Perifeerinen hermostoMuokkaa
SisäkorvaMuokkaa
Sisäkorvan tonotopiaorganisaatio muotoutuu koko pre- ja postnataalisen kehityksen ajan useiden muutosten kautta, jotka tapahtuvat vastauksena kuuloärsykkeisiin. Tutkimukset viittaavat siihen, että synnytystä edeltävää tonotopisen organisaation vakiintumista ohjaa osittain synaptinen uudelleenorganisoituminen; uudemmat tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että varhaiset muutokset ja hienosäädöt tapahtuvat sekä virtapiiri- että alisolutasolla. Nisäkkäillä sen jälkeen, kun sisäkorva on muuten täysin kehittynyt, tonotopinen kartta järjestäytyy uudelleen korkeampien ja spesifisempien taajuuksien mukauttamiseksi. Tutkimukset ovat osoittaneet, että reseptoriguanyylisyklaasi Npr2 on elintärkeä tämän tonotopian tarkan ja spesifisen organisoinnin kannalta. Lisäkokeet ovat osoittaneet, että notokordista ja pohjalevystä lähtevällä Sonic Hedgehogilla on konservoitunut rooli tonotopian järjestäytymisessä varhaisen kehityksen aikana. Juuri tämä sisäkorvan karvasolujen oikea tonotopinen järjestäytyminen mahdollistaa taajuuden oikean havaitsemisen oikeana sävelkorkeutena.
Rakenteellinen järjestäytyminenEdit
Sisäkorvassa ääni synnyttää kiertävän aallon, joka liikkuu tyvestä kärkeen ja jonka amplitudi kasvaa, kun se liikkuu pohjakalvossa (Basilar membrane, BM) sijaitsevaa tonotopista akselia pitkin. Tämä paineaalto kulkee sisäkorvan BM:ää pitkin, kunnes se saavuttaa alueen, joka vastaa sen suurinta värähtelytaajuutta; tämä koodataan sitten äänenkorkeudeksi. Korkeataajuiset äänet stimuloivat rakenteen tyvessä olevia neuroneja ja matalataajuiset äänet stimuloivat kärjessä olevia neuroneja. Tämä edustaa sisäkorvan tonotopista organisaatiota. Tämä johtuu siitä, että BM:n mekaaniset ominaisuudet on porrastettu tonotopista akselia pitkin; tämä välittää eri taajuudet karvasoluille (mekanosensoriset solut, jotka vahvistavat sisäkorvan värähtelyjä ja lähettävät kuuloinformaatiota aivoihin), mikä johtaa reseptoripotentiaalien muodostumiseen ja näin ollen taajuusviritykseen. Esimerkiksi BM:n jäykkyys kasvaa sen tyviosaa kohti.
Sisäkorvan tonotopian mekanismitEdit
Hiuskimppujen eli karvasolujen ”mekaanisen antennin” ajatellaan olevan erityisen tärkeä sisäkorvan tonotopiassa. Hiuskimppujen morfologia vaikuttaa todennäköisesti osaltaan BM-gradienttiin. Tonotyyppinen sijainti määrää karvakimppujen rakenteen sisäkorvassa. Karvakimppujen korkeus kasvaa tyvestä kärkeen ja stereokiilojen määrä vähenee (ts. sisäkorvan tyvessä sijaitsevissa karvasoluissa on enemmän stereokiiloja kuin kärjessä sijaitsevissa karvasoluissa).
Lisäksi sisäkorvan karvasolujen kärkilenkkikompleksissa tonotopiaan liittyy luontaisten mekaanisten ominaisuuksien gradientteja. Karvakimpussa porttijouset määräävät mekaanis-sähköisten ionisiirtokanavien avautumistodennäköisyyden: korkeammilla taajuuksilla näihin elastisiin jousiin kohdistuu suurempi jäykkyys ja suurempi mekaaninen jännitys karvasolujen kärkilinkissä. Tätä korostaa ulompien ja sisempien karvasolujen välinen työnjako, jossa ulompien karvasolujen (jotka vastaavat matalataajuisten äänien vahvistamisesta) mekaanisilla gradienteilla on suurempi jäykkyys ja kireys.
Tonotopia ilmenee myös transduktion sähköfysikaalisissa ominaisuuksissa. Äänienergia muunnetaan hermosignaaleiksi mekaanis-sähköisen transduktion avulla. Transduktiohuipun virran suuruus vaihtelee tonotopian sijainnin mukaan. Virrat ovat suurimpia esimerkiksi korkeataajuisissa paikoissa, kuten sisäkorvan tyvessä. Kuten edellä todettiin, sisäkorvan tyvitumakkeessa olevissa karvasoluissa on enemmän stereokiiloja, joten niissä on enemmän kanavia ja suuremmat virrat. Tonotopinen sijainti määrittää myös yksittäisten transduktiokanavien johtavuuden. Yksittäiset kanavat basaalisissa karvasoluissa johtavat enemmän virtaa kuin apikaalisten karvasolujen kanavat.
Loppujen lopuksi äänen vahvistuminen on suurempaa basaalisilla kuin apikaalisilla sisäkorvan alueilla, koska ulommat karvasolut ilmentävät motorista proteiinia prestinia, joka vahvistaa värähtelyjä ja lisää ulompien karvasolujen herkkyyttä matalammille äänille.
KeskushermostoEdit
AivokuoriEdit
Auditaajuus, joka tunnetaan myös äänenkorkeutena, on tällä hetkellä ainoa äänen ominaisuus, jonka tiedetään varmuudella olevan topografisesti kartoitettu keskushermostossa. Muut ominaisuudet saattavat kuitenkin muodostaa vastaavia karttoja aivokuorella, kuten äänen voimakkuus, virityskaistanleveys tai modulointinopeus, mutta niitä ei ole tutkittu yhtä hyvin.
Keskiaivoissa on kaksi ensisijaista kuulorataa kuuloaivokuorelle – lemniskaalinen klassinen kuulorata ja ekstralemniskaalinen ei-klassinen kuulorata. Lemniskaalinen klassinen kuulorata on tonotopisesti järjestäytynyt, ja se koostuu colliculus inferiorin keskusytimestä ja ventraalisesta mediaalisesta geniculaarirungosta, jotka projisoituvat kuuloaivokuoren primaarialueille. Ei-primaarinen kuuloaivokuori saa syötteitä ekstralemniskaalisesta ei-klassisesta kuuloradasta, jolla on diffuusi taajuusorganisaatio.
Kuuloaivokuoren tonotyyppistä organisoitumista on tutkittu laajalti, ja siksi se ymmärretään paremmin verrattuna muihin kuuloradan alueisiin. Kuuloaivokuoren tonotopiaa on havaittu monilla eläinlajeilla, kuten linnuilla, jyrsijöillä, kädellisillä ja muilla nisäkkäillä. Hiirillä on todettu, että kuuloaivokuoren neljällä osa-alueella on tonotyyppinen organisaatio. Klassisesti jaetun A1-osa-alueen on todettu olevan itse asiassa kaksi erillistä tonopista aluetta – A1 ja dorsomediaalinen kenttä (DM). Kuuloaivokuoren A2-alueella ja kuuloaivokuoren anteriorisella kentällä (AAF) on molemmilla dorsoventriaalisesti kulkevat tonotopiset kartat. Hiiren kuuloaivokuoren kaksi muuta aluetta, dorsoanteriorinen kenttä (DA) ja dorsoposteriorinen kenttä (DP), eivät ole tonotopisia. Vaikka näiden ei-tonotopisten alueiden neuroneilla on ominaistaajuus, ne ovat järjestäytyneet satunnaisesti.
Kädellisillä kädellisillä tehdyissä tutkimuksissa on luotu hierarkkinen malli kuuloaivokuoren organisaatiosta, joka koostuu pitkulaisesta ytimestä, joka koostuu kolmesta selkä menosuuntaan sijaitsevasta tonotopisesta kentästä: primaarinen kuulokenttä A1, rostraalinen kenttä R ja rostraalinen temporaalinen kenttä RT. Näitä alueita ympäröivät vyökentät (sekundaariset) alueet ja korkeamman asteen parabeltakentät. A1:ssä on taajuusgradientti korkeasta matalaan posteriorista eteiseen; R:ssä on käänteinen gradientti, jossa tyypilliset taajuudet ovat matalasta korkeaan posteriorisesta eteiseen. RT:llä on vähemmän selvästi järjestäytynyt gradientti korkeista taajuuksista takaisin mataliin taajuuksiin. Nämä primaariset tonotopiset kuviot ulottuvat jatkuvasti ympäröiville vyöalueille.
Tonotopista järjestäytymistä ihmisen kuuloaivokuorella on tutkittu erilaisilla ei-invasiivisilla kuvantamistekniikoilla, kuten magneetti- ja sähköenkefalografialla (MEG/EEG), positroniemissiotomografialla (PET) ja toiminnallisella magneettikuvauksella (fMRI). Ihmisen kuuloaivokuoren ensisijainen tonotopiakartta kulkee Heschlin gyrusta (HG) pitkin. Eri tutkijat ovat kuitenkin päätyneet ristiriitaisiin johtopäätöksiin HG:tä pitkin kulkevan taajuusgradientin suunnasta. Joissakin kokeissa todettiin, että tonotopian eteneminen kulki HG:tä pitkin samansuuntaisesti, kun taas toisissa todettiin, että taajuusgradientti kulki HG:n poikki kohtisuoraan diagonaalisesti muodostaen kulmikkaan V:n muotoisen gradienttiparin.
HiirilläTiedosto
Yksi vakiintuneeksi todettu menetelmä, jolla voidaan tutkia tonotopiakuviointia kuuloaivokuorella sen kehityksen aikana, on äänenkasvatus. Hiiren primaarisessa kuuloaivokuoressa (A1) eri neuronit reagoivat eri taajuusalueisiin, ja yksi tietty taajuus saa aikaan suurimman vasteen – tätä kutsutaan tietyn neuronin ”parhaaksi taajuudeksi”. Hiirenpoikasten altistaminen yhdelle tietylle taajuudelle kuulon kriittisen jakson aikana (syntymän jälkeinen päivä 12-15) siirtää A1:n neuronien ”parhaita taajuuksia” kohti altistettua taajuusääntä.
Tällaisten taajuussiirtojen vasteena ympäristöärsykkeisiin on osoitettu parantavan suorituskykyä havaintokäyttäytymistehtävissä aikuisilla hiirillä, joita kasvatettiin kuulon kriittisen jakson aikana. Aikuisten oppiminen ja kriittisen jakson sensoriset manipulaatiot aiheuttavat vertailukelpoisia siirtymiä aivokuoren topografioissa, ja määritelmän mukaan aikuisten oppiminen johtaa lisääntyneisiin havaintokykyihin. A1:n tonotopinen kehitys hiirenpennuilla on siksi tärkeä tekijä auditiivisen oppimisen neurologisen perustan ymmärtämisessä.
Muutkin lajit osoittavat samanlaista tonotopista kehitystä kriittisen jakson aikana. Rottien tonotopinen kehitys on lähes identtinen hiiren kanssa, mutta kriittinen jakso siirtyy hieman aikaisemmaksi, ja pöllöt osoittavat analogista auditiivista kehitystä interauraalisissa aikaeroissa (ITD).
Auditiivisen kriittisen jakson plastisuusMuutos
Rottien auditiivista kriittistä jaksoa, joka kestää postnataalisesta 11. vuorokaudesta (P11) P13:een, voidaan pidentää deprivaatiokokeiden, kuten valkoisen melun kasvatuksen, avulla. On osoitettu, että A1:n tonotopiakartan osajoukot voidaan pitää plastisessa tilassa loputtomiin altistamalla rotat valkoiselle kohinalle, joka koostuu kokeentekijän määrittelemällä tietyllä alueella olevista taajuuksista. Esimerkiksi rotan altistaminen auditiivisen kriittisen jakson aikana valkoiselle kohinalle, joka sisältää 7 kHz:n ja 10 kHz:n välisiä äänitaajuuksia, pitää vastaavat neuronit plastisessa tilassa paljon tyypillisen kriittisen jakson jälkeen – yhdessä tutkimuksessa tämä plastinen tila säilyi, kunnes rotat olivat 90 päivän ikäisiä.Viimeaikaisissa tutkimuksissa on myös havaittu, että välittäjäaine noradrenaliinin vapautumista tarvitaan kriittisen jakson plastisuuteen kuuloaivokuorella, mutta kuuloaivokuoren piirien luontainen tonotyyppinen kuviointi tapahtuu noradrenaliinin vapautumisesta riippumatta.Äskettäinen myrkyllisyystutkimus osoitti, että in-utero- ja postnataalinen altistuminen polyklooratulle bifenyylille (PCB) muutti primaarisen kuuloaivokuoren (A1:n) yleistä organisoitumista, mukaan luettuina tonotyyppisyys ja A1:n topografia. Varhainen PCB-altistus muutti myös eksitatoristen ja inhibitoristen syötteiden tasapainoa, mikä muutti kuuloaivokuoren kykyä järjestäytyä plastisesti uudelleen akustisen ympäristön muutosten jälkeen, mikä muutti kuulon plastisuuden kriittistä ajanjaksoa.
Aikuisen plastisuusTiedosto
Kypsässä A1:ssä tehdyissä tutkimuksissa on keskitytty neuromodulaattorivaikutuksiin, ja niissä on havaittu, että suora ja epäsuora vagushermostimulaatio, joka laukaisee neuromodulaattoreiden vapautumisen, edistää aikuisen kuulon plastisuutta. Kolinergisen signaloinnin on osoitettu aktivoivan 5-HT3AR-solujen toimintaa eri kortikaalialueilla ja edistävän aikuisen kuulon plastisuutta. Lisäksi käyttäytymiskoulutuksen, jossa käytetään palkitsevia tai vastenmielisiä ärsykkeitä, joiden yleisesti tiedetään aktivoivan kolinergisiä afferentteja ja 5-HT3AR-soluja, on myös osoitettu muuttavan ja siirtävän aikuisten tonotopisia karttoja.