Peripheres NervensystemBearbeiten
CochleaBearbeiten
Die tonotopische Organisation in der Cochlea bildet sich während der prä- und postnatalen Entwicklung durch eine Reihe von Veränderungen, die als Reaktion auf auditorische Reize auftreten. Die Forschung legt nahe, dass die pränatale Etablierung der tonotopischen Organisation teilweise durch synaptische Reorganisation gesteuert wird; neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass die frühen Veränderungen und Verfeinerungen sowohl auf Schaltkreis- als auch auf subzellulärer Ebene stattfinden. Bei Säugetieren wird die tonotopische Karte nach der vollständigen Entwicklung des Innenohrs reorganisiert, um höhere und spezifischere Frequenzen zu erfassen. Forschungen haben ergeben, dass die Rezeptor-Guanylyl-Zyklase Npr2 für die präzise und spezifische Organisation dieser Tonotopie entscheidend ist. Weitere Experimente haben gezeigt, dass Sonic Hedgehog, das vom Notochord und der Bodenplatte ausgeht, eine konservierte Rolle bei der Etablierung der tonotopischen Organisation während der frühen Entwicklung spielt. Es ist diese richtige tonotopische Organisation der Haarzellen in der Cochlea, die eine korrekte Wahrnehmung der Frequenz als die richtige Tonhöhe ermöglicht.
Strukturelle OrganisationBearbeiten
In der Cochlea erzeugt der Schall eine Wanderwelle, die sich von der Basis zum Apex bewegt und deren Amplitude mit der Bewegung entlang einer tonotopischen Achse in der Basilarmembran (BM) zunimmt. Diese Druckwelle wandert entlang der BM der Cochlea, bis sie einen Bereich erreicht, der ihrer maximalen Schwingungsfrequenz entspricht; diese wird dann als Tonhöhe kodiert. Hochfrequente Töne stimulieren die Neuronen an der Basis der Struktur und niederfrequente Töne stimulieren die Neuronen an der Spitze. Dies stellt die tonotopische Organisation der Cochlea dar. Dies geschieht, weil die mechanischen Eigenschaften der BM entlang einer tonotopischen Achse abgestuft sind; dadurch werden unterschiedliche Frequenzen an Haarzellen (mechanosensorische Zellen, die cochleäre Vibrationen verstärken und auditive Informationen an das Gehirn senden) weitergeleitet, wodurch Rezeptorpotenziale und folglich Frequenzabstimmung entstehen. Zum Beispiel nimmt die Steifigkeit der BM zu ihrer Basis hin zu.
Mechanismen der cochleären TonotopieEdit
Haarbündel, oder die „mechanische Antenne“ der Haarzellen, sind vermutlich besonders wichtig für die cochleäre Tonotopie. Die Morphologie der Haarbündel trägt wahrscheinlich zum BM-Gradienten bei. Die Tonotopieposition bestimmt die Struktur der Haarbündel in der Cochlea. Die Höhe der Haarbündel nimmt von der Basis zum Apex zu und die Anzahl der Stereozilien nimmt ab (d.h. Haarzellen an der Basis der Cochlea enthalten mehr Stereozilien als solche am Apex).
Darüber hinaus ist die Tonotopie im Tip-Link-Komplex der Cochlea-Haarzellen mit Gradienten der intrinsischen mechanischen Eigenschaften verbunden. Im Haarbündel bestimmen Gating-Federn die Öffnungswahrscheinlichkeit mechanoelektrischer Ionenübertragungskanäle: Bei höheren Frequenzen unterliegen diese elastischen Federn einer höheren Steifigkeit und einer höheren mechanischen Spannung in den Tip-Links der Haarzellen. Dies wird durch die Arbeitsteilung zwischen äußeren und inneren Haarzellen unterstrichen, bei der die mechanischen Gradienten für die äußeren Haarzellen (die für die Verstärkung der tieferen Frequenzen verantwortlich sind) eine höhere Steifigkeit und Spannung aufweisen.
Tonotopie manifestiert sich auch in den elektrophysikalischen Eigenschaften der Transduktion. Schallenergie wird durch mechanoelektrische Transduktion in neuronale Signale umgewandelt. Die Größe des Transduktionsspitzenstroms variiert mit der tonotopischen Position. Zum Beispiel sind die Ströme an Hochfrequenzpositionen wie der Basis der Cochlea am größten. Wie bereits erwähnt, haben basale Cochlea-Haarzellen mehr Stereozilien, wodurch mehr Kanäle und größere Ströme entstehen. Die tonotopische Position bestimmt auch die Leitfähigkeit der einzelnen Transduktionskanäle. Einzelne Kanäle an basalen Haarzellen leiten mehr Strom als die an apikalen Haarzellen.
Schließlich ist die Schallverstärkung in den basalen als in den apikalen Cochlea-Regionen größer, weil die äußeren Haarzellen das Motorprotein Prestin exprimieren, das Vibrationen verstärkt und die Empfindlichkeit der äußeren Haarzellen für tiefere Töne erhöht.
Zentrales NervensystemBearbeiten
KortexBearbeiten
Die Tonfrequenz, auch als Tonhöhe bekannt, ist derzeit das einzige Merkmal des Schalls, von dem mit Sicherheit bekannt ist, dass es im zentralen Nervensystem topografisch abgebildet wird. Es ist jedoch möglich, dass andere Merkmale ähnliche Karten im Kortex bilden, wie z. B. die Schallintensität, die Abstimmbandbreite oder die Modulationsrate, die jedoch noch nicht so gut untersucht wurden.
Im Mittelhirn gibt es zwei primäre Hörbahnen zum Hörkortex, die lemniskale klassische Hörbahn und die extralemniskale nicht-klassische Hörbahn. Die lemniskale klassische Hörbahn ist tonotopisch organisiert und besteht aus dem zentralen Kern des Colliculus inferior und dem ventralen medialen genikulären Körper, der zu primären Bereichen im Hörkortex projiziert. Der nicht-primäre Hörkortex erhält Inputs von der extralemniskalen nicht-klassischen Hörbahn, die eine diffuse Frequenzorganisation aufweist.
Die tonotopische Organisation des Hörkortex wurde umfassend untersucht und ist daher im Vergleich zu anderen Bereichen der Hörbahn besser verstanden. Die Tonotopie des auditorischen Kortex wurde bei vielen Tierarten, darunter Vögel, Nagetiere, Primaten und andere Säugetiere, beobachtet. Bei Mäusen hat man festgestellt, dass vier Unterregionen des auditorischen Kortex tonotopisch organisiert sind. Es hat sich herausgestellt, dass die klassischerweise unterteilte Subregion A1 in Wirklichkeit aus zwei verschiedenen tonopischen Regionen besteht – A1 und dem dorsomedialen Feld (DM). Die Hörrindenregion A2 und das anteriore audiotische Feld (AAF) haben beide tonotopische Karten, die dorsoventral verlaufen. Die beiden anderen Regionen des Hörkortex der Maus, das dorsoanteriore Feld (DA) und das dorsoposteriore Feld (DP), sind nicht tonotop. Die Neuronen in diesen nicht-tonotopischen Regionen haben zwar eine charakteristische Frequenz, sind aber zufällig angeordnet.
Studien mit nicht-menschlichen Primaten haben ein hierarchisches Modell der auditorischen Kortexorganisation hervorgebracht, das aus einem langgestreckten Kern besteht, der sich aus drei Rücken an Rücken liegenden tonotopischen Feldern zusammensetzt – dem primären auditorischen Feld A1, dem rostralen Feld R und dem rostralen temporalen Feld RT. Diese Regionen sind von Gürtelfeldern (sekundären) Regionen und Parabeltfeldern höherer Ordnung umgeben. A1 weist einen Frequenzgradienten von hoch zu niedrig in Richtung posterior-anterior auf; R weist einen umgekehrten Gradienten mit charakteristischen Frequenzen von niedrig zu hoch in Richtung posterior-anterior auf. RT hat einen weniger deutlich ausgeprägten Gradienten von hohen zurück zu niedrigen Frequenzen. Diese primären tonotopischen Muster erstrecken sich kontinuierlich in die umgebenden Gürtelbereiche.
Die tonotopische Organisation im menschlichen Hörkortex wurde mit einer Reihe von nicht-invasiven Bildgebungsverfahren untersucht, darunter Magnet- und Elektroenzephalographie (MEG/EEG), Positronenemissionstomographie (PET) und funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI). Die primäre tonotopische Karte im menschlichen auditorischen Kortex liegt entlang des Heschl’schen Gyrus (HG). Verschiedene Forscher sind jedoch zu widersprüchlichen Schlussfolgerungen über die Richtung des Frequenzgradienten entlang des HG gekommen. Einige Experimente ergaben, dass die tonotopische Progression parallel entlang des HG verläuft, während andere feststellten, dass der Frequenzgradient senkrecht über den HG in diagonaler Richtung verläuft und ein abgewinkeltes V-förmiges Gradientenpaar bildet.
Bei MäusenEdit
Eine der etablierten Methoden zur Untersuchung der tonotopischen Musterung im auditorischen Kortex während der Entwicklung ist die Tonerziehung. Im primären auditorischen Kortex (A1) von Mäusen reagieren verschiedene Neuronen auf unterschiedliche Frequenzbereiche, wobei eine bestimmte Frequenz die größte Reaktion hervorruft – dies wird als „beste Frequenz“ für ein bestimmtes Neuron bezeichnet. Wenn Mäusewelpen während der kritischen Hörperiode (12. bis 15. postnataler Tag) einer bestimmten Frequenz ausgesetzt werden, verschieben sich die „besten Frequenzen“ der Neuronen im A1 in Richtung des exponierten Tons.
Diese Frequenzverschiebungen in Reaktion auf Umweltreize verbessern nachweislich die Leistung bei Wahrnehmungsaufgaben bei erwachsenen Mäusen, die während der kritischen Hörperiode mit Tönen aufgezogen wurden. Lernen im Erwachsenenalter und sensorische Manipulationen während der kritischen Periode führen zu vergleichbaren Verschiebungen in der kortikalen Topographie, und per Definition führt Lernen im Erwachsenenalter zu verbesserten Wahrnehmungsfähigkeiten. Die tonotopische Entwicklung von A1 bei Mäusewelpen ist daher ein wichtiger Faktor für das Verständnis der neurologischen Grundlagen des auditorischen Lernens.
Auch andere Tierarten zeigen eine ähnliche tonotopische Entwicklung während der kritischen Periode. Die tonotopische Entwicklung der Ratte ist fast identisch mit der der Maus, aber die kritische Periode ist etwas früher verschoben, und Schleiereulen zeigen eine analoge auditorische Entwicklung in interauralen Zeitdifferenzen (ITD).
Plastizität der auditorischen kritischen PeriodeBearbeiten
Die auditorische kritische Periode der Ratte, die vom postnatalen Tag 11 (P11) bis P13 dauert, kann durch Deprivationsexperimente wie die Aufzucht mit weißem Lärm verlängert werden. Es hat sich gezeigt, dass Teilbereiche der tonotopischen Karte in A1 auf unbestimmte Zeit in einem plastischen Zustand gehalten werden können, indem die Ratten weißem Rauschen ausgesetzt werden, das aus Frequenzen innerhalb eines bestimmten, vom Experimentator festgelegten Bereichs besteht. Setzt man beispielsweise eine Ratte während der kritischen Hörperiode weißem Rauschen aus, das Tonfrequenzen zwischen 7 kHz und 10 kHz enthält, bleiben die entsprechenden Neuronen weit über die typische kritische Periode hinaus in einem plastischen Zustand – in einer Studie wurde dieser plastische Zustand beibehalten, bis die Ratten 90 Tage alt waren.Jüngste Studien haben auch gezeigt, dass die Freisetzung des Neurotransmitters Noradrenalin für die Plastizität der kritischen Periode im auditorischen Kortex erforderlich ist, die intrinsische tonotopische Strukturierung des auditorischen Schaltkreises jedoch unabhängig von der Noradrenalinfreisetzung erfolgt. Eine kürzlich durchgeführte Toxizitätsstudie hat gezeigt, dass die in-utero und postnatale Exposition gegenüber polychlorierten Biphenylen (PCB) die Gesamtorganisation des primären auditorischen Kortex (A1), einschließlich der Tonotopie und der A1-Topographie, verändert. Die frühe PCB-Belastung veränderte auch das Gleichgewicht zwischen erregenden und hemmenden Inputs, was die Fähigkeit des auditorischen Kortex, sich nach Veränderungen in der akustischen Umgebung plastisch zu reorganisieren, veränderte und damit die kritische Periode der auditorischen Plastizität veränderte.
Plastizität im ErwachsenenalterBearbeiten
Studien im reifen A1 haben sich auf neuromodulatorische Einflüsse konzentriert und festgestellt, dass direkte und indirekte Stimulation des Vagusnervs, die die Freisetzung von Neuromodulatoren auslöst, die auditorische Plastizität im Erwachsenenalter fördert. Es hat sich gezeigt, dass die cholinerge Signalübertragung die Aktivität von 5-HT3AR-Zellen in verschiedenen kortikalen Bereichen aktiviert und die auditorische Plastizität bei Erwachsenen fördert. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass ein Verhaltenstraining mit belohnenden oder aversiven Reizen, von denen bekannt ist, dass sie cholinerge Afferenzen und 5-HT3AR-Zellen aktivieren, die tonotopischen Karten von Erwachsenen verändern und verschieben kann.