Sistema nervoso perifericoModifica
CocleaModifica
L’organizzazione tonotopica nella coclea si forma durante lo sviluppo pre e post-natale attraverso una serie di cambiamenti che avvengono in risposta a stimoli uditivi. La ricerca suggerisce che l’istituzione pre-natale dell’organizzazione tonotopica è parzialmente guidata dalla riorganizzazione sinaptica; tuttavia, studi più recenti hanno dimostrato che i primi cambiamenti e perfezionamenti avvengono sia a livello circuitale che subcellulare. Nei mammiferi, dopo che l’orecchio interno è altrimenti completamente sviluppato, la mappa tonotopica viene riorganizzata per accogliere frequenze più alte e più specifiche. La ricerca ha suggerito che il recettore guanylyl cyclase Npr2 è vitale per l’organizzazione precisa e specifica di questa tonotopia. Ulteriori esperimenti hanno dimostrato un ruolo conservato di Sonic Hedgehog che emana dalla notocorda e dalla piastra pavimentale nello stabilire l’organizzazione tonotopica durante il primo sviluppo. È questa corretta organizzazione tonotopica delle cellule ciliate nella coclea che permette la corretta percezione della frequenza come il pitch corretto.
Organizzazione strutturaleModifica
Nella coclea, il suono crea un’onda viaggiante che si muove dalla base all’apice, aumentando in ampiezza mentre si muove lungo un asse tonotopico nella membrana basilare (BM). Questa onda di pressione viaggia lungo la BM della coclea fino a raggiungere un’area che corrisponde alla sua massima frequenza di vibrazione; questa viene poi codificata come altezza. I suoni ad alta frequenza stimolano i neuroni alla base della struttura e i suoni a bassa frequenza stimolano i neuroni all’apice. Questo rappresenta l’organizzazione tonotopica cocleare. Ciò avviene perché le proprietà meccaniche del BM sono graduate lungo un asse tonotopico; questo trasmette frequenze distinte alle cellule ciliate (cellule meccanosensoriali che amplificano le vibrazioni cocleari e inviano informazioni uditive al cervello), stabilendo potenziali recettoriali e, di conseguenza, la sintonizzazione della frequenza. Per esempio, il BM aumenta di rigidità verso la sua base.
Meccanismi di tonotopia cocleareModifica
I fasci di capelli, o “antenna meccanica” delle cellule ciliate, si pensa siano particolarmente importanti nella tonotopia cocleare. La morfologia dei fasci di capelli contribuisce probabilmente al gradiente BM. La posizione tonotopica determina la struttura dei fasci di capelli nella coclea. L’altezza dei fasci di capelli aumenta dalla base all’apice e il numero di stereocilia diminuisce (cioè le cellule ciliate situate alla base della coclea contengono più stereocilia di quelle situate all’apice).
Inoltre, nel complesso tip-link delle cellule ciliate cocleari, la tonotopia è associata a gradienti di proprietà meccaniche intrinseche. Nel fascio di capelli, le molle di gating determinano la probabilità di apertura dei canali di trasduzione ionica meccanoelettrica: a frequenze più alte, queste molle elastiche sono soggette a una maggiore rigidità e a una maggiore tensione meccanica nei tip-link delle cellule ciliate. Questo è sottolineato dalla divisione del lavoro tra le cellule ciliate esterne e interne, in cui i gradienti meccanici per le cellule ciliate esterne (responsabili dell’amplificazione dei suoni a bassa frequenza) hanno una rigidità e una tensione più elevate.
La totopia si manifesta anche nelle proprietà elettrofisiche della trasduzione. L’energia sonora è tradotta in segnali neurali attraverso la trasduzione meccanoelettrica. L’ampiezza del picco di corrente di trasduzione varia con la posizione tonotopica. Per esempio, le correnti sono più grandi a posizioni ad alta frequenza come la base della coclea. Come notato in precedenza, le cellule ciliate cocleari basali hanno più stereocilia, fornendo così più canali e correnti più grandi. La posizione tonotopica determina anche la conduttanza dei singoli canali di trasduzione. I singoli canali delle cellule ciliate basali conducono più corrente di quelli delle cellule ciliate apicali.
Infine, l’amplificazione del suono è maggiore nelle regioni cocleari basali che in quelle apicali perché le cellule ciliate esterne esprimono la proteina motrice prestina, che amplifica le vibrazioni e aumenta la sensibilità delle cellule ciliate esterne ai suoni più bassi.
Sistema nervoso centraleModifica
CortecciaModifica
La frequenza sonora, altrimenti nota come altezza, è attualmente l’unica caratteristica del suono che si sa con certezza essere mappata topograficamente nel sistema nervoso centrale. Tuttavia, altre caratteristiche possono formare mappe simili nella corteccia, come l’intensità del suono, la larghezza di banda di sintonia o il tasso di modulazione, ma queste non sono state studiate così bene.
Nel mesencefalo, esistono due vie uditive primarie verso la corteccia uditiva: la via uditiva classica lemniscale e la via uditiva non classica extralemniscale. La via uditiva classica lemniscale è organizzata tonotopicamente e consiste nel nucleo centrale del collicolo inferiore e nel corpo genicolato mediale ventrale che proietta alle aree primarie della corteccia uditiva. La corteccia uditiva non primaria riceve input dalla via uditiva extralemniscale non classica, che mostra un’organizzazione di frequenza diffusa.
L’organizzazione tonotopica della corteccia uditiva è stata ampiamente esaminata ed è quindi meglio compresa rispetto ad altre aree della via uditiva. La tonotopia della corteccia uditiva è stata osservata in molte specie animali tra cui uccelli, roditori, primati e altri mammiferi. Nei topi, quattro sottoregioni della corteccia uditiva sono state trovate per mostrare l’organizzazione tonotopica. La sottoregione A1, classicamente divisa, si è rivelata essere in realtà due regioni tonopiche distinte: A1 e il campo dorsomediale (DM). La regione A2 della corteccia uditiva e il campo audiotecnico anteriore (AAF) hanno entrambi mappe tonotopiche che corrono dorsoventralmente. Le altre due regioni della corteccia uditiva del topo, il campo dorsoanteriore (DA) e il campo dorsoposteriore (DP) non sono tonotopiche. Mentre i neuroni in queste regioni non tonotopiche hanno una frequenza caratteristica, sono disposti in modo casuale.
Studi che utilizzano primati non umani hanno generato un modello gerarchico di organizzazione corticale uditiva che consiste in un nucleo allungato costituito da tre campi tonotopici back-to-back – il campo uditivo primario A1, il campo rostrale R, e il campo temporale rostrale RT. Queste regioni sono circondate da campi di cintura (secondari) regioni e campi parabelt di ordine superiore. A1 presenta un gradiente di frequenza dall’alto al basso nella direzione postero-anteriore; R presenta un gradiente inverso con frequenze caratteristiche dal basso all’alto nella direzione postero-anteriore. RT ha un gradiente meno chiaramente organizzato da alte a basse frequenze. Questi modelli tonotopici primari si estendono continuamente nelle aree circostanti della cintura.
L’organizzazione tonotopica nella corteccia uditiva umana è stata studiata utilizzando una varietà di tecniche di imaging non invasive tra cui magneto- ed elettroencefalografia (MEG/EEG), tomografia a emissione di positroni (PET), e risonanza magnetica funzionale (fMRI). La mappa tonotopica primaria nella corteccia uditiva umana è lungo il giro di Heschl (HG). Tuttavia, vari ricercatori hanno raggiunto conclusioni contrastanti sulla direzione del gradiente di frequenza lungo HG. Alcuni esperimenti hanno trovato che la progressione tonotopica correva parallelamente lungo HG mentre altri hanno trovato che il gradiente di frequenza correva perpendicolarmente attraverso HG in una direzione diagonale, formando una coppia angolata a forma di V di gradienti.
Nei topiModifica
Uno dei metodi consolidati di studiare patterning tonotopico nella corteccia uditiva durante lo sviluppo è tono-aring. Nella corteccia uditiva primaria del topo (A1), diversi neuroni rispondono a diverse gamme di frequenze con una particolare frequenza che suscita la più grande risposta – questo è noto come la “migliore frequenza” per un dato neurone. Esporre i cuccioli di topo ad una particolare frequenza durante il periodo critico uditivo (giorno postnatale 12-15) sposterà le “migliori frequenze” dei neuroni in A1 verso il tono di frequenza esposto.
Questi spostamenti di frequenza in risposta a stimoli ambientali hanno dimostrato di migliorare le prestazioni in compiti di comportamento percettivo in topi adulti che sono stati allevati a tono durante il periodo critico uditivo. L’apprendimento degli adulti e le manipolazioni sensoriali del periodo critico inducono spostamenti comparabili nelle topografie corticali, e per definizione l’apprendimento degli adulti si traduce in maggiori capacità percettive. Lo sviluppo tonotopico di A1 nei cuccioli di topo è quindi un fattore importante nella comprensione della base neurologica dell’apprendimento uditivo.
Anche altre specie mostrano uno sviluppo tonotopico simile durante i periodi critici. Lo sviluppo tonotopico del ratto è quasi identico a quello del topo, ma il periodo critico è spostato leggermente prima, e i barbagianni mostrano un analogo sviluppo uditivo in Interaural Time Differences (ITD).
Plasticità del periodo critico uditivoModifica
Il periodo critico uditivo dei ratti, che dura dal giorno 11 postnatale (P11) a P13 può essere esteso attraverso esperimenti di deprivazione come il rumore bianco di allevamento. È stato dimostrato che sottoinsiemi della mappa tonotopica in A1 possono essere tenuti in uno stato plastico a tempo indeterminato esponendo i ratti al rumore bianco costituito da frequenze all’interno di un particolare intervallo determinato dallo sperimentatore. Per esempio, esponendo un ratto durante il periodo critico uditivo al rumore bianco che include frequenze di tono tra 7 kHz e 10 kHz manterrà i neuroni corrispondenti in uno stato plastico ben oltre il tipico periodo critico-uno studio ha mantenuto questo stato plastico fino a quando i ratti avevano 90 giorni di età.Studi recenti hanno anche scoperto che il rilascio del neurotrasmettitore noradrenalina è necessario per la plasticità periodo critico nella corteccia uditiva, tuttavia intrinseco patterning tonotopico del circuito corticale uditivo si verifica indipendentemente dal rilascio di noradrenalina.Un recente studio di tossicità ha dimostrato che l’esposizione in-utero e postnatale al policlorobifenile (PCB) alterato complessiva corteccia uditiva primaria (A1) organizzazione, compresi tonotopia e topografia A1. L’esposizione precoce al PCB ha anche cambiato l’equilibrio degli input eccitatori e inibitori, che ha alterato la capacità della corteccia uditiva di riorganizzarsi plasticamente dopo i cambiamenti nell’ambiente acustico, alterando così il periodo critico della plasticità uditiva.
Plasticità adultaModifica
Gli studi nella A1 matura si sono concentrati sulle influenze neuromodulative e hanno scoperto che la stimolazione diretta e indiretta del nervo vago, che innesca il rilascio di neuromodulatori, promuove la plasticità uditiva adulta. È stato dimostrato che la segnalazione colinergica impegna l’attività delle cellule 5-HT3AR nelle aree corticali e facilita la plasticità uditiva adulta. Inoltre, l’addestramento comportamentale che utilizza stimoli gratificanti o avversivi, comunemente noti per coinvolgere afferenze colinergiche e cellule 5-HT3AR, ha anche dimostrato di alterare e spostare le mappe tonotopiche degli adulti.