News: Am rechten Ort
Tiefer Bass und hoher Sopran - der Unterschied ist eindeutig wahrnehmbar. Doch wie bewältigt das Ohr diese Frequenzanalyse? Zwei Theorien zur Tonhöhenwahrnehmung konkurrierten bisher miteinander; jetzt sieht es so aus, dass die ältere die richtige ist.
© Massachusetts Institute of Technology (Ausschnitt)
Von 20 bis 20 000 Hertz reicht das Spektrum des Schalls, das junge Menschen problemlos wahrnehmen können. Eine erstaunliche Leistung, wenn man bedenkt das der Apparat zur Frequenzanalyse in einer nur wenige Zentimeter großen knöchernen Schnecke sitzt. Gefüllt ist dieser auch Cochlea genannte Teil des Innenohrs mit einer Flüssigkeit, der Perilymphe. Die Gehörknöchelchen übertragen den Schall, also die Schwingungen der Luftmoleküle, auf diese Perilymphe, die dadurch in der Schnecke regelrecht hin- und herschwappt. Diese Bewegung versetzt wiederum die Basilarmembran, die zwischen den beiden Schneckengängen gespannt ist, in Schwingung, wodurch die hier sitzenden Sinneszellen verformt werden. Diese mechanische Bewegung setzen die Sinneszellen dann in die elektrischen Impulse des Nervensystems um.
Wie kann nun das Innenohr die verschiedenen Tonhöhen unterscheiden? Bereits den Anatomen des 19. Jahrhunderts fiel auf, dass die Basilarmembran eine unterschiedliche Breite aufweist: Während sie in der Nähe der Gehörknöchelchen eher schmal und steif ist, wird sie nach hinten immer breiter und biegsamer – eine Anordnung, die frappierend an die aufgespannten Saiten einer Harfe erinnert.
Die Idee ist nun folgende: Hohe Frequenzen lenken die Basilarmembran bereits am Anfang der Schnecke aus, tiefe gelangen dagegen als Wanderwelle bis ans Ende, das hohe Frequenzen nicht mehr erreichen. Der Ort der Sinneswahrnehmung entscheidet also darüber, welche Tonfrequenz wahrgenommen wird. Diese Idee fand als Ortsprinzip Eingang in die Physiologielehrbücher.
Doch in letzter Zeit sind Zweifel an diesem Ortsprinzip laut geworden. Etliche Forscher vermuten, dass das Innenohr nicht den Ort, sondern vielmehr die zeitliche Information der Schwingung erfasst. Dazu müsste es allerdings Unterschiede von nur wenigen Millisekunden wahrnehmen können. Doch das ist für das Ohr kein Problem, beruht doch die Richtungswahrnehmung des Schalls auf einer solchen, nur Bruchteile von Millisekunden betragenden Differenz in der Laufzeit des eintreffenden Schalls zwischen rechtem und linkem Ohr.
Leider ist schwer zu entscheiden, wer Recht hat, da beide Phänomene – Unterschiede in Zeit und Ort bei verschiedenen Frequenzen – experimentell schwer zu trennen sind. Doch genau diese Trennung versuchten nun Andrew Oxenham und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology im amerikanischen Cambridge.
Um das Innenohr auszutricksen, verwendeten die Forscher überlagerte Schallwellen: Eine hochfrequente Trägerwelle modulierten sie mit einer niederfrequenten Sinusschwingung, wodurch der Bereich der Basilarmembran, der normalerweise auf hohe Töne anspricht, mit niedriger Frequenz angeregt wurde. Wenn nun die zeitliche Information das einzige Kriterium für die Wahrnehmung der Tonhöhe wäre, dann könnte das Ohr eine solche überlagerte Schallwelle von einem reinen Tiefton nicht unterscheiden.
Doch dem war nicht so. Als die Forscher die überlagerten Schallwellen Versuchspersonen vorspielten, konnten diese dem Schall keine bestimmte Tonhöhe zuweisen. Die zeitliche Wahrnehmung war jedoch durch das Experiment nicht gestört, beim Richtungshören versagten die Versuchspersonen keineswegs.
Demnach bleibt das alte Ortsprinzip gültig – eine Erkenntnis, die nicht nur die Neugier der Forscher befriedigt, sondern auch praktische Konsequenzen hat: Cochlea-Implantate, die Gehörlose wieder zu einem zumindest eingeschränkten Hören verhelfen sollen, könnten einfacher konstruiert werden, wenn sie lediglich auf das zeitliche Auflösungsvermögen abzustimmen wären; die Elektronik müsste nur schnell genug arbeiten. Doch nach Ansicht der Forscher führt dieser Weg nicht zum Erfolg. Das Implantat sollte vielmehr mit zahlreichen Elektroden einen möglichst großen Bereich des Innenohrs abdecken.
Wie kann nun das Innenohr die verschiedenen Tonhöhen unterscheiden? Bereits den Anatomen des 19. Jahrhunderts fiel auf, dass die Basilarmembran eine unterschiedliche Breite aufweist: Während sie in der Nähe der Gehörknöchelchen eher schmal und steif ist, wird sie nach hinten immer breiter und biegsamer – eine Anordnung, die frappierend an die aufgespannten Saiten einer Harfe erinnert.
Die Idee ist nun folgende: Hohe Frequenzen lenken die Basilarmembran bereits am Anfang der Schnecke aus, tiefe gelangen dagegen als Wanderwelle bis ans Ende, das hohe Frequenzen nicht mehr erreichen. Der Ort der Sinneswahrnehmung entscheidet also darüber, welche Tonfrequenz wahrgenommen wird. Diese Idee fand als Ortsprinzip Eingang in die Physiologielehrbücher.
Doch in letzter Zeit sind Zweifel an diesem Ortsprinzip laut geworden. Etliche Forscher vermuten, dass das Innenohr nicht den Ort, sondern vielmehr die zeitliche Information der Schwingung erfasst. Dazu müsste es allerdings Unterschiede von nur wenigen Millisekunden wahrnehmen können. Doch das ist für das Ohr kein Problem, beruht doch die Richtungswahrnehmung des Schalls auf einer solchen, nur Bruchteile von Millisekunden betragenden Differenz in der Laufzeit des eintreffenden Schalls zwischen rechtem und linkem Ohr.
Leider ist schwer zu entscheiden, wer Recht hat, da beide Phänomene – Unterschiede in Zeit und Ort bei verschiedenen Frequenzen – experimentell schwer zu trennen sind. Doch genau diese Trennung versuchten nun Andrew Oxenham und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology im amerikanischen Cambridge.
Um das Innenohr auszutricksen, verwendeten die Forscher überlagerte Schallwellen: Eine hochfrequente Trägerwelle modulierten sie mit einer niederfrequenten Sinusschwingung, wodurch der Bereich der Basilarmembran, der normalerweise auf hohe Töne anspricht, mit niedriger Frequenz angeregt wurde. Wenn nun die zeitliche Information das einzige Kriterium für die Wahrnehmung der Tonhöhe wäre, dann könnte das Ohr eine solche überlagerte Schallwelle von einem reinen Tiefton nicht unterscheiden.
Doch dem war nicht so. Als die Forscher die überlagerten Schallwellen Versuchspersonen vorspielten, konnten diese dem Schall keine bestimmte Tonhöhe zuweisen. Die zeitliche Wahrnehmung war jedoch durch das Experiment nicht gestört, beim Richtungshören versagten die Versuchspersonen keineswegs.
Demnach bleibt das alte Ortsprinzip gültig – eine Erkenntnis, die nicht nur die Neugier der Forscher befriedigt, sondern auch praktische Konsequenzen hat: Cochlea-Implantate, die Gehörlose wieder zu einem zumindest eingeschränkten Hören verhelfen sollen, könnten einfacher konstruiert werden, wenn sie lediglich auf das zeitliche Auflösungsvermögen abzustimmen wären; die Elektronik müsste nur schnell genug arbeiten. Doch nach Ansicht der Forscher führt dieser Weg nicht zum Erfolg. Das Implantat sollte vielmehr mit zahlreichen Elektroden einen möglichst großen Bereich des Innenohrs abdecken.
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.