Höchstauflösende optische Mikroskopie am Corti-Organ

Zusammenfassung

Hintergrund

Innere Haarzellen vermitteln die Kodierung von Schallschwingungen in Nervenimpulse. Sie werden von den Spiralganglienneuronen, die den Hörnerv bilden, afferent innerviert. Schaltstelle ist die spezialisierte afferente Haarzellsynapse, die zu den Bändersynapsen zählt. Struktur und Funktion dieser Synapsen bestimmen wesentlich die Eigenschaften der Signalverarbeitung. In dieser Studie haben wir mit konventionellen und neuen höchstauflösenden optischen Methoden die synaptische Organisation an der inneren Haarzelle der Maus untersucht.

Material und Methoden

Funktionell wichtige Proteine der afferenten Synapse innerer Haarzellen wurden mit immunhistochemischen Methoden selektiv markiert und dann mit konventioneller konfokaler Mikroskopie und den modernen Verfahren 4Pi und STED untersucht.

Ergebnisse

Die Synapsendichte und damit die afferente Innervationsdichte konnte über die gesamte tonotope Achse kartiert werden. Dabei fand sich, dass die inneren Haarzellen in den Bereichen des empfindlichsten Hörens im Vergleich mit den Randbereichen über etwa die doppelte Anzahl an innervierenden Fasern verfügen. Die höchstauflösenden Verfahren 4Pi und STED wurden erstmals verwendet, um die Feinstruktur dieser Synapsen mit Auflösungen jenseits der konventionellen Lichtmikroskopie zu untersuchen. Mit dem 4Pi-Verfahren sind Auflösungen um 100 nm in z-Richtung möglich. Das STED-Verfahren liefert Auflösungen zwischen 150 und 30 nm, abhängig von der Leistung der verwendeten Laser. Synapsen an verschiedenen tonotopen Positionen der Cochlea zeigen auf diesem Auflösungsniveau keine relevanten strukturellen Unterschiede.

Zusammenfassung

4Pi- und STED-Mikroskopie sind in der Lage, die Struktur afferenter Synapsen des Corti-Organs mit bislang nicht erreichter Auflösung darzustellen. Die mit diesen Techniken erzielten Aufnahmen tragen zum Verständnis der Mechanismen der Schallkodierung im Innenohr bei.

Abstract

Background

Inner hair cells encode sound into action potentials in the auditory nerve. Spiral ganglion neurons form the afferent innervation of inner hair cells via the hair cell synapse. The structure and function of this ribbon-type synapse is considered to have a major impact on the sound encoding process itself. In this study we have used conventional confocal microscopy as well as super-resolution techniques to investigate the synaptic organization in the inner hair cells of mice.

Material and methods

Functionally relevant proteins of the afferent inner hair cell synapse were selectively marked using immunohistochemical methods and investigated with conventional confocal and super-resolution 4Pi- and stimulated emission depletion (STED) techniques.

Results

Synapse and innervation density was mapped over the entire tonotopic axis. We found inner hair cells in the region of best hearing to have about twice the number of afferent fibres compared to the apex or base of the cochlea. For the first time 4Pi and STED microscopic techniques were employed to resolve the fine structure of these synapses beyond the resolution of conventional light microscopy. With 4Pi a resolution of approximately 100 nm in the z-axis direction is feasible. In practice STED delivers an effective resolution between 150 and 30 nm, depending on the power of the lasers employed. Synapses at different tonotopic positions of the cochlea exhibit no relevant structural differences at this level of resolution.

Summary

The 4Pi and STED microscopic techniques are capable of showing the structure of afferent synapses in the organ of Corti with unsurpassed resolution. These images contribute to our understanding of sound-encoding mechanisms in the inner ear.