Einstellen auf das Innenohr

Assistenzprofessor Basile Tarchini, Ph.D., arbeitet daran, die grundlegenden Mechanismen der Haarzellenentwicklung zu verstehen, mit dem Ziel, das Gehör nach einer Verletzung wiederherzustellen.

Hast du dieses Geräusch gehört? Wenn ja, können Sie Ihre stereocilia danken.

Diese winzigen Fasern bilden Bündel, die auf sensorischen Haarzellen tief in Ihrem Innenohr sitzen, und geben ihnen ihren Namen. Stereocilia sind so zerbrechlich und knapp, wie sie entscheidend für Ihre Fähigkeit zu hören sind.

Dr. Basile Tarchini.Untersuchung der Innenohrentwicklung mit Schwerpunkt auf der Rolle der Zytoskelettpolarisation bei sensorischer Funktion und Hörverlust, mit dem Ziel, Therapien für die Regeneration sensorischer Zellen zu informieren.Basile Tarchini untersucht Stereozilien, die Schall durch komplexe Signaloperationen mit dem Gehirn in Gehör umwandeln. Die Arbeit des Assistenzprofessors des Jackson Laboratory (JAX) hat unerwartete Aspekte der Entwicklung von Stereozilien aufgedeckt.

Normale Innenohr-Stereozilien wachsen in einer “Treppen” -Formation mit einer kurzen bis hohen Abstufung von Haaren im Bündel, die wie Kinder auf einem Klassenfoto angeordnet sind. “Diese treppenartige Architektur des Haarbündels ist essentiell für das Hören und gilt als instrumental für die Richtungsempfindlichkeit gegenüber Schallreizen”, sagt Tarchini.

Hier, in groben Zügen, ist, wie Sie hören. Schallwellen dringen in das äußere Ohr ein und wirbeln den Gehörgang hinunter, bis sie das Trommelfell erreichen und es vibrieren lassen. Winzige Mittelohrknochen, die mit dem Trommelfell verbunden sind, verstärken die Schallwellen und liefern sie an den auditorischen Teil des Innenohrs oder der Cochlea.

Die Cochlea ist wie ein Schneckenhaus geformt und mit Flüssigkeit gefüllt und durch eine elastische Trennwand, die Basilarmembran, in einen oberen und unteren Teil unterteilt. In dieser flüssigen Umgebung werden die Schallwellen zu flüssigen Wellen, die sich entlang der Basilarmembran bewegen. Innenohr-Haarzellen auf der Basilarmembran reiten buchstäblich auf diesen Wellen.

Die Stereozilien an der Spitze der Haarzellen schwanken und biegen sich im Fluss. “Es gibt winzige Verbindungen zwischen Stereozilien”, sagt Tarchini, “die das Höchste mit dem nächsthöheren verbinden und so weiter. Spannungen an diesen Verbindungen führen dazu, dass sich porenartige Kanäle an den Spitzen der Stereozilien öffnen und Ionen in die Zellen strömen, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird.

“Diese gesamte Struktur fungiert als Bewegungssensor.”

Der Hörnerv überträgt das elektrische Signal an das Gehirn, das den Schall erkennt und interpretiert. Erstaunlicherweise sind die Haarzellen entlang der Basilarmembran wie die Tasten eines Klaviers angeordnet, von hoch bis niedrig: Diejenigen, die sich in der Nähe des Eingangs der Cochlea befinden, sind dafür verantwortlich, hohe Geräusche wie Vogelgezwitscher zu erkennen, und diejenigen, die sich in der Nähe des Zentrums der “Schnecke” befinden, spüren niedrigere Töne wie weit entfernten Donner.

In einer gesunden menschlichen Cochlea verarbeiten nur etwa 16.000 Haarzellen diese aufwendige Choreographie der Schallsignalisierung, und nur 4.000 von ihnen sind echte Schallrezeptoren. Im Vergleich dazu verfügt die Netzhaut des menschlichen Auges über etwa 127 Millionen Photorezeptoren — Stäbchen und Zapfen —, um visuelle Signale zu verarbeiten.

Haarzellen sind nicht nur selten, sondern auch anfällig für Umweltschäden. Anhaltendes lautes Geräusch von der Arbeit im Bauwesen oder beim Militär oder der Teilnahme an einem Haarband-Tributkonzert der 1980er Jahre kann Haarzellen abtöten, und einige Antibiotika und Krebsmedikamente verursachen auch die Zerstörung von Haarzellen.

Menschen entwickeln ihre Haarzellen sehr früh im Leben – etwa 10 Wochen nach der Empfängnis. Und Menschen, wie Mäuse und andere Säugetiere, werden mit allen Haarzellen geboren, die sie jemals bekommen werden. Auf der anderen Seite haben Vögel, Fische und andere Nicht-Säugetiere die Fähigkeit, verlorenes Gehör durch verschiedene regenerative Prozesse wiederherzustellen.

Die Arbeit mit Mäusen, das Verständnis der feinen Architektur von hearingWork von einem Team, darunter JAX Assistant Professor Basile Tarchini, Ph.D., wirft Licht auf den Mechanismus, der die Montage der Treppe Muster des Haarbündels lenkt. Tarchini entdeckte einen Signalweg, der die charakteristische Kurz- bis Hochorganisation von Stereozilien während der Entwicklung reguliert. Wenn dieser Signalweg gestört ist, zeigte er, dass Stereozilien kürzer und gleichmäßiger sind und das Tier taub ist. Das Verständnis der grundlegenden Mechanismen, die der Entwicklung von Haarzellen zugrunde liegen, verspricht, das Regenerationspotenzial bei Erwachsenen freizusetzen und das Gehör nach einer Verletzung wiederherzustellen.

Die treppenförmige Organisation des Stereozilienbündels bedeutet auch, dass jede Haarzelle eine Direktionalität aufweist, wie die magnetisierte Nadel eines Kompasses. Darüber hinaus richten benachbarte Haarzellen ihre Bündel gemeinsam aus, so wie eine Ansammlung von Kompassen alle auf den magnetischen Nordpol zeigen würde. Arbeiten mit Kollegen an der Rockefeller University, Tarchini zeigte, dass Protein Daple Innenohr einzelzell- und organweite directionalityJAX koordiniert, Rockefeller Research Team zeigt Mäuse fehlt Daple Entwicklungsdefekte in Haarzellen und Bündel zeigen.ein einzelnes Protein, Daple, wird benötigt, um die Architektur des Stereozilienbündels in einzelnen Haarzellen zu formen und ihre konzertierte Orientierung im umgebenden Organ zu etablieren. Bei Mäusen, denen Daple fehlt, sind Haarbündel unförmig und in einem Muster falsch ausgerichtet, das sowohl einzelzell- als auch organweite Defekte anzeigt.

Tarchini wurde in der Schweiz geboren, Französisch ist seine Muttersprache. Er erhielt seine B.Sc . und Ph.D. in Biologie an der Université de Genève. Dort arbeitete er als Doktorand im Labor von Denis Duboule, einem bedeutenden Professor in der Abteilung für Genetik und Evolution. Tarchini erhielt dann ein Stipendium des Human Frontier Science Program, eines renommierten internationalen Programms zur Forschungsunterstützung, und absolvierte sein Postdoc-Stipendium am Institut de Recherches Cliniques de Montréal in Kanada. Dort arbeitete er mit Prof. Michel Cayouette, dessen Labor die Bestimmung des Zellschicksals in der Netzhaut untersucht.

Neues Interesse am Innenohr, verbunden mit einer lebenslangen Tendenz, den weniger befahrenen Weg zu gehen, veranlasste Tarchini, seinen Forschungsweg zu ändern.

“Ich hatte Bedenken, dass mein Retina-Projekt nicht schnell genug und nicht vielversprechend genug war”, erinnert er sich. “Ich hatte die Idee, in ein anderes Organ zu schauen, und ich hatte gehört, dass das Innenohr ein erstaunliches System ist, wenn es um die Zellpolarität geht. Aber ich wusste nichts über das Innenohr.”

Dies begann, sagt Tarchini, als “sehr riskanter und ineffektiver Ausflug in das Innenohr”und beinhaltete das Unterrichten von Selbsttechniken, weil niemand sonst im Labor das Wissen hatte, ihn zu trainieren. “Ich habe also viel Zeit verloren, aber es stellte sich als Investition in meine zukünftige Forschung heraus. Ich hatte großes Glück; Michel ist ein besonders aufgeschlossener und Hands-off-Mensch, und er gab mir die Freiheit und Zeit, ein anderes System zu erkunden.”

Der Schritt zum Studium des Innenohrs ermöglichte es Tarchini, die schwierige Situation eines Postdocs, der sein eigenes Labor gründete, nachdem er im Labor eines etablierten Wissenschaftlers gearbeitet hatte, erfolgreich zu meistern. “Am Ende erwies sich diese Innenohrarbeit als sehr interessant, und ich konnte das Cayouette-Labor verlassen und die gleiche Forschung nahtlos unabhängig fortsetzen, ohne mir Sorgen machen zu müssen, ob ich meinem vorherigen Berater auf die Zehen trat. Und das war fantastisch.”

Tarchinis ehemalige Mentoren beobachten Tarchinis Fortschritte weiterhin mit Interesse und Stolz. “Basile ist ein fantastischer Wissenschaftler”, sagt Cayouette, “und ich würde sagen, dass sein größtes Kapital darin besteht, dass er sowohl in der experimentellen Planung als auch in der Durchführung gründlich, akribisch und streng ist. Basile ist offensichtlich auch sehr intelligent und engagiert. Er brachte sich alles bei und veröffentlichte schließlich schöne Arbeiten über die Cochlea in einem Netzhautlabor! Das war sehr beeindruckend. Ich habe keinen Zweifel, dass Basile weiterhin wichtige Beiträge leisten und in seinem Bereich führend werden wird.”

“Auf Seite 60 seiner Doktorarbeit”, berichtet Duboule, “zitierte Basile ein Zitat von H.L. Mencken: Für jedes komplexe Problem gibt es eine klare, einfache und falsche Antwort. Das sagt viel über ihn und seine sehr hohen wissenschaftlichen Standards aus — und auch über seinen leichten Hauch von Nihilismus.”

Tarchini trat 2015 der JAX-Fakultät bei. Ein Jahr später sicherte er sich seine erste Bundesforschungsförderung, ein fünfjähriges Stipendium in Höhe von 1,9 Millionen US-Dollar vom National Institute on Deafness and Other Communication Disorders.

Persönlich ist alles an Tarchini präzise und maßvoll, von seinem ordentlichen Büro mit Blick auf die spektakuläre Frenchman Bay von Bar Harbor bis zu seinem adretten Aussehen (im Gegensatz zu den meisten Wissenschaftlern seines Alters, die den sportlich-ungepflegten Studentenlook bevorzugen). Möglicherweise trägt er einen exquisiten Pullover, den seine Frau Dayana Krawchuk, JAX ‘überschwängliche Wissenschaftlerin und Social-Media-Managerin, gestrickt hat. Wenn sie zusammen sind, erzählt sie die Anekdoten und er liefert die markigen Pointen.

Tarchini ist auch ein versierter Jazzmusiker, der einst den Weg des professionellen Performers anstelle des Wissenschaftlers betrachtete. Kürzlich trat er am Bass bei einem Konzert in der Bar Harbor Town Library mit JAX President und CEO Edison Liu am Klavier auf.

Ein Musiker-Wissenschaftler, der das Hören studiert? Eigentlich, sagt Tarchini lachend, “Je älter ich werde, desto mehr mag ich Ruhe. Ich kann zum Beispiel Hintergrundmusik nicht ausstehen!”

Und tatsächlich bewegen sich seine Forschungsinteressen, während er im Innenohr bleibt, auf das vestibuläre System, das sich direkt neben der Cochlea befindet.

“Das Innenohr ist im Grunde zwei Systeme in einem, auditiv und vestibulär”, sagt er. “Es ist etwas, was wir für selbstverständlich halten, die Fähigkeit wahrzunehmen, wo sich unser Körper im Raum befindet, aufrecht zu gehen, die Schwerkraft zu spüren. Aber es ist unglaublich wichtig, dass es richtig funktioniert: Sonst könnte man morgens nicht aufstehen.”

Tarchini hat bereits gezeigt, dass er seinen Forschungsschwerpunkt mutig und erfolgreich verschieben kann. Bleiben Sie dran für interessante Entdeckungen.