Tonotopy

Peripheral nervous systemEdit

CochleaEdit

Tonotopic organization in cochlea throughout pre-natal development through series of changes that occurs in auditory stimulus. 生前のトノトピック編成の確立は、部分的にはシナプスの再編成によって導かれることが研究によって示唆されているが、より最近の研究では、初期の変化と洗練は回路と細胞内の両方のレベルで起こることが示されている。 哺乳類では、内耳が完全に発達した後、より高い周波数に対応するために、トノトピックマップが再編成される。 これまでの研究から、受容体グアニリルシクラーゼNpr2がこのトノトピーの正確かつ特異的な構成に不可欠であることが示唆されている。 さらに、ソニックヘッジホッグが、発生初期のトーントピックの形成において、ノトコードと床板から放出される役割が保存されていることが、実験によって明らかにされた。

構造的構成編集

蝸牛では、音は基底膜（BM）のトノトピック軸に沿って移動するにつれて振幅が大きくなり、基底から頂点に移動する進行波を作る。 この圧力波は蝸牛のBMに沿って、その最大振動数に対応する領域に到達するまで移動し、これが音程としてコード化される。 高い周波数の音は構造の底部にあるニューロンを刺激し、低い周波数の音は頂部にあるニューロンを刺激する。 これは、蝸牛のトノトピック構造を表している。 これは、BMの機械的特性がトノトピック軸に沿って段階的に変化することにより、有毛細胞（蝸牛の振動を増幅し、聴覚情報を脳に送る機械感覚細胞）に異なる周波数を伝え、受容体電位を確立し、結果として周波数同調を実現しているためである。 例えば、BMは基部に向かって硬さが増している。

蝸牛の音調のメカニズム編集

有毛細胞の「機械アンテナ」である毛束は、蝸牛の音調において特に重要であると考えられている。 毛束の形態はBM勾配に寄与している可能性が高い。 トノトピーの位置が蝸牛の毛束の構造を決定している。 毛束の高さは基部から頂点に向かって増加し、立体繊毛の数は減少する（すなわち、蝸牛の基部に位置する有毛細胞は、頂点に位置するものよりも多くの立体繊毛を含む）

さらに、蝸牛有毛細胞の先端-リンク複合体では、トノトピーは固有の機械特性の勾配と関連付けられている。 毛束では、ゲーティングスプリングが機械電気的イオン伝達チャネルの開口確率を決定する。高周波数では、これらの弾性スプリングは、有毛細胞の先端リンクにおいて高い剛性と高い機械的張力にさらされることになる。 このことは、外耳道と内耳道の役割分担によって強調され、外耳道（低周波音の増幅を担当）の機械的勾配はより高い剛性と張力を持つ。

トノトピーは伝達の電気物理特性にも現れる。 音のエネルギーは機械電気伝導によって神経シグナルに変換される。 伝達電流のピークの大きさは、トノトピーの位置によって変化する。 例えば、電流は蝸牛の基部のような高周波の位置で最大となる。 前述のように、蝸牛の基底部有毛細胞はより多くの定位繊毛を持つため、より多くのチャンネルと大きな電流を提供する。 トノトピック位置はまた、個々の伝達チャネルのコンダクタンスを決定する。

最後に、音の増幅は頂部蝸牛領域よりも底部蝸牛領域の方が大きい。これは、外毛細胞が振動を増幅するモータータンパク質プレスチンを発現し、低い音に対する外毛細胞の感度を高めているためである。

Central nervous systemEdit

CortexEdit

ピッチとして知られるオーディオ周波数は、現在中枢神経系で位相的にマッピングされることが確実に知られている唯一の音の特性である。

中脳には、聴覚皮質への2つの主要な聴覚経路（レムニスク型古典聴覚経路とエクストラレムニスク型非古典聴覚経路）が存在する。 レムニスカルの古典的聴覚経路はトーントピック的に組織化されており、下丘中心核と腹内側被殻からなり、聴覚皮質の一次領域へ投射する。

聴覚皮質のトノトピック構成は、聴覚経路の他の領域と比較して、広範囲に検討されており、よりよく理解されている。 聴覚皮質のトノトピーは、鳥類、齧歯類、霊長類、その他の哺乳類を含む多くの動物種で観察されている。 マウスでは、聴覚皮質の4つのサブ領域がトノトピー性を示すことが分かっている。 古典的に分割されたA1サブリージョンは、実際には2つの異なるトーントピック領域-A1と背内側野（DM）であることが判明している。 また、聴覚皮質A2領域と前耳介領域（AAF）は、背中心方向に走るトーントピック・マップを有している。 マウス聴覚野の他の2つの領域、背前野（DA）と背後野（DP）は非トーントピックである。

ヒト以外の霊長類を用いた研究では、聴覚皮質の階層的な組織モデルが構築されており、3つの背中合わせのトノトピック野（一次聴覚野A1、吻側野R、吻側側頭野RT）からなる細長い核で構成されている。 これらの領域は、帯状領域（二次領域）と高次のパラベルト領域によって囲まれている。 A1は後方から前方に向かって高い周波数から低い周波数への勾配を示し、Rは逆に後方から前方に向かって低い周波数から高い周波数への勾配を持つのが特徴である。 RTは高周波から低周波への勾配があまりはっきりと組織化されていない。 6116>

ヒト聴覚野のトノトピック構成は、脳磁図・脳電図（MEG/EEG）、ポジトロンCT（PET）、機能的磁気共鳴画像（fMRI）などの様々な非侵襲的イメージング技術を使用して研究されてきた。 ヒトの聴覚野における主要なトノトピックマップはヘッシュル回(HG)に沿っている。 しかし、HGに沿った周波数勾配の方向については、様々な研究者が相反する結論に達しています。

In miceEdit

発達期の聴覚皮質におけるトーントピックのパターニングを研究する方法として確立しているものに、トーンリアリングがある。 マウスの一次聴覚皮質（A1）では、異なる神経細胞が異なる周波数範囲に反応し、ある特定の周波数が最大の反応を引き起こすが、これはある神経細胞にとって「最適周波数」と呼ばれる。 聴覚臨界期（生後12～15日目）にマウスの仔マウスをある特定の周波数に暴露すると、A1のニューロンの「最適周波数」が暴露した周波数の音色にシフトします。

環境刺激に対するこうした周波数のシフトは、聴覚臨界期に音叉飼育した成体マウスにおいて知覚行動課題のパフォーマンスを改善することが示されています。 成体学習と臨界期の感覚操作は皮質トポグラフィに同等のシフトを誘発し、成体学習は定義上、知覚能力の向上をもたらす。 そのため、マウスの仔マウスにおけるA1のトノトピック発達は、聴覚学習の神経学的基盤を理解する上で重要な要素である。

聴覚臨界期の可塑性編集

ラットの聴覚臨界期は生後11日目から13日目までで、ホワイトノイズ飼育などの剥奪実験により延長することが可能である。 実験者が決めた特定範囲の周波数からなるホワイトノイズをラットに浴びせることで、A1のトノトピックマップのサブセットを無限に可塑的な状態に保持できることが示されている。 例えば、聴覚臨界期のラットを7 kHzから10 kHzの周波数を含むホワイトノイズにさらすと、対応するニューロンは典型的な臨界期をはるかに超えて可塑状態に保たれる。ある研究では、ラットが90日齢になるまでこの可塑状態を維持した。最近の研究では、聴覚皮質の臨界期の可塑性には神経伝達物質のノルエピネフリンの放出が必要であるが、聴覚皮質回路の固有なトノトピックパターニングはノルエピネフリンの放出とは無関係に生じることも明らかになった。最近の毒性研究では、胎内および出生後にポリ塩化ビフェニル（PCB）に曝露するとトノトピーやA1の形状を含む一次聴覚野（A1）組織全体に変化が生じることが明らかにされた。 成熟したA1における研究では、神経調節の影響に着目し、神経調節物質放出の引き金となる迷走神経への直接・間接刺激が、成人の聴覚可塑性を促進することが明らかになった。 コリン作動性シグナルは大脳皮質全域の5-HT3AR細胞活性に関与し、成熟聴覚の可塑性を促進することが示された。 さらに、コリン作動性求心性神経と5-HT3AR細胞が関与することが一般的に知られている、報酬刺激や嫌悪刺激を用いた行動訓練が、成人のトノトピックマップを変化させ、シフトさせることも示されています

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