HELMHOLTZ-PREIS 1996 (Preisverleihung am 15.04.1996)
Werner Hemmert für die Arbeit „Dreidimensionale Schwingungsmessungen im Innenohr: Aufklärung der Frequenzselektivität des Gehörs“

Preisträger 1996: Schwingungen im Innenohr dreidimensionmal gemessen

Werner Hemmert wurde 1964 in Moosburg an der Isar geboren. Er studierte Elektrotechnik und Informationstechnik an der TU München. Von 1991 bis 1998 war er am Hörforschungszentrum der Universität Tübingen tätig und untersuchte die Mikromechanik des Innenohres. Für die dort durchgeführten Forschungsarbeiten wurde er 1997 an der Ruhr-Universität Bochum promoviert. Anschließend forschte er am MIT (1998-2000), bei IBM in Rüschlikon (2000-2001) und bei Infineon (2001-2007). Im Jahr 2007 wurde er auf eine Professur für „Bioanaloge Informationsverarbeitung“ an die TU München berufen.

Bei der Schallverarbeitung im Innenohr treten komplexe Vorgänge auf. Die vom Trommelfell aufgenommenen Schallschwingungen lösen in der Hörschnecke oder Cochlea eine Wanderwelle aus, die im Corti-Organ von motorischen Sinneszellen mit scharfer Frequenzabstimmung verstärkt wird. Diese Sinneszellen, die sogenannten äußeren Haarsinneszellen, sind im Innenohr zwischen zwei schwingende Membranen eingebettet, der Basilarmembran und der Tektorialmembran. Die Verstärkung beruht auf der einzigartigen Eigenschaft dieser Zellen, in Reaktion auf die Wanderwelle ihre Länge schnell verändern zu können. Das auf diese Weise für einen bestimmten Frequenzbereich lokal verstärkte Signal wird dann von den benachbarten inneren Haarsinneszellen aufgenommen und an der Synapse in Nervenimpulse umgewandelt, die zum Gehirn geleitet werden.

Wie sich das schwingende System aus Tektorialmembran und äußeren Haarzellen bewegt, untersuchte Dipl.-Ing. Werner Hemmert von der Universität Tübingen mit Hilfe einer von ihm entwickelten Messapparatur, welche die schallinduzierten Schwingungen in drei Dimensionen optisch erfasste. Für seine Arbeit, die im Rahmen seiner Dissertation entstand, wurde er mit dem Helmholtz-Preis 1996 im Bereich „Physikalische Messtechnik in Medizin und Umweltschutz“ ausgezeichnet.

Die dreidimensionale Schwingungsmessung wurde unter einem Mikroskop mit Hilfe eines Laser-Doppler-Velozimeters und eines Photodiodensystems durchgeführt. Während mit dem Laserstrahl des Velozimeters die transversale Schwingungskomponente längs der optischen Achse des Mikroskops erfasst wurde, war die Photodiode für radiale Bewegungen senkrecht zum Laserstrahl empfindlich. Um die Empfindlichkeit der Diodenmessungen zu erhöhen, wurden Mikrokugeln aus Polystyrol auf das zu beobachtende Objekt aufgetragen. Hemmert präparierte die Cochlea eines Meerschweinchens so, dass das Corti-Organ mit den sensorischen Zellen und der Tektorialmembran optisch zugänglich waren. Die Schallstimulation in einem Frequenzbereich von 50 Hz bis 2 kHz erfolgte mit einem Lautsprecher über einen Schlauch durch das noch intakte Mittelohr.

Wie die Mikromechanik der Cochlea funktioniert, zeigten die zweidimensionalen Messungen der transversalen Bewegung und der radialen Bewegungskomponente der Tektorialmembran. Die Bewegungsantwort der Basilarmembran zeigte im tieffrequenten Hörbereich des Meerschweinchens ein absolutes Maximum bei der „Bestfrequenz“ von 735 Hz. Die radiale Komponente hingegen zeigte eine ausgeprägte Resonanz bei 470 Hz. Dieses Verhalten beruht auf der komplexen Mikromechanik des Corti-Organs. So wird die Resonanz bei 470 Hz hervorgerufen durch die Masse der Tektorialmembran und die Steifigkeit der Stereozilien der äußeren Haarsinneszellen. Auf Grund seiner Messungen vermutete Hemmert, dass die massekontrollierte Schwingung der Tektorialmembran die richtigen Phasenbedingungen liefert, sodass die Kontraktion der äußeren Haarzellen im Bereich unterhalb der Bestfrequenz Energie in die durch die Cochlea laufende Wanderwelle einkoppelt und sie dadurch verstärkt.

Darüber hinaus eröffnete die von Hemmert eingeführte Technik neue Möglichkeiten, Funktionsstörungen des schwerhörigen Ohres, die z. B. bei einer Lärmschwerhörigkeit auftreten, besser zu verstehen.

 

Literatur

Werner Hemmert: Dreidimensionale Schwingungsmessungen im Innenohr: Aufklärung der Frequenzselektivität des Gehörs. PTB-Mitteilungen 107, (1997), 12

Werner Hemmert et al.: Three dimensional motion of the organ of Corti. Biophys. J. 78, (2000), 2285