Das ohr und sein modell
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Das Ohr und sein Modell. Dr. Fridtjof Feldbusch Department of Computer Science University of Karlsruhe. Auszug bearbeitet: von I. Müller. Überblick. Schall - Grundlagen Das Ohr im Überblick Das innere Ohr Organ von Corti Auditorischer Pfad Auditorischer Cortex Fazit.

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Das Ohr und sein Modell

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Presentation Transcript


Das ohr und sein modell

Das Ohr und sein Modell

Dr. Fridtjof Feldbusch

Department of Computer ScienceUniversity of Karlsruhe

Auszug

bearbeitet: von I. Müller


Berblick

Überblick

  • Schall - Grundlagen

  • Das Ohr im Überblick

  • Das innere Ohr

  • Organ von Corti

  • Auditorischer Pfad

  • Auditorischer Cortex

  • Fazit


Schall physikalisch gesehen

Schall – physikalisch gesehen

  • Schall ist eine Schwingung in einem elastischen Medium

  • Kompression und Expansion des Mediums

  • Ausbreitung in Gas und Flüssigkeiten durch Longitudinalwellen


Die lautst rke

Die Lautstärke


Der gute ton

Der gute Ton


Der harmonische klang

Der harmonische Klang


Und das ger usch

… und das Geräusch


Das menschliche geh rfeld

Das menschliche Gehörfeld

  • Frequenzbereich von 20 bis 20.000 Hz (altersabhängig)

  • Schallpegel von 0 dB bis 120 dB (spl)

  • Min. Frequenzabstand:

    • 3%

    • Im direkten Vergleich: 0.2 %

    • vgl. Halbton 6%

  • Nur 6-10 Mikrosekunden Zeitunterschied zwischen Signalen an beiden Ohren

    • > ermöglicht räumliches Hören

    • Bei geübten Personen (Dirigenten) sogar nur 3 Mikrosekunden


Das menschliche geh rfeld1

Das menschliche Gehörfeld

  • Der Schall wird gemessen:

    • Intensität: in dB

    • Frequenz: in Hz

  • Audiogramm:

    • Schallpegel in Abhängigkeit von der Frequenz

    • Hörschwelle

    • Wahrnehmung-, Schmerzgrenze

    • Hörbereich, Sprachbereich


Das ohr im berblick

Das Ohr im Überblick

  • Ohrmuschel mit Gehörgang

  • Mittelohr

  • Innenohr

  • Hörnerv

  • Auditorischer Pfad

  • Cortex


Das ohr im berblick au enohr

Das Ohr im Überblick - Außenohr

  • Ohrmuschel

    • Knorpelig, faltig

    • fängt Schall ein

    • Schallmodulation je nach Richtung

  • Gehörgang

    • leichte S-Form

    • Orgelpfeifen-resonanz: verstärkt um Faktor 2

    • Talgdrüsen

    • Häärchen


Das ohr im berblick das mittelohr

Das Ohr im Überblick – Das Mittelohr

  • Hammer

  • Amboss

  • Steigbügel

  • Trommelfell

  • Paukenfenster

  • Ohrtrompete


Die mechanik des mittelohrs

Die Mechanik des Mittelohrs

  • Einfangen der Schallwellen am Trommelfell

  • Wirkungsvolle Übertragung auf die Flüssigkeiten im Innenohr

  • Verstärkung besonders zwischen 1 und 3 kHz

  • Schutzfunktion:

    • Druckausgleich über Ohrtrompete

    • Stapedius Reflex zur Unterdrückung der eigenen Stimme


Das ohr im berblick das innere ohr

Das Ohr im Überblick – Das Innere Ohr

Gleichgewichtsorgan und Cochlea haben gemeinsamen embrionalen Ursprung und Bestandteile, jedoch unterschiedliche Ausprägungen

  • Gleichgewichtsorgan (Vestibularapparat)

  • Nerv zum Gehirn

  • Anfang der Cochleagänge

  • Spitze der Schnecke


Das innere ohr der vestibularapparat

Das Innere Ohr – Der Vestibularapparat

Aufgaben: Erfassung von

  • Drehbewegung

    • In Erweiterungen der Bogengänge

    • Keine orthogonale Ausrichtung für besten Arbeitsbereich

  • Und Linearbeschleunigung

    • In kleinem und großem Vorhofsäckchen

  • Trägheit von Flüssigkeiten

    • Abbiegen von Haarzellen

  • Genauigkeit:

    • Beschleunigung innerhalb von 0,1 Grad/sec

    • Auslenkung von 10 Nanometer


Das innere ohr die ohrschnecke

Das Innere Ohr – die Ohrschnecke

  • Schneckengang

  • Vorhoftreppe

  • Paukentreppe

  • Gewundenes Ganglion

  • Gehörnervfasern


Die ohrschnecke

Die Ohrschnecke

  • Steigbügel überträgt Vibrationen auf Vorhoffenster

  • Druckwelle bewegt sich auf Vorhoftreppe (rot)

  • Ab der Spitze zurück über Paukentreppe zum Paukenfenster (blau)

    Schneckengang wird

  • nach oben durch Reissners‘-

  • nach unten durch Basilar-membran

    begrenzt.


Die ohrschnecke basilarmembran

Die Ohrschnecke - Basilarmembran

Eigenschaften der Basilarmembran

  • Abnehmende Spannung

  • Zunehmende Breite => größere Querschnitt / mehr Flüssigkeit

  • Damit zur Spitze hin sinkende Resonanzfrequenz entlang der Cochlea (Passive Tonotopy)

  • An der Basis => hohe Frequenzen (obere Abb.)

  • An der Spitze => tiefe Frequenzen (untere Abb.)


  • Die ohrschnecke basilarmembran1

    Die Ohrschnecke - Basilarmembran

    Resonanzfrequenzkarte

    • An der Basis 20 kHz

    • An der Spitze 20 Hz

    • Verbreiterung der Basilarmembran

    4000

    2000

    1000

    7000


    Die ohrschnecke basilarmembran2

    Die Ohrschnecke - Basilarmembran

    Durch Steigbügel übertragene

    Vibrationen erzeugen

    • Druckwelle bis hin zum Paukenfenster (Schallgeschwindigkeit des Wassers)

      Durch Ausgleich am Paukenfenster

    • Wanderwelle durch Druckunterschied zwischen Vorhof- und Paukentreppe (sehr viel langsamer)


    Wanderwelle schematisch

    Wanderwelle schematisch

    Die Hörschnecke abgerollt:


    Wanderwelle schematisch1

    Die Hörschnecke abgerollt:

    Wanderwelle schematisch


    Das organ von corti

    Das Organ von Corti

    • Schneckengang

    • Vorhoftreppe

    • Paukentreppe

    • Reissners‘ Membran

    • Basilarmembran

    • Tektorische Membran

    • StriaVascularis

    • Nervenfasern

    • Knöchernes

      gewundenes Lamina


    Das organ von corti1

    Das Organ von Corti

    • Ort der Perzeption

    • Auf Basilarmembran

    • Endolymphe gefüllt

    • Lockere Struktur,

    • steif genug zum Schwingen


    Organ von corti im detail

    Organ von Corti – Im Detail

    • Innere Haarzellen

    • Äußere Haarzellen

    • Tunnel von Corti

    • Basilarmembran

    • Retikuläres Lamina

    • Tektorische Membran

    • Zellen Deiters‘

    • Kutikuläre Platte

    • Hensens‘ Zellen

    • Retikuläres Lamina


    Organ von corti im detail1

    Organ von Corti – Im Detail

    Innere (links) und äußere (rechts) Haarsinneszellen mit Dendriten (gelb) der Neurone des Corti-Ganglions


    Das organ von corti in schwingung

    Das Organ von Corti in Schwingung

    • Schwingende Basilarmembran

    • Bewegt darauf liegendes Cortisches Organ

    • Höhere Festigkeit der Tektorischen Membran biegt die äußeren Haarzellen ab


    Sensorische haarzellen

    Sensorische Haarzellen

    • Mechanorezeptoren

    • Besitzen fingerartige Ausstülpungen (Stereovilli)

      Bei Bewegung:

    • Änderung des Potentials an der Membran

    • Weiterleitung an die Nerven


    Elektronenmikroskopische aufnahmen der sinnesh rchen

    Elektronenmikroskopische Aufnahmen der Sinneshärchen


    Sensorische haarzellen1

    Sensorische Haarzellen

    • Innere Haarzellen

      • Stereovilli in Linie

    • Äußere Haarzellen

      • Stereovilli in W-Form

    • Zellkern

    • Stereovilli

    • Kutikuläre Platte

    • Zuführendes Radialende

    • Seitlich ausführendes Ende

    • Ausführendes Mittende

    • Gewundenes zuführendes Ende


    Sensorischen haarzellen

    Sensorischen Haarzellen

    Stereovilli besitzen feine Verbindungen:

    • Seitlich in der gleichen Reihe

    • Von Reihe zu Reihe

    • Sog. Tip Links an deren Spitze zur nächst größeren Reihe


    Sensorische haarzellen2

    Sensorische Haarzellen

    Es gibt ca.

    • 3.500 innere Haarzellen

    • 12.000 äußere Haarzellen

    • Ca. 100 Stereovilli pro Haarzelle

    • Zahlen nehmen im Laufe des Lebens ab


    Haarzellen und mechanisch transduktiver prozess

    Haarzellen und mechanisch-transduktiver Prozess

    • Transduktion: Umsetzung einer Energieform in eine andere

    • Haarzellen setzen mechanische Vibrationen in elektrische Membranpotentiale um

    • An deren Basis: chemische Weiterleitung an Synapsen


    Haarzellen und mechanisch transduktiver prozess1

    Haarzellen und mechanisch-transduktiver Prozess

    • Stereovilli werden abgebogen

    • K+ dringt ein

    • Zelle wird depolarisiert

    • Verschließen der Kanäle

    • Ca2+ aktiviert Bewegungsprotein

    • Rückstellung der Stereovilli


    Haarzellen und mechanisch transduktiver prozess2

    Haarzellen und mechanisch-transduktiver Prozess

    • Vermutung: Tip Links sind für Kanalöffnung, bzw. Schließung verantwortlich

    • Schneller Depolarisationszyklus ( bis 100 kHz)

    • Potenziale sinken unter Dauerton und müssen wieder hergestellt werden

    • Hörermüdungstest


    Anschluss der nervenfasern

    Anschluss der Nervenfasern

    Neurotransmitter an den Synapsen: Glutamat


    Anschluss der ihc an den nerv

    Anschluss der IHC an den Nerv


    Der h rnerv

    Der Hörnerv

    • Überträgt Signale von der Cochlea zum NucleusCochlearis

    • Etwa 20 Nervenfasern beginnen an jeder inneren Haarzelle

    • Auch ohne Stimuli Entladungen: „Spontane Aktivität“

    • Kodierung der physikalischen Eigenschaften der Töne


    Kodierung auf dem h rnerv

    Kodierung auf dem Hörnerv

    • Tiefe Töne: Phasenkodierung

    • Hohe Töne: Ortskodierung

    • Lautstärke: Ratenkodierung + Ortskodierung

    • Richtung: Zeitkodierung


    Phasenkodierung

    Phasenkodierung

    • Maximale Entladungsrate in oberer Umkehrphase


    Kodierung von zeitdauer und intensit t

    Kodierung von Zeitdauer und Intensität

    • Zeitdauer der Aktivierung der Hörnervzelle entspricht der Zeitdauer des Stimulus

    • Entladungsrate kodiert Intensität


    Der auditorische pfad

    Der auditorische Pfad


    Der auditorische pfad1

    Der auditorische Pfad

    Drei Komponenten:

    • Das auditorische Sinnesorgan 

    • Der Hörnerv 

    • Die auditorischen Gebiete im Gehirn


    Neuronenanzahl

    Neuronenanzahl


    Zeitlicher ablauf

    Zeitlicher Ablauf


    Nucleus cochlearis

    Nucleus Cochlearis


    Nucleus cochlearis1

    Nucleus Cochlearis

    • Erste Verarbeitung und Umschaltung

    • Aufteilung:

      - ventral (Verbesserte Phasenkopplung, Weitergabe nur wenig veränderter Information zum Olivenkomplex)

      - dorsal (Mustererkennung)

    • Mindestens 22 verschiedene Neuronentypen


    Nuclei oliva superiori

    Nuclei oliva superiori

    Laufzeitanalyse für tiefe Töne:

    Horizontales Richtungshören


    Leminiscus lateralis

    Leminiscus lateralis

    • Auditorischer Hauptpfad

    • Ein Nebenpfad ist die Formatio Reticularis


    Colliculus inferior

    Colliculus inferior

    Landkarte räumlicher Beziehungen der Töne.

    Reagiert auf bewegte Schallquellen.


    Corpus geniculatum des thalamus

    Corpus geniculatum des Thalamus

    Aufmerksamkeitssteuerung,

    emotionale Bewertung


    Der auditorische cortex

    Der auditorische Cortex


    Rechts tonh hen melodien

    Rechts: Tonhöhen, Melodien


    Links rhythmen zeitl strukturen

    Links: Rhythmen, zeitl. Strukturen


    Fazit 1

    Fazit (1)

    • perfekt seinen Bedürfnissen angepasst

    • Hören ist ein aktiver Prozess

      • Anpassung an Hörumgebung

      • Schutzfunktionen

      • Frequenzselektivität

      • Cochleaverstärker

      • Mustererkennung


    Fazit 2

    Fazit (2)

    • Der Vorgang des Hörens ist hochkomplex

    • Erschwerte Forschung in höheren Ebenen des auditorischen Pfades durch fehlende Kenntnis der Kodierung

    • Völlig andere Funktionsweise als ein analytischer Ansatz eines Ingenieurs


    Fazit 3

    Fazit (3)

    • Zwischen dem Sinnesorgan und der bewussten Wahrnehmung liegt ein mächtiger neuronaler Filter


    Danke f r die aufmerksamkeit

    Danke für die Aufmerksamkeit!


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