Aufklärung der schallinduzierten Bewegungsmuster der Hörstrukturen in Fischen: Ein neuer experimenteller tomographie-gestützter 4D-Ansatz

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Martin Heß; Dr. Tanja Schulz-Mirbach
• Fachliche Zuordnung: Biologie des Verhaltens und der Sinne ; Systematik und Morphologie der Tiere
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491091951

Moderne Knochenfische (Teleostei) zeigen eine große Vielfalt der Hörfähigkeiten und der Hörstrukturen, wie den Otolithen in den Innenohren und der Schwimmblase. Dennoch sind experimentelle Erkenntnisse über die grundlegende Funktionsweise der Hörstrukturen rar und meist auf wenige Modellorganismen wie den Goldfisch oder den Zebrabärbling beschränkt. Dies ist auf Schwierigkeiten einer zerstörungsfreien Durchführung von In-Situ-Experimenten zurückzuführen. In Projekten an der European Synchrotron Radiation Facility haben wir ein Setup entwickelt, das die nicht-invasive Darstellung schallinduzierter Bewegungen von Hörstrukturen in Fischen erlaubt. Die sich bewegenden Strukturen wurden jedoch nur in 2D (+ Zeit) aufgenommen, wodurch ihr dreidimensionaler Charakter unberücksichtigt und die Interpretation des funktionellen Zusammenspiels einschränkt blieben.In unserem beantragten Projekt streben wir einen neuen tomographie-basierten Ansatz an, um den schallinduzierten Bewegungsablauf von der Schwimmblase über die Weberschen Knöchelchen hin zu den Otolithen in 4D (3 Raumrichtungen + Zeit) zu charakterisieren. Um der Vielfalt der Hörstrukturen Rechnung zu tragen, werden wir 6 Otophysenarten miteinander vergleichen: Danio rerio, Pangio kuhlii, Sewellia lineolata (Cypriniformes) und Kryptopterus vitreolus, Ancistrus dolichopterus, Corydoras aeneus (Siluriformes). Wir streben die Entwicklung eines Versuchsaufbaus für die In-Situ-Visualisierung der Hörstrukturen mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung an. Dies ermöglicht erstmalig, die Bewegungsmuster der Hörstrukturen in 3D abhängig von der Schallkomponente (Schalldruck vs. schallinduzierte Partikelbewegung), der Frequenz, dem Schallpegel und der Art zu quantifizieren.Bei Vorarbeiten an der Swiss Light Source haben wir den Prototyp eines 20ml-Standing Wave Tube-artigen Setups für die zeitaufgelöste Tomographie (Pixelgröße: 2.75µm Bildfrequenz: 2kHz) getestet, das separat im Modus „Schalldruck“ bzw. „schallinduzierte Partikelbewegung“ betrieben werden kann. Darauf aufbauend werden wir die zeitlich-räumliche (Bildfrequenz: 20kHz; Pixelgröße: < 1.0µm) Auflösung durch die Installation eines neuen Mikroskops an der TOMCAT-Beamline erhöhen. Die Bewegungsmuster werden als Rotation und Translation unter Verwendung einer Datenverarbeitungs-Pipeline quantifiziert.Die Quantifizierung der Übertragungswege von der Schwimmblase zu den Innenohren wird das Verständnis der Schallübertragung in Teleostiern entscheidend erweitern. Dadurch können wir vor Jahrzehnten postulierte Hypothesen zur Funktionsweise des Weberschen Apparates testen. Unsere Ergebnisse werden die Basis für Modellierungen dieser Bewegungsabläufe in solchen Fischen bilden, die aus Artenschutzgründen oder als Fossilien nicht für Laborexperimente zugänglich sind. Außerdem werden unsere methodischen Entwicklungen Anwendung in der Humanmedizin zur Aufklärung der Effekte von Pathologien auf die Bewegung der Gehörknöchelchen im Mittelohr finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich, Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Kooperationspartner: Dr. Stefan Gstöhl; Professor Dr. Friedrich Ladich; Dr. Christian Schlepütz