Sistema nervioso periféricoEditar
CócleaEditar
La organización tonotópica en la cóclea se forma a lo largo del desarrollo prenatal y postnatal a través de una serie de cambios que se producen en respuesta a los estímulos auditivos. Las investigaciones sugieren que el establecimiento prenatal de la organización tonotópica está parcialmente guiado por la reorganización sináptica; sin embargo, estudios más recientes han demostrado que los primeros cambios y refinamientos ocurren tanto a nivel de circuito como subcelular. En los mamíferos, una vez que el oído interno está completamente desarrollado, el mapa tonotópico se reorganiza para acomodar frecuencias más altas y específicas. Las investigaciones han sugerido que la guanilil ciclasa receptora Npr2 es vital para la organización precisa y específica de esta tonotopía. Otros experimentos han demostrado un papel conservado de Sonic Hedgehog que emana de la notocorda y la placa del suelo en el establecimiento de la organización tonotópica durante el desarrollo temprano. Es esta adecuada organización tonotópica de las células ciliadas en la cóclea la que permite la correcta percepción de la frecuencia como el tono adecuado.
Organización estructuralEditar
En la cóclea, el sonido crea una onda viajera que se mueve desde la base hasta el ápice, aumentando su amplitud a medida que se mueve a lo largo de un eje tonotópico en la membrana basilar (BM). Esta onda de presión se desplaza a lo largo de la BM de la cóclea hasta llegar a una zona que corresponde a su máxima frecuencia de vibración; ésta se codifica entonces como tono. Los sonidos de alta frecuencia estimulan las neuronas de la base de la estructura y los sonidos de baja frecuencia estimulan las neuronas del ápice. Esto representa la organización tonotópica coclear. Esto ocurre porque las propiedades mecánicas del BM están graduadas a lo largo de un eje tonotópico; esto transmite distintas frecuencias a las células ciliadas (células mecanosensoras que amplifican las vibraciones cocleares y envían la información auditiva al cerebro), estableciendo potenciales receptores y, en consecuencia, la sintonización de frecuencias. Por ejemplo, el BM aumenta su rigidez hacia su base.
Mecanismos de la tonotopía coclearEditar
Se cree que los haces capilares, o la «antena mecánica» de las células ciliadas, son particularmente importantes en la tonotopía coclear. La morfología de los haces de pelo probablemente contribuye al gradiente de BM. La posición tonotópica determina la estructura de los haces capilares en la cóclea. La altura de los haces de pelo aumenta de la base al ápice y el número de estereocilios disminuye (es decir, las células ciliadas situadas en la base de la cóclea contienen más estereocilios que las situadas en el ápice).
Además, en el complejo punta-enlace de las células ciliadas cocleares, la tonotopía está asociada a gradientes de propiedades mecánicas intrínsecas. En el haz de cabellos, los resortes de apertura determinan la probabilidad de apertura de los canales de transducción de iones mecanoeléctricos: a frecuencias más altas, estos resortes elásticos están sujetos a una mayor rigidez y a una mayor tensión mecánica en los enlaces de punta de las células ciliadas. Esto se ve acentuado por la división del trabajo entre las células ciliadas externas e internas, en la que los gradientes mecánicos para las células ciliadas externas (responsables de la amplificación de los sonidos de menor frecuencia) tienen mayor rigidez y tensión.
La tonotopía también se manifiesta en las propiedades electrofísicas de la transducción. La energía del sonido se traduce en señales neuronales a través de la transducción mecanoeléctrica. La magnitud de la corriente de transducción máxima varía con la posición tonotópica. Por ejemplo, las corrientes son mayores en posiciones de alta frecuencia como la base de la cóclea. Como se ha señalado anteriormente, las células ciliadas de la cóclea basal tienen más estereocilios, por lo que proporcionan más canales y corrientes más grandes. La posición tonotópica también determina la conductancia de los canales de transducción individuales. Los canales individuales de las células ciliadas basales conducen más corriente que los de las células ciliadas apicales.
Por último, la amplificación del sonido es mayor en las regiones cocleares basales que en las apicales porque las células ciliadas externas expresan la proteína motora prestina, que amplifica las vibraciones y aumenta la sensibilidad de las células ciliadas externas a los sonidos más bajos.
Sistema nervioso centralEditar
CortezaEditar
La frecuencia del sonido, también conocida como el tono, es actualmente la única característica del sonido que se sabe con certeza que está mapeada topográficamente en el sistema nervioso central. Sin embargo, otras características pueden formar mapas similares en el córtex, como la intensidad del sonido, el ancho de banda de sintonización o la velocidad de modulación, pero no han sido tan estudiadas.
En el cerebro medio, existen dos vías auditivas primarias hacia el córtex auditivo: la vía auditiva clásica lemniscal y la vía auditiva no clásica extralemniscal. La vía auditiva clásica lemniscal está organizada tonotópicamente y consiste en el núcleo central del colículo inferior y el cuerpo geniculado medial ventral que se proyecta a las áreas primarias de la corteza auditiva. La corteza auditiva no primaria recibe entradas de la vía auditiva no clásica extralemniscal, que muestra una organización frecuencial difusa.
La organización tonotópica de la corteza auditiva ha sido ampliamente examinada y, por lo tanto, se entiende mejor en comparación con otras áreas de la vía auditiva. La tonotopía de la corteza auditiva se ha observado en muchas especies animales, incluyendo aves, roedores, primates y otros mamíferos. En los ratones, se ha descubierto que cuatro subregiones de la corteza auditiva presentan una organización tonotópica. Se ha descubierto que la subregión A1, clásicamente dividida, es en realidad dos regiones tonotópicas distintas: la A1 y el campo dorsomedial (DM). La región de la corteza auditiva A2 y el campo auditivo anterior (AAF) tienen ambos mapas tonotópicos que corren dorsoventralmente. Las otras dos regiones de la corteza auditiva del ratón, el campo dorsoanterior (DA) y el campo dorsoposterior (DP) son no tonotópicas. Aunque las neuronas de estas regiones no tonotópicas tienen una frecuencia característica, están dispuestas de forma aleatoria.
Los estudios realizados con primates no humanos han generado un modelo jerárquico de organización cortical auditiva que consiste en un núcleo alargado formado por tres campos tonotópicos consecutivos: el campo auditivo primario A1, el campo rostral R y el campo temporal rostral RT. Estas regiones están rodeadas por regiones de campos (secundarios) y campos parabólicos de orden superior. A1 presenta un gradiente de frecuencia de alto a bajo en la dirección posterior a anterior; R presenta un gradiente invertido con frecuencias características de bajo a alto en la dirección posterior a anterior. RT tiene un gradiente menos claramente organizado de frecuencias altas a bajas. Estos patrones tonotópicos primarios se extienden continuamente a las áreas circundantes del cinturón.
La organización tonotópica en el córtex auditivo humano se ha estudiado utilizando una variedad de técnicas de imagen no invasivas que incluyen la magneto- y electroencefalografía (MEG/EEG), la tomografía por emisión de positrones (PET) y la resonancia magnética funcional (fMRI). El mapa tonotópico primario en la corteza auditiva humana se encuentra a lo largo del giro de Heschl (HG). Sin embargo, varios investigadores han llegado a conclusiones contradictorias sobre la dirección del gradiente de frecuencia a lo largo del HG. Algunos experimentos encontraron que la progresión tonotópica corría paralela a lo largo del HG mientras que otros encontraron que el gradiente de frecuencia corría perpendicularmente a lo largo del HG en una dirección diagonal, formando un par de gradientes en forma de V angular.
En ratonesEditar
Uno de los métodos bien establecidos para estudiar el patrón tonotópico en la corteza auditiva durante el desarrollo es la crianza del tono. En la corteza auditiva primaria de los ratones (A1), diferentes neuronas responden a diferentes rangos de frecuencias con una frecuencia particular que provoca la mayor respuesta – esto se conoce como la «mejor frecuencia» para una neurona determinada. La exposición de las crías de ratón a una frecuencia particular durante el período crítico auditivo (día postnatal 12 a 15) cambiará las «mejores frecuencias» de las neuronas en A1 hacia el tono de la frecuencia expuesta.
Se ha demostrado que estos cambios de frecuencia en respuesta a los estímulos ambientales mejoran el rendimiento en las tareas de comportamiento perceptivo en ratones adultos que fueron criados con tono durante el período crítico auditivo. El aprendizaje del adulto y las manipulaciones sensoriales del periodo crítico inducen cambios comparables en las topografías corticales y, por definición, el aprendizaje del adulto da lugar a un aumento de las capacidades perceptivas. El desarrollo tonotópico de A1 en las crías de ratón es, por tanto, un factor importante para entender las bases neurológicas del aprendizaje auditivo.
Otras especies también muestran un desarrollo tonotópico similar durante los períodos críticos. El desarrollo tonotópico de la rata es casi idéntico al del ratón, pero el período crítico se desplaza ligeramente antes, y las lechuzas muestran un desarrollo auditivo análogo en las diferencias de tiempo interauricular (DTI).
Plasticidad del período crítico auditivoEditar
El período crítico auditivo de las ratas, que dura desde el día postnatal 11 (P11) hasta el P13 puede extenderse a través de experimentos de privación como la crianza con ruido blanco. Se ha demostrado que subconjuntos del mapa tonotópico en A1 pueden mantenerse en un estado plástico indefinidamente exponiendo a las ratas a ruido blanco consistente en frecuencias dentro de un rango particular determinado por el experimentador. Por ejemplo, exponer a una rata durante el periodo crítico auditivo a un ruido blanco que incluya frecuencias de tono entre 7 kHz y 10 kHz mantendrá las neuronas correspondientes en un estado plástico mucho más allá del típico periodo crítico -un estudio ha conservado este estado plástico hasta que las ratas tenían 90 días de edad-.Estudios recientes también han descubierto que la liberación del neurotransmisor norepinefrina es necesaria para la plasticidad del periodo crítico en el córtex auditivo, aunque el patrón tonotópico intrínseco de los circuitos corticales auditivos se produce independientemente de la liberación de norepinefrina.Un reciente estudio de toxicidad demostró que la exposición intrauterina y postnatal al bifenilo policlorado (PCB) alteró la organización general del córtex auditivo primario (A1), incluyendo la tonotopía y la topografía del A1. La exposición temprana al PCB también cambió el equilibrio de las entradas excitatorias e inhibitorias, lo que alteró la capacidad de la corteza auditiva para reorganizarse plásticamente después de los cambios en el entorno acústico, alterando así el período crítico de la plasticidad auditiva.
Plasticidad adultaEditar
Los estudios en el A1 maduro se han centrado en las influencias neuromoduladoras y han encontrado que la estimulación directa e indirecta del nervio vago, que desencadena la liberación de neuromoduladores, promueve la plasticidad auditiva adulta. Se ha demostrado que la señalización colinérgica activa la actividad de las células 5-HT3AR en las áreas corticales y facilita la plasticidad auditiva adulta. Además, se ha demostrado que el entrenamiento conductual con estímulos gratificantes o aversivos, comúnmente conocidos por involucrar a los aferentes colinérgicos y a las células 5-HT3AR, altera y cambia los mapas tonotópicos de los adultos.