Tonotópia

Perifériás idegrendszerSzerkesztés

CochleaSzerkesztés

A cochlea tonotópos szerveződése a születés előtti és utáni fejlődés során a hallási ingerekre adott válaszként bekövetkező változások sorozatán keresztül alakul ki. A kutatások azt sugallják, hogy a tonotópos szerveződés születés előtti kialakulását részben a szinaptikus átrendeződés irányítja; újabb vizsgálatok azonban azt mutatják, hogy a korai változások és finomítások mind az áramkörök, mind a szubcelluláris szinteken történnek. Emlősökben, miután a belső fül egyébként teljesen kifejlődött, a tonotopikus térkép ezután újraszerveződik a magasabb és specifikusabb frekvenciák befogadása érdekében. A kutatások azt sugallták, hogy az Npr2 receptor guanil-cikláz létfontosságú e tonotópia pontos és specifikus szerveződéséhez. További kísérletek kimutatták a notokordból és a talajlemezből kiinduló Sonic Hedgehog konzervált szerepét a korai fejlődés során a tonotopikus szerveződés kialakításában. A cochlea szőrsejtjeinek ez a megfelelő tonotópos szerveződése teszi lehetővé a frekvencia megfelelő hangmagasságként való helyes érzékelését.

Szerkezeti szerveződésSzerkezeti szerveződésSzerkesztés

A cochleában a hang utazó hullámot hoz létre, amely az alaptól a csúcs felé halad, és amplitúdója növekszik, ahogy a bazilláris membrán (BM) tonotópos tengelye mentén halad. Ez a nyomáshullám addig halad a cochlea BM-je mentén, amíg el nem éri a maximális rezgési frekvenciájának megfelelő területet; ez azután hangmagasságként kódolódik. A magas frekvenciájú hangok a struktúra alján lévő neuronokat, az alacsonyabb frekvenciájú hangok pedig a csúcson lévő neuronokat stimulálják. Ez jelenti a cochleáris tonotopikus szerveződést. Ez azért következik be, mert a BM mechanikai tulajdonságai egy tonotopikus tengely mentén vannak osztályozva; ez különböző frekvenciákat közvetít a szőrsejtekhez (mechanoszenzoros sejtek, amelyek felerősítik a cochleáris rezgéseket és hallási információkat küldenek az agyba), létrehozva a receptorpotenciálokat és következésképpen a frekvenciahangolást. Például a BM merevsége az alapja felé növekszik.

A cochleáris tonotópia mechanizmusaiSzerkesztés

A szőrkötegek, vagy a szőrsejtek “mechanikus antennája” különösen fontosnak tekinthető a cochleáris tonotópiában. A szőrkötegek morfológiája valószínűleg hozzájárul a BM gradienshez. A tonotópos helyzet meghatározza a szőrkötegek szerkezetét a cochleában. A szőrkötegek magassága a bázistól a csúcs felé haladva nő, a sztereocíliák száma pedig csökken (azaz a cochlea bázisán elhelyezkedő szőrsejtek több sztereocíliát tartalmaznak, mint a csúcson elhelyezkedők).

A cochlea szőrsejtjeinek tip-link komplexében továbbá a tonotópia az intrinsic mechanikai tulajdonságok gradienséhez kapcsolódik. A szőrcsomóban a kapuzó rugók határozzák meg a mechanoelektromos iontranszdukciós csatornák nyitási valószínűségét: magasabb frekvenciákon ezek a rugalmas rugók nagyobb merevségnek és nagyobb mechanikai feszültségnek vannak kitéve a szőrsejtek csúcs-linkjeiben. Ezt hangsúlyozza a külső és belső szőrsejtek közötti munkamegosztás, amelyben a külső szőrsejtek (amelyek az alacsonyabb frekvenciájú hangok erősítéséért felelősek) mechanikai gradienseinek nagyobb a merevsége és feszültsége.

A tonotópia az átvitel elektrofizikai tulajdonságaiban is megnyilvánul. A hangenergiát mechanoelektromos transzdukción keresztül alakítják át idegi jelekké. A transzdukciós csúcsáram nagysága a tonotópiás helyzettől függően változik. Például az áramok a legnagyobbak a magas frekvenciájú pozíciókban, például a cochlea tövében. Mint fentebb említettük, a bazális cochleáris szőrsejtek több sztereocíliával rendelkeznek, így több csatornát és nagyobb áramot biztosítanak. A tonotopikus pozíció meghatározza az egyes transzdukciós csatornák vezetőképességét is. A bazális szőrsejtek egyes csatornái több áramot vezetnek, mint az apikális szőrsejteké.

Végezetül, a hangerősítés nagyobb a bazális, mint az apikális cochleáris régiókban, mivel a külső szőrsejtek expresszálják a motoros fehérjét, a prestint, amely felerősíti a rezgéseket és növeli a külső szőrsejtek érzékenységét a mélyebb hangokra.

Központi idegrendszerSzerkesztés

KéregSzerkesztés

A hangfrekvencia, más néven a hangmagasság, jelenleg az egyetlen olyan hangjellemző, amelyről biztosan tudjuk, hogy topográfiailag leképezhető a központi idegrendszerben. Azonban más jellemzők is alkothatnak hasonló térképeket az agykéregben, mint például a hangintenzitás, a hangolási sávszélesség vagy a modulációs sebesség, de ezeket még nem vizsgálták ilyen alaposan.

A középagyban két elsődleges hallási útvonal létezik a hallókéreghez – a lemniszkális klasszikus hallási útvonal és az extralemniszkális nem klasszikus hallási útvonal. A lemniszkális klasszikus hallási pálya tonotopikusan szerveződik, és a colliculus inferior központi magjából és a ventrális medialis geniculáris testből áll, amely a hallókéreg elsődleges területeire vetül. A nem elsődleges hallókéreg az extralemniszkális nem klasszikus hallási pályáról kap bemeneteket, amely diffúz frekvenciaszerveződést mutat.

A hallókéreg tonotópos szerveződését széles körben vizsgálták, és ezért jobban érthető a hallási pálya más területeihez képest. A hallókéreg tonotópiáját számos állatfajban megfigyelték, beleértve a madarakat, rágcsálókat, főemlősöket és más emlősöket. Egerekben a hallókéreg négy alrégiójában találtak tonotópos szerveződést. A klasszikusan felosztott A1 alrégióról kiderült, hogy valójában két különálló tonopikus régió, az A1 és a dorsomedialis mező (DM). A hallókéreg A2 régiója és az elülső hallókérgi mező (AAF) egyaránt dorsoventrálisan futó tonotópos térképekkel rendelkezik. Az egér hallókéreg másik két régiója, a dorsoanterior mező (DA) és a dorsoposterior mező (DP) nem tonotópos. Bár ezekben a nem tonotópos régiókban a neuronok jellegzetes frekvenciával rendelkeznek, véletlenszerűen helyezkednek el.

A főemlősökkel végzett tanulmányok a hallókéreg szerveződésének hierarchikus modelljét hozták létre, amely egy hosszúkás magból áll, amely három egymásnak háttal álló tonotópos mezőből – az A1 elsődleges hallási mezőből, az R rostrális mezőből és az RT rostrális temporális mezőből – áll. Ezeket a régiókat övmezők (másodlagos) régiók és magasabb rendű parabeltómezők veszik körül. Az A1 frekvenciagradienst mutat a magasról az alacsonyra a hátulról elülső irányban; az R fordított gradienst mutat, a jellegzetes frekvenciák a hátulról elülső irányban az alacsonyról a magasra terjednek. Az RT kevésbé egyértelműen szervezett gradienssel rendelkezik a magas vissza az alacsony frekvenciák felé. Ezek az elsődleges tonotópos mintázatok folyamatosan kiterjednek a környező övterületekre.

Az emberi hallókéreg tonotópos szerveződését számos nem invazív képalkotó technikával vizsgálták, beleértve a magneto- és elektroenkefalográfiát (MEG/EEG), a pozitronemissziós tomográfiát (PET) és a funkcionális mágneses rezonancia képalkotást (fMRI). Az elsődleges tonotopikus térkép az emberi hallókéregben a Heschl-féle gyrus (HG) mentén található. Különböző kutatók azonban egymásnak ellentmondó következtetésekre jutottak a HG mentén a frekvenciagradiens irányát illetően. Egyes kísérletek azt találták, hogy a tonotópos progresszió párhuzamosan fut a HG mentén, míg mások azt találták, hogy a frekvencia gradiens merőlegesen, átlós irányban fut a HG-n, egy szögletes V alakú gradiens párt alkotva.

EgerekbenSzerkesztés

A hallókéreg tonotópos mintázatának a fejlődés során történő tanulmányozásának egyik jól bevált módszere a tónusnevelés. Az egér elsődleges hallókéregben (A1) a különböző neuronok különböző frekvenciatartományokra reagálnak, és egy bizonyos frekvencia váltja ki a legnagyobb választ – ezt nevezik az adott neuron számára “legjobb frekvenciának”. Ha az egérkölyköket a kritikus hallási periódusban (12-15. születés utáni nap) egy bizonyos frekvenciának tesszük ki, akkor az A1-ben lévő neuronok “legjobb frekvenciái” a kitett frekvenciájú hang felé tolódnak el.

A környezeti ingerekre adott válaszok ilyen frekvenciaeltolódásai bizonyítottan javítják a perceptuális viselkedési feladatokban nyújtott teljesítményt olyan felnőtt egereknél, amelyeket a kritikus hallási periódusban hanggal neveltek. A felnőttkori tanulás és a kritikus periódus szenzoros manipulációi hasonló eltolódásokat indukálnak az agykérgi topográfiákban, és a felnőttkori tanulás definíció szerint fokozott perceptuális képességeket eredményez. Az A1 tonotopikus fejlődése egérkölykökben ezért fontos tényező az auditív tanulás neurológiai alapjainak megértésében.

Más fajok is hasonló tonotopikus fejlődést mutatnak a kritikus periódus alatt. A patkányok tonotópos fejlődése közel azonos az egérével, de a kritikus periódus kissé korábbra tolódik, és a pajtabaglyok is analóg hallásfejlődést mutatnak az interaurális időkülönbségben (ITD).

A hallás kritikus periódusának plaszticitásaSzerkesztés

A patkányok hallási kritikus periódusa, amely a 11. születés utáni naptól (P11) P13-ig tart, deprivációs kísérletekkel, például fehér zajjal való neveléssel meghosszabbítható. Kimutatták, hogy az A1-ben lévő tonotopikus térkép alcsoportjai korlátlan ideig plasztikus állapotban tarthatók, ha a patkányokat fehér zajnak teszik ki, amely egy bizonyos, a kísérletvezető által meghatározott tartományba eső frekvenciákból áll. Ha például egy patkányt a hallás kritikus periódusa alatt olyan fehér zajnak teszünk ki, amely 7 kHz és 10 kHz közötti hangfrekvenciákat tartalmaz, akkor a megfelelő neuronok plasztikus állapotban maradnak, jóval a tipikus kritikus periódus után is – egy vizsgálatban ezt a plasztikus állapotot a patkányok 90 napos koráig megtartották.A legújabb vizsgálatok azt is megállapították, hogy a noradrenalin neurotranszmitter felszabadulása szükséges a hallókéregben a kritikus periódus plaszticitásához, azonban a hallókéreg áramkörének intrinsic tonotopikus mintázata a noradrenalin felszabadulásától függetlenül történik.Egy nemrégiben végzett toxicitási vizsgálat kimutatta, hogy a poliklórozott bifenil (PCB) in-utero és postnatalis expozíciója megváltoztatta az elsődleges hallókéreg (A1) általános szerveződését, beleértve a tonotopiát és az A1 topográfiáját. A korai PCB-expozíció a gerjesztő és gátló bemenetek egyensúlyát is megváltoztatta, ami megváltoztatta a hallókéreg azon képességét, hogy az akusztikus környezet változásai után plasztikusan átrendeződjön, ezáltal megváltoztatva a hallásplaszticitás kritikus időszakát.

Felnőttkori plaszticitásSzerkesztés

Az érett A1-ben végzett vizsgálatok a neuromoduláns hatásokra összpontosítottak, és azt találták, hogy a közvetlen és közvetett vagus idegi stimuláció, amely neuromodulátor felszabadulást vált ki, elősegíti a felnőttkori hallásplaszticitást. Kimutatták, hogy a kolinerg jelátvitel az 5-HT3AR sejtek aktivitását az agykérgi területeken keresztül aktiválja, és elősegíti a felnőttkori hallásplaszticitást. Továbbá a jutalmazó vagy averzív ingereket alkalmazó viselkedési tréning, amelyről általánosan ismert, hogy kolinerg afferenseket és 5-HT3AR sejteket érint, szintén kimutatták, hogy megváltoztatja és eltolja a felnőttkori tonotópos térképeket.

.