Skip to main content
Log in

Zur Entstehung der Cochleapotentiale von Vögeln: Verhalten bei O2-Mangel, Cyanidvergiftung und Unterkühlung sowie Beobachtungen über die räumliche Verteilung

On the origin of the cochlear potentials in birds: effects of oxygen deficiency, cyanide poisoning and cooling as well as observations on the spatial distribution

  • Published:
Zeitschrift für vergleichende Physiologie Aims and scope Submit manuscript

Summary

  1. 1.

    Methods for recording the potentials [cochlear microphonic (CM);summating potential (SP);endocochlear potential (EP);action potential (AP)] present or occurring as the result of acoustic stimuli in the cochlea of birds (pigeon, starling, sparrow, blackbird) have been described; methods for oxygen removal, cyanide poisoning of the inner ear, and for cooling have been presented.

  2. 2.

    The CM was subdivided into positive (CM+) and negative (CM-) components (polarity relative to the Scala tympani) and these were studied separately. Both components behave somewhat similarly in their intensity function and differ only in their sensitivity to metabolic impairment.

  3. 3.

    The CM- has been shown to be very sensitive to O2 deficiency and local cyanide poisoning, disappearing in the presence of anoxia within 30–40 sec. In hypothermia, there is a simple temperature dependence with a Q10 of 2.0. From these results it is concluded that the CM- represents a hyperpolarization which involves a direct active ion transport.

  4. 4.

    In cases of brief anoxia, the CM+ shows a marked individual variability, varying on the whole only a trifle from the initial value. Postmortally and following cyanide poisoning of the inner ear, it drops slowly to zero level (approx. 1/2 hour). As a result of the difference in sensitivity of the CM+ as compaired with CM- the CM becomes rectified. In hypothermia, the CM+ behaves differently from the CM- in that it usually falls at first below 30° C; below 30° C there is a Q10 of 1.54. From this behaviour it is concluded that CM+ represents a depolarization.

  5. 5.

    The CM of birds may therefore be considered a normal excitable reaction in sensitive structures (hair cell membrane). Davis' theory (from which the CM is derived) that a leakage current flowing through the membrane may be modulated by changes in the membrane resistance could be extended further; — the hyperpolarization is accomplished through active transport and only depolarization is dependent on passive ionic flux. The postmortal portion of the CM consists only in the CM+ and is therefore a depolarization potential, which is dependent on the height of the resting potential.

  6. 6.

    The SP has the same sign and with respect to metabolic impairment, behaves similarly to the CM+. In contrast to the situation in mammals, there is no change of sign during anoxia. Postmortally, the SP — like the CM+ — falls slowly to zero. In hypothermia the fall commences usually below 30° C and then drops rapidly. From these results it has been concluded that SP may be regarded as a depolarization.

  7. 7.

    There is a relationship between the pattern of changes in SP and CM+ and the heart rate; this has therefore been interpreted as a secondary result of the metabolic impairment.

  8. 8.

    Aside from the non-linearity in the stimulus transformation, the origin of SP has been attributed to the separate conditions in the origin of the CM+ and CM-, i.e. to the non-linear process in the potential generation from the hair cell. 9. The change of polarity of the SP, CM+ and CM- takes place in the apical part of the hair cells. This is a further indication that these potentials originate in the hair cells.

  9. 10.

    In the songbirds studied here, the EP has an average value of +15 mV. In anoxia, the EP falls rapidly to negative values, the maximum being between 20–30 mV. Postmortally, the negative potential slowly goes toward zero.

  10. 11.

    The changes which the EP undergoes during anoxia equates that of the CM-; however, there is a difference in the time. The EP reacts earlier. This has been attributed to the fact that the Tegmentum vasculosum (from which the EP originates) receives its supply of O2 directly from the blood stream whereas the Papilla basilaris (from which the CM arises) receives its supply as a result of diffusion through the Tegmentum.

  11. 12.

    The AP often rises at the beginning of anoxia and hypothermia and then falls rapidly (in hypothermia) or disappears (in anoxia). The latency of AP increases with decreasing temperature, whereas it is almost constant for the CM+ and CM-.

Zusammenfassung

  1. 1.

    Ableitmethoden für die verschiedenen in der Cochlea von Vögeln (Taube, Star, Sperling, Amsel) vorhandenen oder auf Schallreiz entstehenden Potentiale [Mikrophonpotential (CM); Summationspotential (SP); endocochleares Potential (EP); Aktionspotential (AP)] werden beschrieben, und es werden Verfahren zum O2-Entzug, zur Cyanidvergiftung des Innenohres und zur Unterkühlung angegeben.

  2. 2.

    Die CM werden in eine positive (CM+) und eine negative Teilkomponente (CM-) aufgeteilt (Polarität bezogen auf Scala tympani) und diese getrennt untersucht. Hinsichtlich der Abhängigkeit von der Reizintensität verhalten sich beide Teilkomponenten etwa gleich, sie unterscheiden sich jedoch in ihrer Empfindlichkeit gegenüber Stoffwechseleinflüssen.

  3. 3.

    CM- erweist sich gegenüber O2-Mangel und lokaler Cyanidvergiftung als sehr empfindlich; es verschwindet bei Anoxie innerhalb 30–40 sec. Bei Hypothermie ergibt sich eine einfache Abhängigkeit von der Temperatur mit einem Q10 von 2,0. Aus diesen Ergebnissen wird geschlossen, daß CM- eine Hyperpolarisation darstellt, der ein unmittelbarer aktiver Ionen-Transport zugrundeliegt.

  4. 4.

    CM+ zeigt bei kurzzeitiger Anoxie erhebliche interindividuelle Variabilität; es schwankt aber insgesamt nur geringfügig um den Ausgangswert. Postmortal und nach lokaler Cyanidvergiftung sinkt es langsam auf Null ab (etwa 1/2 Std). Durch die andersartige Empfindlichkeit von CM+ (im Vergleich zu CM-) kommt es zu einer Gleichrichtung der CM. Auch bei Hypothermie verhält sich CM+ anders als CM- indem es meist erst unterhalb 30° C absinkt; unterhalb 30° C ergibt sich ein Q10 von 1.54. Aus dem Verhalten von CM+ wird geschlossen, daß ihm eine Depolarisation zugrundeliegt.

  5. 5.

    Die CM der Vögel können somit als normale Erregungsvorgänge an sensiblen Strukturen (Haarzellmembran) angesehen werden. Die Theorie von Davis, wonach die CM dadurch entstehen, daß durch Änderung des Membranwiderstandes ein ständig durch die Membran fließender Strom moduliert wird, muß dahingehend erweitert werden, daß die Hyperpolarisation durch aktiven Transport geleistet wird und nur die Depolarisation auf passivem Ionenstrom beruht. Der postmortale Anteil der CM besteht nur aus CM+ und ist danach ein Depolarisationspotential, das von der Höhe des Ruhepotentials abhängt.

  6. 6.

    SP hat das Vorzeichen und weitgehend auch das Verhalten gegenüber Stoffwechseleinflüssen mit CM+ gemeinsam. Im Gegensatz zu den Verhältnissen bei Säugern wird während Anoxie kein Vorzeichenwechsel durchlaufen. Postmortal sinkt SP wie CM+ langsam auf Null ab. Bei Hypothermie sinkt es meist erst unterhalb 30° C, und dann relativ steil ab. Aus diesen Ergebnissen wird geschlossen, daß SP als Dauerdepolarisation anzusehen ist.

  7. 7.

    Unregelmäßigkeiten im Verlauf der Änderungen von SP und CM + stehen in Beziehung zur Herzfrequenz und können somit auf sekundäre Folgen der Stoffwechselbelastung zurückgeführt werden.

  8. 8.

    Neben mechanischer Nichtlinearität bei der Reiztransformation wird die Entstehung von SP auf die unterscheidbaren Entstehungsbedingungen von CM+ und CM-, d. h. auf nichtlineare Vorgänge bei der Potentialbildung an den Haarzellen, zurückgeführt.

  9. 9.

    Der Polaritätswechsel von SP, CM+ und CM- wird im apikalen Bereich der Haarzellen lokalisiert: ein weiterer Hinweis dafür, daß diese Potentiale an den Haarzellen entstehen.

  10. 10.

    EP hat bei den hier untersuchten Singvögeln einen mittleren Wert von +15 mV. Bei Anoxie sinkt EP rasch auf negative Werte ab, deren Maximum bei 20–30 mV liegt. Postmortal geht dieses negative Potential langsam gegen Null.

  11. 11.

    Der Verlauf der Änderungen von EP während Anoxie gleicht demjenigen von CM-, doch besteht eine zeitliche Verschiebung: EP reagiert früher. Dies wird darauf zurückgeführt, daß das Tegmentum vasculosum (Entstehungsort von EP) direkt aus dem Blutstrom, die Papilla basilaris (Entstehungsort von CM) dagegen durch Diffusion aus dem Tegmentum mit O2 versorgt wird.

  12. 12.

    AP steigt zu Beginn der Anoxie und Hypothermie oftmals zunächst an und sinkt dann rasch ab (Hypothermie) oder verschwindet (Anoxie). Die Latenzzeit von AP nimmt mit abnehmender Temperatur zu, während diejenige von CM+ und CM- nahezu konstant bleibt.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Similar content being viewed by others

Literatur

  • Békésy, G. von: Über die mechanische Frequenzanalyse in der Schnecke verschiedener Tiere. Akust. Z. 9, 3–11 (1944).

    Google Scholar 

  • —: DC resting potentials inside the cochlear partition. J. acoust. Soc. Amer. 24, 72–76 (1952).

    Google Scholar 

  • Bornschein, H., Krejci, F.: Das Verhalten der Cochlearpotentiale bei Sauerstoffmangel. Mschr. Ohrenheilk. 83, 190–196 (1949).

    Google Scholar 

  • —: Beitrag zur Analyse des postmortalen Verhaltens der Cochlearpotentiale. Experientia (Basel) 6, 271–272 (1950).

    Google Scholar 

  • —: Elektrophysiologische Untersuchungen über Temperatureffekte in der Schnecke. Acta oto-laryng. (Stockh.) 45, 467–478 (1955).

    Google Scholar 

  • Bosher, S. K., Warren, R. L.: Observations on the electrochemistry of the cochlear endolymph of the rat: a quantitative study of its electrical potential and ionic composition as determined by means of flame spectrophotometry. Proc. roy. Soc. B 171, 227–247 (1968).

    Google Scholar 

  • Butler, R. A.: Some experimental observations on the dc resting potentials in the guinea pig cochlea. J. acoust. Soc. Amer. 37, 429–433 (1965).

    Google Scholar 

  • —, Honrubia, V.: Responses of cochlear potentials to changes of hydrostatic pressure. J. acoust. Soc. Amer. 35, 1188–1192 (1963).

    Google Scholar 

  • —, Honrubia, V., Johnstone, B. M., Fernandez, C.: Cochlear function under metabolic impairment. Ann. Otol. (St. Louis) 71, 648 (1962).

    Google Scholar 

  • —, Konishi, T., Fernandez, C.: Temperature coefficients of cochlear potentials. Amer. J. Physiol. 199, 688–692 (1960).

    Google Scholar 

  • Chambers, A. H., Lucchina, G. G.: Effects on round window potentials of localized changes in cochlear temperature. Ann. Otol. (St. Louis) 69, 698 (1960).

    Google Scholar 

  • Coats, A. C.: Temperature effects on the peripheral auditory apparatus. Science 150, 1481–1483 (1965).

    Google Scholar 

  • Davis, H.: Biophysics and physiology of the inner ear. Physiol. Rev. 37, 1–49 (1957).

    Google Scholar 

  • —: A mechano-electrical theory of cochlear action. Ann. Otol. (St. Louis) 67, 789 (1958).

    Google Scholar 

  • —: A model for transducer action in the cochlea. Cold Spr. Harb. Symp. quant. Biol. 30, 181–190 (1965).

    Google Scholar 

  • —, Deatherage, B. H., Eldredge, D. H., Smith, C. A.: Summating potentials of the cochlea. Amer. J. Physiol. 195, 251–261 (1958).

    Google Scholar 

  • —, Tasaki, I., Smith, C. A., Deatherage, B. H.: Cochlear potentials after intracochlear injections and anoxia. Fed. Proc. 14, 112 (1955).

    Google Scholar 

  • Engebretson, A. M., Eldredge, D. H.: Model for the nonlinear characteristics of cochlear potentials. J. acoust. Soc. Amer. 44, 548–554 (1968).

    Google Scholar 

  • Fernandez, C.: Effect of oxygen lack on cochlear potentials. Ann. Otol. (St. Louis) 64, 1193–1203 (1955).

    Google Scholar 

  • —, Singh, H., Perlman, H.: Effect of short-term hypothermia on cochlear responses. Acta oto-laryng. (Stockh.) 49, 189–205 (1958).

    Google Scholar 

  • Flock, Å.: Ultrastructure and function in the lateral line organs. Lateral line detectors (P. Cahn, ed.), p. 163–197. Bloomington-London: Indiana University Press 1967.

    Google Scholar 

  • —, Kimura, R., Lundquist, P.-G., Wersäll, J.: Morphological basis of directional sensitivity of the outer hair cells in the organ of Corti. J. acoust. Soc. Amer. 34, 1351–1355 (1962).

    Google Scholar 

  • —, Wersäll, J.: A study of the orientation of the sensory hairs of the receptor cells in the lateral line organ of fish, with special reference to the function of the receptors. J. Cell Biol. 15, 19 (1962).

    Google Scholar 

  • Furukawa, T., Ishii, Y.: Neurophysiological studies on hearing in goldfish. J. Neurophysiol. 30, 1377–1403 (1967a).

    Google Scholar 

  • —: Effects of static bending of sensory hairs on sound reception in the gold-fish. Jap. J. Physiol. 17, 572–588 (1967b).

    Google Scholar 

  • Gerhardt, H. J.: Die Cytochromoxydasereaktion in der Meerschweinchenschnecke. Arch. Ohr.-, Nas.- u. Kehlk.-Heilk. 179, 283–289 (1962).

    Google Scholar 

  • Gisselsson, L.: The effect of oxygen lack and decreased blood pressure on microphonic response of the cochlea. Acta oto-laryng. (Stockh.) 44, 101–118 (1954).

    Google Scholar 

  • Goldstein, R.: Analysis of summating potential in cochlear responses of guinea pigs. Amer. J. Physiol. 178, 331–337 (1954).

    Google Scholar 

  • Grinnell, A. D.: Comparative physiology of hearing. Ann. Rev. Physiol. 31, 545–580 (1969).

    Google Scholar 

  • Gulick, W. L., Cutt, R. A.: The effects of abnormal body temperature upon the ear: cooling. Ann. otol. (St. Louis) 69, 35–50 (1960).

    Google Scholar 

  • Harris, G. G., Frishkopf, L. S., Flock, Å.: Receptor potentials from hair cells of the lateral line. Science 167, 76–79 (1970).

    Google Scholar 

  • Honrubia, V., Johnstone, B. M., Butler, R. A.: Maintenance of cochlear potentials during asphyxia. Acta oto-laryng. (Stockh.) 60, 105–112 (1964).

    Google Scholar 

  • —, Ward, P. H.: Properties of the summating potential of the guinea pig's cochlea. J. acoust. Soc. Amer. 45, 1443–1450 (1969).

    Google Scholar 

  • Johnstone, B. M.: The relation between the endolymph and the endocochlear potential during anoxia. Acta oto-laryng. (Stockh.) 60, 113–120 (1965).

    Google Scholar 

  • , Johnstone, J. R., Pugsley, I. D.: Membrane resistance in endolymphatic walls of the first turn of the guinea pig cochlea. J. acoust. Soc. Amer. 40, 1398–1404 (1966).

    Google Scholar 

  • Johnstone, J. R., Johnstone, B. M.: Origin of summating potential. J. acoust. Soc. Amer. 40, 1405–1413 (1966).

    Google Scholar 

  • Kahana, L., Rosenblith, W. A., Galambos, R.: Effect of temperature change on round window response in the hamster. Amer. J. Physiol. 163, 213–223 (1950).

    Google Scholar 

  • Konishi, T., Butler, R. A., Fernandez, C.: Effect of anoxia on cochlear potentials. J. acoust. Soc. Amer. 33, 349–356 (1961).

    Google Scholar 

  • —, Kelsey, E., Singleton, G. T.: Negative potential in scala media during early stage of anoxia. Acta oto-laryng. (Stockh.) 64, 107–118 (1967).

    Google Scholar 

  • —, Yasuno, T.: Summating potential of the cochlea in the guinea pig. J. acoust. Soc. Amer. 35, 1448–1452 (1963).

    Google Scholar 

  • Kurokawa, S.: Experimental study on electrical resistance of basilar membrane in guinea pig (jap., engl. summary). Jap. J. Oto-Rhino-Laryngol. 68, 1177–1195 (1965).

    Google Scholar 

  • Lawrence, M.: Electric polarization of the tectorial membrane. Ann. Otol. (St. Louis) 76, 287–312 (1967).

    Google Scholar 

  • Legouix, J. P.: Observation des réponses microphoniques cochléaire à des signaux de type impulsionnel. Acustiaca 16, 159–165 (1966).

    Google Scholar 

  • Løyning, Y.: Effects of barbiturates and lack of oxygen on the monosynaptic reflex pathway of the cat spinal cord. In: Studies in pyhsiology (D. R. Curtis and A. K. McIntyre, eds.) p. 178–186. Berlin-Heidelberg-New York: Springer 1965.

    Google Scholar 

  • Lüttgau, H. C.: Nervenphysiologie (einschl. Elektrophysiologie des Muskels). Fortschr. Zool. 15, 92–124 (1963).

    Google Scholar 

  • Menzio, P., Voeno, G., Sartoris, A.: On the behaviour of the microphonic effect of the cochlea during hypothermia. An experimental study. Acta oto-laryng. (Stockh.) 59, 531–540 (1965).

    Google Scholar 

  • Misrahy, G. A., Jonge, B. R. de, Shinabarger, E. W., Arnold, J. E.: Effects of localized hypoxia on the electrophysiological activity of the cochlea of the guinea pig. J. acoust. Soc. Amer. 30, 705–709 (1958b).

    Google Scholar 

  • —, Shinabarger, E. W., Arnold, J. E.: Changes in cochlear endolymphatic oxygen availability, action potential, and microphonics during and following asphyxia, hypoxia, and exposure to loud sounds. J. acoust. Soc. Amer. 30, 701–704 (1958a).

    Google Scholar 

  • Naftalin, L.: Some new proposals regarding acoustic transmission and transduction. Cold Spr. Harb. Symp. quant. Biol. 30, 169–180 (1965).

    Google Scholar 

  • Necker, R.: Mikrophon-und Summationspotentiale des Vogelohres bei N2-Beatmung. Naturwissenschaften 56, 143–144 (1969).

    Google Scholar 

  • —, Schwartzkopff, J.: Entstehungsort und räumliche Verteilung der Mikrophon- und Summationspotentiale im Vogelohr. Naturwissenschaften 56, 92 (1969).

    Google Scholar 

  • Nieder, P., Nieder, I.: Studies of two-tone interaction as seen in the guinea pig microphonic. J. acoust. Soc. Amer. 44, 1409–1422 (1968).

    Google Scholar 

  • Radionova, E. A.: Untersuchung der Funktion des Innenohres (Schnecke) der Vögel in chronischen Experimenten (russ.). Probl. Fiziol. Akust. 4, 216–226 (1959).

    Google Scholar 

  • Rauch, S. (ed): Biochemie des Hörorgans. Stuttgart: Thieme 1964.

    Google Scholar 

  • Rautenberg, W.: Die Bedeutung der zentralnervösen Thermosensitivität für die Temperaturregulation der Taube. Z. vergl. Physiol. 62, 235–266 (1969).

    Google Scholar 

  • Riesco-McClure, J. S., Davis, H., Gernandt, B. E., Covell, W. P.: Ante-mortemfailure of the aural microphonic in the guinea pig. Proc. Soc. exp. Biol. (N.Y.) 71, 158–160 (1949).

    Google Scholar 

  • Schmidt, R. S.: Blood supply of pigeon inner ear. J. comp. Neurol. 123, 187–203 (1964).

    Google Scholar 

  • —, Fernandez, C.: Labyrinthine do potentials in representative vertebrates. J. cell. comp. Physiol. 59, 311–322 (1962).

    Google Scholar 

  • Schwartzkopff, J.: Untersuchungen über die Arbeitsweise des Mittelohres und das Richtungshören der Singvögel unter Verwendung von Cochlea-Potentialen. Z. vergl. Physiol. 34, 46–68 (1952).

    Google Scholar 

  • : Über den Einfluß der Bewegungsrichtung der Basilarmembran auf die Ausbildung der Cochlea-Potentiale von Strix varia und Melopsittacus undulatus. Z. vergl. Physiol. 41, 35–48 (1958).

    Google Scholar 

  • - Der Einfluß der Impuls-Folge-Frequenz auf die Komponenten des Cochlea-Potentials von Vögeln. Verh. Dtsch. Zool. Ges. Bonn, 416–424 (1960).

  • —, Brémond, J. C.: Méthode de dérivation des potentiels cochléaires chez l'oiseau. J. Physiol. (Paris) 55, 495–518 (1963).

    Google Scholar 

  • —, Winter, P.: Zur Anatomie der Vogel-Cochlea unter natürlichen Bedingungen. Biol. Zbl. 79, 607–625 (1960).

    Google Scholar 

  • Stevens, S. S., Davis, H.: Hearing. Its psychology and physiology. London: Wiley and Sons 1938.

    Google Scholar 

  • Stopp, P. E., Whitfield, I. C.: Summating potentials in the avian cochlea. J. Physiol. (Lond.) 175, 45–46P (1964).

    Google Scholar 

  • Tasaki, I., Davis, EL, Legouix, J. P.: The space-time pattern of the cochlear microphonics (guinea pig), as recorded by differential electrodes. J. acoust. Soc. Amer. 24, 502–519 (1952).

    Google Scholar 

  • —, Eldredge, D. H.: Exploration of cochlear potentials in the guinea pig with a microelectrode. J. acoust. Soc. Amer. 26, 765–773 (1954).

    Google Scholar 

  • —, Spyropoulos, C. S.: Stria vascularis as source of endocochlear potential. J. Neurophysiol. 22, 149–155 (1959).

    Google Scholar 

  • Tsunoo, M., Perlman, H. B.: Cochlear oxygen tension. Relation to blood flow and function. Acta oto-laryng. (Stockh.) 59, 437–450 (1965).

    Google Scholar 

  • Vinnikov, J. A., Vosipova, J., Titova, L. K., Govardovsky, V. J.: Electron microscopy of Corti's organ of birds. Zh. Obshch. Biol. 28, 138–150 (1965).

    Google Scholar 

  • Wever, E. G., Bray, C. W.: Hearing in the pigeon as studied by the electrical responses of the inner ear. J. comp. Psychol. 22, 353–363 (1936).

    Google Scholar 

  • —, Lawrence, M.: The nature of cochlear activity after death. Ann. otol. (St. Louis) 50, 317–329 (1941).

    Google Scholar 

  • —, Lawrence, M., Hemphill, R. W., Straut, C. B.: Effects of oxygen deprivation upon cochlear potentials. Amer. J. Physiol. 159, 199–208 (1949).

    Google Scholar 

  • Whitfield, I. C., Ross, H. F.: Cochlear microphonic and summating potentials and the outputs of individual hair-cell generators. J. acoust. Soc. Amer. 38, 126–131 (1965).

    Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Additional information

Dissertation der Abteilung für Biologie der Universität Bochum.

Herrn Prof. Schwartzkopff danke ich für die Überlassung des Themas und die kritische Durchsicht des Manuskripts. Die Versuche wurden z.T. mit Geräten der Deutschen Forschungsgemeinschaft durchgeführt (zur Verfügung von Professor Schwartzkopff).

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Necker, R. Zur Entstehung der Cochleapotentiale von Vögeln: Verhalten bei O2-Mangel, Cyanidvergiftung und Unterkühlung sowie Beobachtungen über die räumliche Verteilung. Z. vergl. Physiolgie 69, 367–425 (1970). https://doi.org/10.1007/BF00333768

Download citation

  • Received:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/BF00333768

Navigation