Perifere nervesystemRediger
CochleaRediger
Tonotopisk organisering i cochlea dannes i løbet af den præ- og postnatale udvikling gennem en række ændringer, der sker som reaktion på auditive stimuli. Forskning tyder på, at den prænatale etablering af tonotopisk organisation delvist styres af synaptisk reorganisering; nyere undersøgelser har imidlertid vist, at de tidlige ændringer og forfininger sker både på kredsløbs- og subcellulært niveau. Hos pattedyr, efter at det indre øre ellers er fuldt udviklet, reorganiseres det tonotopiske kort så for at kunne rumme højere og mere specifikke frekvenser. Forskning har antydet, at receptor-guanylylcyklasen Npr2 er afgørende for den præcise og specifikke organisering af denne tonotopi. Yderligere eksperimenter har vist, at Sonic Hedgehog, der udgår fra notokorden og bundpladen, spiller en bevaret rolle for etableringen af tonotopisk organisering i den tidlige udvikling. Det er denne korrekte tonotopiske organisering af hårcellerne i cochlea, der gør det muligt at opfatte frekvensen korrekt som den korrekte tonehøjde.
Strukturel organiseringRediger
I cochlea skaber lyden en vandrende bølge, der bevæger sig fra basis til spids og øges i amplitude, mens den bevæger sig langs en tonotopisk akse i den basilære membran (BM). Denne trykbølge bevæger sig langs BM i cochlea, indtil den når et område, der svarer til dens maksimale vibrationsfrekvens; dette er derefter kodet som tonehøjde. Lyd med høj frekvens stimulerer neuroner i bunden af strukturen, og lyd med lavere frekvens stimulerer neuroner i spidsen. Dette repræsenterer den cochleære tonotopiske organisation. Dette sker, fordi BM’s mekaniske egenskaber er gradueret langs en tonotopisk akse; dette overfører forskellige frekvenser til hårceller (mekanosensoriske celler, der forstærker cochleare vibrationer og sender auditive oplysninger til hjernen), hvorved der etableres receptorpotentialer og dermed frekvensafstemning. For eksempel øges BM’en i stivhed mod dens basis.
Mekanismer for cochlear tonotopiRediger
Hårbundter, eller hårcellers “mekaniske antenne”, menes at være særligt vigtige for cochlear tonotopi. Hårbundternes morfologi bidrager sandsynligvis til BM-gradienten. Tonotopisk position bestemmer strukturen af hårbundter i cochlea. Hårbundternes højde øges fra basis til spids, og antallet af stereocilia falder (dvs. hårceller, der er placeret i bunden af cochlea, indeholder flere stereocilia end dem, der er placeret i spidsen).
Dertil kommer, at tonotopy i tip-link-komplekset af cochleære hårceller er forbundet med gradienter af iboende mekaniske egenskaber. I hårbundtet bestemmer gatingfjedre den åbne sandsynlighed for mechanoelektriske iontransduktionskanaler: ved højere frekvenser er disse elastiske fjedre udsat for højere stivhed og højere mekanisk spænding i tip-links af hårceller. Dette understreges af arbejdsdelingen mellem ydre og indre hårceller, hvor mekaniske gradienter for ydre hårceller (ansvarlige for forstærkning af lavere frekvenslyde) har højere stivhed og spænding.
Tonotopy manifesterer sig også i de elektrofysiske egenskaber ved transduktion. Lydenergi omsættes til neurale signaler gennem mechanoelektrisk transduktion. Størrelsen af den maksimale transduktionsstrøm varierer med tonotopisk position. For eksempel er strømmene størst ved højfrekvente positioner som f.eks. ved cochleabasen. Som nævnt ovenfor har basale cochlear hårceller flere stereocilia, hvilket giver flere kanaler og større strømme. Tonotopisk position bestemmer også konduktansen af de enkelte transduktionskanaler. Individuelle kanaler på basale hårceller leder mere strøm end dem på apikale hårceller.
Endeligt er lydforstærkningen større i de basale end i de apikale cochleare regioner, fordi de ydre hårceller udtrykker motorproteinet prestin, som forstærker vibrationer og øger de ydre hårcellers følsomhed over for lavere lyde.
CentralnervesystemetRediger
CortexRediger
Lydfrekvens, også kendt som tonehøjde, er i øjeblikket den eneste egenskab ved lyd, som man med sikkerhed ved, at den er topografisk kortlagt i centralnervesystemet. Andre karakteristika kan imidlertid danne lignende kort i cortexen som f.eks. lydintensitet, afstemningsbåndbredde eller modulationshastighed, men disse er ikke blevet undersøgt så godt.
I mellemhjernen findes der to primære auditive baner til den auditive cortex – den lemniske klassiske auditive bane og den ekstralimniske ikke-klassiske auditive bane. Den lemniscal klassiske auditive vej er tonotopisk organiseret og består af den centrale kerne af inferior colliculus og det ventrale mediale geniculære legeme, der projicerer til primære områder i den auditive cortex. Den ikke-primære auditive cortex modtager input fra den ekstralmale ikke-klassiske auditive vej, som viser en diffus frekvensorganisation.
Den tonotopiske organisation af den auditive cortex er blevet undersøgt indgående og er derfor bedre forstået sammenlignet med andre områder af den auditive vej. Tonotopi af den auditive cortex er blevet observeret hos mange dyrearter, herunder fugle, gnavere, primater og andre pattedyr. Hos mus har man fundet, at fire underområder af den auditive cortex er tonotopisk organiseret. Det har vist sig, at den klassisk opdelte A1-subregion i virkeligheden er to forskellige tonopiske regioner – A1 og det dorsomediale felt (DM). Auditive cortex-region A2 og det anteriore audiotriske felt (AAF) har begge tonotopiske kort, der løber dorsoventralt. De to andre regioner i musens auditive cortex, det dorsoanterior felt (DA) og det dorsoposterior felt (DP), er ikke tonotoper. Mens neuroner i disse ikke-tonotopiske regioner har en karakteristisk frekvens, er de anbragt tilfældigt.
Studier med ikke-menneskelige primater har genereret en hierarkisk model af den auditive kortikale organisation bestående af en langstrakt kerne bestående af tre tonotopiske felter, der ligger ryg mod ryg, det primære auditive felt A1, det rostrale felt R og det rostrale temporale felt RT. Disse regioner er omgivet af bæltefelter (sekundære) regioner og parabæltefelter af højere orden. A1 udviser en frekvensgradient fra høj til lav i den posteriore til anteriore retning; R udviser en omvendt gradient med karakteristiske frekvenser fra lav til høj i den posteriore til anteriore retning. RT har en mindre klart organiseret gradient fra høje tilbage til lave frekvenser. Disse primære tonotopiske mønstre strækker sig kontinuerligt ind i de omkringliggende bælteområder.
Tonotopisk organisation i den menneskelige auditive cortex er blevet undersøgt ved hjælp af en række ikke-invasive billeddannelsesteknikker, herunder magneto- og elektroencefalografi (MEG/EEG), positronemissionstomografi (PET) og funktionel magnetisk resonansafbildning (fMRI). Det primære tonotopiske kort i den menneskelige auditive cortex ligger langs Heschls gyrus (HG). Forskere er imidlertid nået til modstridende konklusioner om retningen af frekvensgradienten langs HG. Nogle eksperimenter fandt, at tonotopisk progression løb parallelt langs HG, mens andre fandt, at frekvensgradienten løb vinkelret over HG i en diagonal retning og dannede et vinklet V-formet par gradienter.
I musEdit
En af de veletablerede metoder til at studere tonotopisk mønsterering i den auditive cortex under udviklingen er toneopdragelse. I musens primære auditive cortex (A1) reagerer forskellige neuroner på forskellige frekvensområder med en bestemt frekvens, der fremkalder den største respons – dette er kendt som den “bedste frekvens” for et givet neuron. Hvis musekillinger udsættes for en bestemt frekvens i den kritiske auditive periode (12-15 dage efter fødslen), vil de “bedste frekvenser” for neuroner i A1 blive flyttet i retning af den udsatte frekvens tone.
Disse frekvensforskydninger i responsen på miljømæssige stimuli har vist sig at forbedre præstationen i perceptuelle adfærdsopgaver hos voksne mus, der blev opdrættet med toner i den kritiske auditive periode. Voksenindlæring og sensoriske manipulationer i kritisk periode inducerer sammenlignelige forskydninger i kortikale topografier, og voksenindlæring resulterer pr. definition i øgede perceptuelle evner. Den tonotopiske udvikling af A1 hos musekillinger er derfor en vigtig faktor i forståelsen af det neurologiske grundlag for auditiv indlæring.
Andre arter viser også en lignende tonotopisk udvikling under kritiske perioder. Rotte tonotopisk udvikling er næsten identisk med musen, men den kritiske periode er forskudt lidt tidligere, og kirkeugler viser en analog auditiv udvikling i Interaural Time Differences (ITD).
Plasticitet af auditiv kritisk periodeRediger
Den auditive kritiske periode hos rotter, som varer fra postnatal dag 11 (P11) til P13, kan forlænges gennem deprivationsforsøg såsom hvid støjopdragelse. Det er blevet vist, at delmængder af det tonotopiske kort i A1 kan holdes i en plastisk tilstand på ubestemt tid ved at udsætte rotterne for hvid støj bestående af frekvenser inden for et bestemt interval bestemt af eksperimentatoren. Hvis man f.eks. udsætter en rotte under den auditive kritiske periode for hvid støj, der omfatter tonefrekvenser mellem 7 kHz og 10 kHz, vil de tilsvarende neuroner blive holdt i en plastisk tilstand langt ud over den typiske kritiske periode – i en undersøgelse har man bevaret denne plastiske tilstand, indtil rotterne var 90 dage gamle.Nyere undersøgelser har også vist, at frigivelse af neurotransmitteren noradrenalin er nødvendig for plasticitet i den kritiske periode i den auditive cortex, men den iboende tonotopiske mønstring af det auditive kortikale kredsløb sker uafhængigt af frigivelse af noradrenalin.En nylig toksicitetsundersøgelse viste, at in-utero og postnatal eksponering for polychlorerede biphenyler (PCB) ændrede den overordnede primære auditive cortex (A1) organisation, herunder tonotopi og A1-topografi. Tidlig PCB-eksponering ændrede også balancen mellem excitatoriske og hæmmende input, hvilket ændrede den auditive cortex’ evne til plastisk reorganisering efter ændringer i det akustiske miljø og dermed ændrede den kritiske periode for auditiv plasticitet.
Voksen plasticitetRediger
Studier i moden A1 har fokuseret på neuromodulatoriske påvirkninger og har fundet, at direkte og indirekte vagusnervestimulering, som udløser neuromodulatorfrigivelse, fremmer auditiv plasticitet hos voksne. Kolinerge signalering har vist sig at engagere 5-HT3AR-celleaktivitet på tværs af kortikale områder og fremme voksen auditiv plasticitet. Desuden har adfærdstræning ved hjælp af belønnende eller aversive stimuli, som almindeligvis er kendt for at engagere kolinerge afferenter og 5-HT3AR-celler, også vist sig at ændre og flytte tonotopiske kort hos voksne.