Perifeer zenuwstelselEdit
CochleaEdit
Tonotopische organisatie in het slakkenhuis vormt zich gedurende de pre- en postnatale ontwikkeling door middel van een reeks veranderingen die optreden als reactie op auditieve stimuli. Onderzoek suggereert dat de prenatale vestiging van tonotopische organisatie gedeeltelijk wordt geleid door synaptische reorganisatie; meer recente studies hebben echter aangetoond dat de vroege veranderingen en verfijningen optreden op zowel het circuit en subcellulaire niveaus. Bij zoogdieren, nadat het binnenoor verder volledig ontwikkeld is, wordt de tonotopische kaart vervolgens gereorganiseerd om plaats te bieden aan hogere en meer specifieke frequenties. Onderzoek heeft uitgewezen dat het receptorguanylcyclase Npr2 van vitaal belang is voor de precieze en specifieke organisatie van deze tonotopie. Verdere experimenten hebben aangetoond dat Sonic Hedgehog, afkomstig van de notochorda en de bodemplaat, een geconserveerde rol speelt bij de organisatie van de tonotopen tijdens de vroege ontwikkeling. Het is deze juiste tonotopische organisatie van de haarcellen in de cochlea die de correcte perceptie van frequentie als de juiste toonhoogte mogelijk maakt.
Structurele organisatieEdit
In de cochlea creëert geluid een reizende golf die beweegt van basis naar apex, toenemend in amplitude als het beweegt langs een tonotopische as in het basilair membraan (BM). Deze drukgolf verplaatst zich langs de BM van het slakkenhuis totdat het een gebied bereikt dat overeenkomt met de maximale trillingsfrequentie; dit wordt dan gecodeerd als toonhoogte. Geluiden met een hoge frequentie stimuleren neuronen aan de basis van de structuur en geluiden met een lagere frequentie stimuleren neuronen aan de apex. Dit vertegenwoordigt de cochleaire tonotopische organisatie. Dit komt doordat de mechanische eigenschappen van de BM zijn gegradeerd langs een tonotopische as; dit brengt verschillende frequenties over naar de haarcellen (mechanosensorische cellen die de cochleaire trillingen versterken en auditieve informatie naar de hersenen sturen), waardoor receptorpotentialen ontstaan en, dientengevolge, de frequentie wordt afgestemd. Zo neemt de BM in stijfheid toe naar zijn basis toe.
Mechanismen van cochleaire tonotopieEdit
Haarbundels, of de “mechanische antenne” van haarcellen, worden verondersteld bijzonder belangrijk te zijn in de cochleaire tonotopie. De morfologie van haarbundels draagt waarschijnlijk bij aan de BM gradiënt. De tonotopische positie bepaalt de structuur van de haarbundels in de cochlea. De hoogte van haarbundels neemt toe van de basis naar de apex en het aantal stereocilia neemt af (d.w.z. haarcellen gelegen aan de basis van de cochlea bevatten meer stereo cilia dan die gelegen aan de apex).
Daarnaast, in het tip-link complex van cochleaire haarcellen, is tonotopie geassocieerd met gradiënten van intrinsieke mechanische eigenschappen. In de haarbundel bepalen gating veren de open waarschijnlijkheid van mechano-elektrische ion transductie kanalen: bij hogere frequenties zijn deze elastische veren onderhevig aan een hogere stijfheid en een hogere mechanische spanning in tip-links van haarcellen. Dit wordt benadrukt door de werkverdeling tussen buitenste en binnenste haarcellen, waarbij mechanische gradiënten voor buitenste haarcellen (verantwoordelijk voor versterking van lager frequente geluiden) een hogere stijfheid en spanning hebben.
Tonotopie manifesteert zich ook in de elektrofysische eigenschappen van transductie. Geluidsenergie wordt omgezet in neurale signalen via mechano-elektrische transductie. De grootte van de piek transductiestroom varieert met de tonotopische positie. De stromen zijn bijvoorbeeld het grootst bij hoge frequentieposities zoals de basis van het slakkenhuis. Zoals hierboven opgemerkt, hebben basale cochleaire haarcellen meer stereocilia, waardoor er meer kanalen en grotere stromen ontstaan. Tonotopische positie bepaalt ook de geleiding van individuele transductiekanalen. Individuele kanalen bij basale haarcellen geleiden meer stroom dan die bij apicale haarcellen.
Finitief, geluidsversterking is groter in de basale dan in de apicale cochleaire regio’s omdat buitenste haarcellen het motoreiwit prestin tot expressie brengen, dat trillingen versterkt en de gevoeligheid van buitenste haarcellen voor lagere geluiden verhoogt.
Centraal zenuwstelselEdit
CortexEdit
De geluidsfrequentie, ook wel toonhoogte genoemd, is momenteel het enige kenmerk van geluid waarvan met zekerheid bekend is dat het topografisch in kaart kan worden gebracht in het centrale zenuwstelsel. Andere kenmerken kunnen echter soortgelijke kaarten in de cortex vormen, zoals geluidsintensiteit, afstembandbreedte, of modulatiesnelheid, maar deze zijn niet zo goed bestudeerd.
In de middenhersenen, bestaan er twee primaire auditieve paden naar de auditieve cortex-de lemniscale klassieke auditieve pad en de extralemniscale niet-klassieke auditieve pad. De lemniscale klassieke auditieve route is tonotopisch georganiseerd en bestaat uit de centrale kern van de colliculus inferior en het ventrale mediale geniculate lichaam die naar primaire gebieden in de auditieve cortex projecteren. De niet-primaire auditieve cortex ontvangt inputs van de extralemniscale niet-klassieke auditieve pathway, die een diffuse frequentie organisatie vertoont.
De tonotopische organisatie van de auditieve cortex is uitvoerig onderzocht en wordt daarom beter begrepen in vergelijking met andere gebieden van de auditieve pathway. Tonotopie van de auditieve cortex is waargenomen bij vele diersoorten, waaronder vogels, knaagdieren, primaten, en andere zoogdieren. Bij muizen zijn vier subregio’s van de auditieve cortex gevonden die tonotopische organisatie vertonen. De klassiek verdeelde A1 subregio bleek in feite twee verschillende tonotopische regio’s te zijn – A1 en het dorsomediale veld (DM). Auditieve cortex regio A2 en het anterior audiotry field (AAF) hebben beide tonotopische kaarten die dorsoventraal lopen. De andere twee gebieden van de auditieve cortex van de muis, het dorsoanterior veld (DA) en het dorsoposterior veld (DP) zijn niet-tonotoop. Terwijl neuronen in deze niet-tonotopische regio’s een karakteristieke frequentie hebben, zijn ze willekeurig gerangschikt.
Studies met niet-menselijke primaten hebben een hiërarchisch model van auditieve corticale organisatie gegenereerd bestaande uit een langgerekte kern bestaande uit drie back-to-back tonotopische velden-de primaire auditieve veld A1, de rostrale veld R, en de rostrale temporele veld RT. Deze gebieden worden omgeven door gordelvelden (secundaire) gebieden en hogere-orde parabeltvelden. A1 vertoont een frequentie gradiënt van hoog naar laag in de posterior naar anterior richting; R vertoont een omgekeerde gradiënt met karakteristieke frequenties van laag naar hoog in de posterior naar anterior richting. RT heeft een minder duidelijk georganiseerde gradiënt van hoge terug naar lage frequenties. Deze primaire tonotopische patronen breiden zich voortdurend uit in de omliggende gordelgebieden.
Tonotopische organisatie in de menselijke auditieve cortex is bestudeerd met behulp van een verscheidenheid van niet-invasieve beeldvormingstechnieken, waaronder magneto- en elektro-encefalografie (MEG/EEG), positron emissie tomografie (PET), en functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI). De primaire tonotopische kaart in de menselijke auditieve cortex loopt langs de gyrus van Heschl (HG). Verschillende onderzoekers hebben echter tegenstrijdige conclusies bereikt over de richting van de frequentie gradiënt langs HG. Sommige experimenten vonden dat tonotopische progressie parallel liep langs HG, terwijl anderen vonden dat de frequentie gradiënt loodrecht liep over HG in een diagonale richting, het vormen van een schuine V-vormige paar gradiënten.
In muizenEdit
Een van de gevestigde methoden voor het bestuderen van tonotopische patronen in de auditieve cortex tijdens de ontwikkeling is toon-rearing. In de muis primaire auditieve cortex (A1), verschillende neuronen reageren op verschillende reeksen van frequenties met een bepaalde frequentie uitlokken van de grootste respons – dit staat bekend als de “beste frequentie” voor een bepaald neuron. Blootstelling van muizenpups aan een bepaalde frequentie tijdens de auditieve kritische periode (postnatale dag 12 tot 15) zal de “beste frequenties” van neuronen in A1 verschuiven in de richting van de blootgestelde frequentie toon.
Deze frequentie verschuivingen in reactie op omgevingsstimuli is aangetoond dat de prestaties in perceptuele gedragstaken te verbeteren in volwassen muizen die werden toon-opgevoed tijdens de auditieve kritische periode. Volwassen leren en kritische periode sensorische manipulaties induceren vergelijkbare verschuivingen in corticale topografieën, en per definitie volwassen leren resulteert in verhoogde perceptuele vaardigheden. De tonotopische ontwikkeling van A1 in muizenpups is daarom een belangrijke factor in het begrijpen van de neurologische basis van auditief leren.
Andere diersoorten vertonen ook een vergelijkbare tonotopische ontwikkeling tijdens kritieke perioden. De tonotopische ontwikkeling bij ratten is vrijwel identiek aan die bij muizen, maar de kritische periode is iets vroeger verschoven, en kerkuilen vertonen een analoge auditieve ontwikkeling in Interaural Time Differences (ITD).
Plasticiteit van de auditieve kritische periodeEdit
De auditieve kritische periode van ratten, die duurt van postnatale dag 11 (P11) tot P13 kan worden verlengd door deprivatie-experimenten zoals witte ruis-opfok. Het is aangetoond dat subsets van de tonotopische kaart in A1 voor onbepaalde tijd in een plastische toestand kunnen worden gehouden door de ratten bloot te stellen aan witte ruis bestaande uit frequenties binnen een bepaald door de experimentator bepaald bereik. Bijvoorbeeld, het blootstellen van een rat tijdens de kritische auditieve periode aan witte ruis met toonfrequenties tussen 7 kHz en 10 kHz zal de corresponderende neuronen in een plastische toestand houden tot ver na de typische kritische periode – één studie heeft deze plastische toestand behouden tot de ratten 90 dagen oud waren.Recente studies hebben ook aangetoond dat het vrijkomen van de neurotransmitter noradrenaline vereist is voor de kritische periode plasticiteit in de auditieve cortex, maar de intrinsieke tonotopische patronen van het auditieve corticale circuit gebeurt onafhankelijk van noradrenaline afgifte.Een recente toxiciteitsstudie toonde aan dat in-uterero en postnatale blootstelling aan polychloorbifenyl (PCB) de algemene primaire auditieve cortex (A1) organisatie veranderde, met inbegrip van tonotopie en A1 topografie. Vroege PCB-blootstelling veranderde ook het evenwicht tussen excitatoire en inhibitoire inputs, waardoor het vermogen van de auditieve cortex om plastisch te reorganiseren na veranderingen in de akoestische omgeving veranderde, waardoor de kritieke periode van auditieve plasticiteit veranderde.
Volwassen plasticiteitEdit
Studies in volwassen A1 hebben zich gericht op neuromodulatoire invloeden en hebben ontdekt dat directe en indirecte nervus vagus stimulatie, die neuromodulator afgifte triggert, volwassen auditieve plasticiteit bevordert. Cholinerge signalering is aangetoond dat 5-HT3AR celactiviteit in te schakelen in de corticale gebieden en volwassen auditieve plasticiteit te vergemakkelijken. Bovendien is gedragstraining met belonende of aversieve stimuli, waarvan bekend is dat ze cholinerge afferenten en 5-HT3AR cellen activeren, ook aangetoond dat ze de tonotopische kaarten van volwassenen veranderen en verschuiven.