Тонотопия - Tonotopy
В физиологии , tonotopy (от греческого TONO = частоты и топоса = место) представляет собой пространственное расположение , где звуки различной частоты обрабатывается в головном мозге. Тоны, близкие друг к другу по частоте, представлены в топологически соседних областях мозга. Тонотопические карты - это частный случай топографической организации, подобный ретинотопии в зрительной системе.
Тонотопия в слуховой системе начинается в улитке , небольшой структуре во внутреннем ухе, напоминающей улитку , которая передает информацию о звуке в мозг. Различные области базилярной мембраны в кортиевом органе , чувствительной к звуку части улитки, колеблются на разных синусоидальных частотах из-за различий в толщине и ширине по длине мембраны. Таким образом, нервы, передающие информацию из разных участков базилярной мембраны, кодируют частоту тонотопически. Эта тонотопия затем проецируется через вестибулокохлеарный нерв и связанные с ним структуры среднего мозга в первичную слуховую кору через путь слухового излучения. На протяжении всего этого излучения организация линейна по отношению к расположению на кортиевом органе в соответствии с наилучшей частотной характеристикой (то есть частотой, на которой этот нейрон наиболее чувствителен) каждого нейрона. Тем не менее, бинауральное слияние в верхнем оливковом комплексе и далее добавляет значительные объемы информации, закодированной в силе сигнала каждого ганглия. Таким образом, количество тонотопических карт варьируется между видами и степенью бинаурального синтеза и разделения интенсивностей звука; у людей в первичной слуховой коре было идентифицировано шесть тонотопических карт.
История
Самое раннее свидетельство тонотопической организации в слуховой коре было указано Владимиром Э. Ларионовым в статье 1899 года, озаглавленной «О музыкальных центрах мозга», в которой предполагалось, что поражения на S-образной траектории приводят к неспособности реагировать на тоны разных типов. частоты. К 1920-м годам была описана анатомия улитки и введено понятие тонотопичности. В это время венгерский биофизик Георг фон Бекеси начал дальнейшие исследования тонотопии в слуховой коре. Бекеси измерил бегущую волну улитки, широко открыв улитку и используя стробоскоп и микроскоп, чтобы визуально наблюдать движение на самых разных животных, включая морских свинок, курицу, мышь, крысу, корову, слона и височную кость человека. Важно отметить, что Бекеси обнаружил, что разные звуковые частоты вызывают максимальные амплитуды волн в разных местах вдоль базилярной мембраны вдоль спирали улитки, что является фундаментальным принципом тонотопии. Бекеши был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за свою работу. В 1946 году в больнице Джона Хопкинса произошла первая живая демонстрация тонотопической организации слуховой коры. Совсем недавно достижения в области технологий позволили исследователям составить карту тонотопической организации у здоровых людей, используя данные электроэнцефалографии (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографии (МЭГ). В то время как большинство исследований на людях согласны с существованием карты тонотопического градиента, на которой низкие частоты представлены латерально, а высокие частоты представлены медиально вокруг извилины Хешля , более подробная карта слуховой коры человека еще не окончательно установлена из-за методологических ограничений.
Сенсорные механизмы
Периферическая нервная система
Улитка
Тонотопическая организация в улитке формируется на протяжении дородового и постнатального развития посредством ряда изменений, которые происходят в ответ на слуховые стимулы. Исследования показывают, что внутриутробное установление тонотопической организации частично управляется синаптической реорганизацией; однако более поздние исследования показали, что ранние изменения и уточнения происходят как на уровне контуров, так и на субклеточном уровне. У млекопитающих, после того как внутреннее ухо полностью развито, тонотопическая карта затем реорганизуется, чтобы приспособиться к более высоким и более конкретным частотам. Исследования показали, что рецептор гуанилилциклазы Npr2 жизненно важен для точной и специфической организации этой тонотопии. Дальнейшие эксперименты продемонстрировали сохраняющуюся роль Sonic Hedgehog, исходящую от хорды и дна в установлении тонотопической организации на раннем этапе развития. Именно эта правильная тонотопическая организация волосковых клеток в улитке позволяет правильно воспринимать частоту как надлежащую высоту звука.
Структурная организация
В улитке звук создает бегущую волну, которая движется от основания к вершине, увеличиваясь по амплитуде по мере движения вдоль тонотопической оси в базилярной мембране (БМ). Эта волна давления распространяется вдоль BM улитки до тех пор, пока не достигнет области, соответствующей ее максимальной частоте колебаний; затем это кодируется как высота звука. Высокочастотные звуки стимулируют нейроны в основании структуры, а звуки более низкой частоты стимулируют нейроны на верхушке. Это представляет собой тонотопическую организацию улитки. Это происходит потому, что механические свойства BM изменяются вдоль тонотопической оси; это передает различные частоты волосковым клеткам (механосенсорным клеткам, которые усиливают колебания улитки и отправляют слуховую информацию в мозг), устанавливая рецепторные потенциалы и, следовательно, настраивая частоту. Например, BM увеличивается по направлению к основанию.
Механизмы кохлеарной тонотопии
Пучки волос или «механическая антенна» волосковых клеток считаются особенно важными в тонотопии улитки. Морфология пучков волос, вероятно, вносит вклад в градиент BM. Тонотопическое положение определяет структуру пучков волос в улитке. Высота пучков волос увеличивается от основания к вершине, а количество стереоцилий уменьшается (т.е. волосковые клетки, расположенные у основания улитки, содержат больше стерео ресничек, чем те, что расположены на вершине).
Более того, в комплексе «кончик-звено» волосковых клеток улитки тонотопия связана с градиентами внутренних механических свойств. В пучке волос управляющие пружины определяют вероятность открытия каналов механоэлектрической ионной трансдукции: на более высоких частотах эти упругие пружины подвержены более высокой жесткости и более высокому механическому напряжению в кончиках звеньев волосковых клеток. Это подчеркивается разделением труда между внешними и внутренними волосковыми клетками, в котором механические градиенты для внешних волосковых клеток (ответственные за усиление звуков более низкой частоты) имеют более высокую жесткость и напряжение.
Тонотопия проявляется также в электрофизических свойствах трансдукции. Звуковая энергия преобразуется в нервные сигналы посредством механоэлектрической трансдукции. Величина пикового тока трансдукции зависит от положения тонотопа. Например, токи максимальны в высокочастотных позициях, таких как основание улитки. Как отмечалось выше, базальные волосковые клетки улитки имеют больше стереоцилий, обеспечивая, таким образом, больше каналов и большие токи. Тонотопическое положение также определяет проводимость отдельных каналов трансдукции. Отдельные каналы в базальных волосковых клетках проводят больше тока, чем в апикальных волосковых клетках.
Наконец, усиление звука больше в базальных, чем в апикальных областях улитки, потому что наружные волосковые клетки экспрессируют моторный белок prestin, который усиливает вибрации и увеличивает чувствительность внешних волосковых клеток к более низким звукам.
Центральная нервная система
Кора
Звуковая частота, также известная как высота звука, в настоящее время является единственной характеристикой звука, которая, как достоверно известно, топографически отображается в центральной нервной системе. Однако другие характеристики могут формировать аналогичные карты в коре головного мозга, такие как интенсивность звука, ширина полосы настройки или частота модуляции, но они не были так хорошо изучены.
В среднем мозге существуют два основных слуховых пути к слуховой коре - классический лемнискальный слуховой путь и внелемнискальный неклассический слуховой путь. Лемнисковый классический слуховой путь организован тонотопически и состоит из центрального ядра нижнего бугорка и вентрального медиального коленчатого тела, выступающего в первичные области слуховой коры. Непервичная слуховая кора получает входные данные от внелемнискального неклассического слухового пути, который демонстрирует диффузную частотную организацию.
Тонотопическая организация слуховой коры широко изучена и поэтому лучше изучена по сравнению с другими областями слухового пути. Тонотопия слуховой коры наблюдалась у многих видов животных, включая птиц, грызунов, приматов и других млекопитающих. Было обнаружено, что у мышей четыре субрегиона слуховой коры демонстрируют тонотопическую организацию. Классически разделенная подобласть A1, как было обнаружено, фактически представляет собой две отдельные тонопические области - A1 и дорсомедиальное поле (DM). Область слуховой коры A2 и переднее аудиотропное поле (AAF) имеют тонотопические карты, которые проходят дорсовентрально. Две другие области слуховой коры мышей, дорсо-переднее поле (DA) и заднее заднее поле (DP), не являются тонотопными. Хотя нейроны в этих нетонотопных областях имеют характерную частоту, они расположены случайным образом.
Исследования с использованием нечеловеческих приматов сгенерировали иерархическую модель слуховой корковой организации, состоящую из удлиненного ядра, состоящего из трех смежных тонотопических полей - первичного слухового поля A1, рострального поля R и рострального височного поля RT. Эти области окружены полями поясов (второстепенными) и полями парапоясов более высокого порядка. A1 демонстрирует частотный градиент от высокого к низкому в направлении сзади-вперед; R демонстрирует обратный градиент с характеристическими частотами от низких до высоких в заднем-переднем направлении. RT имеет менее четко организованный градиент от высоких частот к низким. Эти первичные тонотопические паттерны непрерывно распространяются на окружающие области пояса.
Тонотопическая организация слуховой коры человека изучалась с помощью различных неинвазивных методов визуализации, включая магнито- и электроэнцефалографию ( МЭГ / ЭЭГ ), позитронно-эмиссионную томографию ( ПЭТ ) и функциональную магнитно-резонансную томографию ( ФМРТ ). Основная тонотопическая карта в слуховой коре человека расположена вдоль извилины Гешля (HG). Однако различные исследователи пришли к противоречивым выводам о направлении частотного градиента вдоль HG. Некоторые эксперименты показали, что тонотопическая прогрессия идет параллельно HG, в то время как другие обнаружили, что частотный градиент проходит перпендикулярно HG в диагональном направлении, образуя пару наклонных V-образных градиентов.
У мышей
Одним из хорошо зарекомендовавших себя методов изучения тонотопических паттернов в слуховой коре во время развития является повышение тонуса. В первичной слуховой коре (A1) мыши разные нейроны реагируют на разные диапазоны частот, при этом одна конкретная частота вызывает наибольший отклик - это известно как «лучшая частота» для данного нейрона. Воздействие на детенышей мыши одной конкретной частоты в течение критического слухового периода (постнатальный день с 12 по 15) смещает «лучшие частоты» нейронов в A1 в сторону воздействия частотного тона.
Было показано, что эти частотные сдвиги в ответ на стимулы окружающей среды улучшают выполнение задач перцептивного поведения у взрослых мышей, у которых тонус повышен во время критического слухового периода. Обучение взрослых и сенсорные манипуляции в критический период вызывают сопоставимые сдвиги в топографии коры, и, по определению, обучение взрослых приводит к увеличению способностей к восприятию. Тонотопическое развитие A1 у детенышей мышей, следовательно, является важным фактором в понимании неврологической основы слухового обучения.
Другие виды также демонстрируют подобное тонотопическое развитие в критические периоды. Тонотопическое развитие крыс почти идентично мышиному, но критический период сдвинут немного раньше, и у сипух наблюдается аналогичное слуховое развитие в Interaural Time Differences (ITD).
Пластичность слухового критического периода
Слуховой критический период крыс, который длится с 11-го дня постнатального (P11) до P13, может быть продлен с помощью экспериментов по депривации, таких как выращивание белого шума. Было показано, что подмножества тонотопической карты в A1 могут оставаться в пластическом состоянии неопределенно долго, подвергая крыс воздействию белого шума, состоящего из частот в определенном диапазоне, определяемом экспериментатором. Например, воздействие на крысу во время критического слухового периода белого шума, который включает тональные частоты от 7 кГц до 10 кГц, будет держать соответствующие нейроны в пластичном состоянии далеко за пределами типичного критического периода - в одном исследовании это пластичное состояние сохранялось до тех пор, пока крысы не были 90 дней. Недавние исследования также показали, что высвобождение нейротрансмиттера норадреналина требуется для пластичности критического периода в слуховой коре, однако внутреннее тонотопическое формирование паттерна слуховых корковых цепей происходит независимо от высвобождения норадреналина. Недавнее исследование токсичности показало, что внутриутробное и постнатальное воздействие полихлорированного бифенила (ПХБ) изменяет общую организацию первичной слуховой коры (A1), включая тонотопию и топографию A1. Раннее воздействие ПХБ также изменило баланс возбуждающих и тормозных воздействий, что изменило способность слуховой коры пластически реорганизовываться после изменений в акустической среде, тем самым изменяя критический период слуховой пластичности.
Пластичность взрослых
Исследования зрелого A1 были сосредоточены на нейромодуляторных влияниях и обнаружили, что прямая и непрямая стимуляция блуждающего нерва, которая запускает высвобождение нейромодулятора, способствует пластичности слуха у взрослых. Было показано, что холинергическая передача сигналов задействует активность клеток 5-HT3AR в областях коры и способствует пластичности слуха у взрослых. Кроме того, поведенческая тренировка с использованием поощрительных или отталкивающих стимулов, которые, как известно, задействуют холинергические афференты и клетки 5-HT3AR, также изменяет и сдвигает тонотопические карты взрослых.