzaakt een oculo-auriculair syndroom

Ben J Hum Genet. 2008 mei82 (5): 1178-84.

Schorderet DF, Nichini O, Boisset G, Polok B, Tiab L, Mayeur H, Raji B, de la Houssaye G, Abitbol MM, Munier FL.

Institut de Recherche en Ophtalmologie, 1950 Sion, Zwitserland. [email protected] Samenvatting Verschillende dysmorfe syndromen beïnvloeden de ontwikkeling van zowel het oog als het oor, maar slechts enkele zijn beperkt tot het oog en het uitwendige oor. We beschrijven een ontwikkelingsstoornis aan het oog en het uitwendige oor bij drie leden van een bloedverwante familie. Dit syndroom wordt gekenmerkt door oogafwijkingen (microcornea, microftalmie, dysgenese van het voorste segment, cataract, coloboma van verschillende delen van het oog, afwijkingen van het retinale pigmentepitheel en staafkegeldystrofie) en een bepaalde gespleten oorlobule. Koppelingsanalyse en mutatiescreening onthulden in het eerste exon van het NKX5-3-gen een homozygote deletie van 26 nucleotiden, waardoor een afknottend eiwit werd gegenereerd dat het volledige homeodomein miste. Morfolino knockdown-expressie van de zebravis nkx5-3 veroorzaakte microftalmie en desorganisatie van het zich ontwikkelende netvlies, waarmee wordt bevestigd dat dit gen een extra lid vertegenwoordigt dat betrokken is bij axiale patroonvorming van het netvlies.

Menselijke oren groeien gedurende het hele leven volgens gecompliceerde en seksueel dimorfe patronen - conclusies uit een transversale analyse

Antropol Anz. 2007 Dec65 (4):391-413.

Niemitz C, Nibbrig M, Zacher V.

Instituut voor Menselijke Biologie en Fysische Antropologie, Freie Universität Berlin, Duitsland. [email protected] Samenvatting In de meeste van zijn anatomische bestanddelen, b.v. in de Helix, enz., is het uitwendige menselijke oor homoloog aan dat van alle primaten en Scandentia (boomspitsmuizen). De genetische basis is dus grotendeels ouder dan 60 miljoen jaar. Op basis van de observatie van levenslange groei van het oor (bijv. Montacer-Kuhssary 1959), wilden we de groei van het menselijk oor op een meer gedetailleerde manier ophelderen gedurende het hele leven en bij beide geslachten. Op gestandaardiseerd fotografisch materiaal dat willekeurig in Berlijn (Duitsland) is verzameld, hebben we N = 1448 oren gemeten van pasgeboren kinderen tot vrijwilligers van 92 jaar oud. 10 longitudinale metingen en 5 verdere anatomische parameters leverden een dataset op van in totaal ongeveer 19.000 data. Op basis van onze dwarsdoorsnede-analyse hebben we verschillende seksuele dimorfismen gekwantificeerd. Verder hebben we ontogenetische ontwikkelingen afgeleid en, gedeeltelijk, hun proporties gecorrigeerd voor seculiere versnelling en lichaamslengte die krimpt met de leeftijd. Op het moment van geboorte was het uitwendige oor, in verhouding tot het lichaam, zelfs groter dan het grote hoofd en bleef het gedurende het hele leven vrij lineair groeien, waarbij het de hoogste gemiddelde lengte bereikte bij vrijwilligers ouder dan 85 jaar. De grote jaarlijkse toename tijdens de kindertijd begon al op 8 of 10 jaar af te nemen. In alle parameters waar post-volwassen groei werd waargenomen, vertoonden vrouwelijke oren een mindere toename dan die van mannen. De grootste oorlengte bij vrouwen was 52 mm (SD +/- 4,3 mm) bij de geboorte, 61 mm (SD +/- 3,9 mm) rond de leeftijd van 20 jaar en 72 mm (SD +/- 4,6 mm) bij oudere vrouwen dan 70 jaar Voor de mannelijke proefpersonen waren deze drie waarden: respectievelijk 52 mm (SD +/- 4,1 mm), 65 mm (SD +/- 4,0 mm) en 78 mm (SD +/- 4,8 mm).Ondanks extreem voortijdige groei van de oorschelp en de verdere levenslange groei, groeiden drie anatomische kenmerken van het oor na de geboorte praktisch niet: de breedte van de Concha auriculae en van de Incisura intertragica, evenals de diameter van de spiraalvormige rand van de oorschelp. De problemen die zich voordoen met betrekking tot de functies en selectieve waarden van al deze zeer ongebruikelijke proporties en gezwellen worden besproken. De ontogenetische ontwikkeling van een of meer pretragale huidplooien zou kunnen worden gebruikt als bijdrage aan leeftijdsschattingen in de forensische antropologie.

De embryologische ontwikkeling van de menselijke uitwendige gehoorgang. Voorlopig rapport

Acta Otolaryngol. 1992112(3):496-503.

Nishimura Y, Kumoi T. Bron Afdeling KNO, Hyogo College of Medicine, Nishinomiya, Japan.

Tijdens de laatste periode van embryogenese gaat een trechtervormige buis mediaal verder in het mesenchymale weefsel en vormt een gebogen pad. Hoewel dit misschien eenvoudig klinkt, is de ontwikkeling tijdens het vroege leven van de foetus in feite zeer complex. In het begin prolifereren ectodermale cellen om het lumen van de gehoorgang te vullen, waardoor de vleesprop wordt gevormd, en na 10 weken strekt de onderkant van de plug zich op een schijfachtige manier uit, zodat in het horizontale vlak de gehoorgang laarsvormig is met een smalle hals en de zool van de vleesprop die zich wijd uitbreidt om het toekomstige trommelvlies mediaal te vormen. Tegelijkertijd begint de plug in het proximale deel van de nek te worden geresorbeerd. In de 13 weken durende foetus begint de schijfachtige plug tekenen van zijn uiteindelijke bestemming te vertonen. Het binnenste oppervlak van de plug in contact met de anlage van de hamer is klaar om bij te dragen aan de vorming van het trommelvlies. Bij de foetus van 15 weken splitst het binnenste deel van de schijfachtige plug, waardoor een dunne ectodermale cellaag van onrijp trommelvlies achterblijft. De hals van de laars vormt de grens tussen de primaire en secundaire gehoorgang en is het laatste deel dat wordt gesplitst. Bij de foetus van 16,5 weken is de gehoorgang over de gehele lengte volledig open, hoewel het lumen nog steeds smal en gebogen is. In de foetus van 18 weken is de gehoorgang al volledig uitgezet tot zijn volledige vorm.


Malleus

Malleus (links) A. Van achteren. B. Van binnenuit.

De hamer ontwikkelt zich uit het eerste faryngeale boogkraakbeen (Meckel's kraakbeen) en werd genoemd naar zijn gelijkenis met een hamer.

De structuur van het volwassen bot kan worden onderverdeeld in een hoofd, nek en drie processen (manubrium, anterieure en laterale processen). Bij de foetus is van de drie uitsteeksels het voorste uitsteeksel het langst en staat in directe continuïteit met het kraakbeen van Meckel.

Malleus ossificatie wordt gestart in de foetale periode. Η'93 ⎖'93

De malleuskop van pasgeborenen en zuigelingen bevat normaal gesproken beenmerg, dat uiteindelijk wordt vervangen door bot. ⎗]

Malleus-ontwikkeling (timing vanaf ⎖'93 )

  • 16 weken - twee corticale bundels in de nek
  • 21 weken - bundels strekken zich uit naar het hoofd
  • 23 weken - uitbreiden naar het laterale proces
  • 24 weken - verlengen tot aan het handvat
  • 29 weken - in de handgreep worden krachtlijnen overgedragen via drie kardinale bundels (twee via de corticale bundel en één via het centrum)
  • 31 weken - tegen die tijd geconsolideerd

Afwijkingen

Een reeks verschillende afwijkingen van de processus anterior en manubrium mallei (handvat van malleus) zijn beschreven. ⎘]


Bekijk de video: Buitenoor (Januari- 2022).