Sistema nervoso periféricoEdit
CochleaEdit
Organização fonotópica nas formas de cóclea ao longo do desenvolvimento pré e pós-natal através de uma série de mudanças que ocorrem em resposta aos estímulos auditivos. Pesquisas sugerem que o estabelecimento pré-natal da organização tonotópica é parcialmente guiado pela reorganização sináptica; entretanto, estudos mais recentes têm mostrado que as mudanças e refinamentos precoces ocorrem tanto no nível do circuito quanto no nível subcelular. Em mamíferos, após o desenvolvimento completo do ouvido interno, o mapa tonotópico é então reorganizado para acomodar frequências mais altas e mais específicas. Pesquisas sugerem que o receptor guanylyl cyclase Npr2 é vital para a organização precisa e específica desta tonotopia. Outras experiências demonstraram um papel conservador do porco espinho Sonic Hedgehog que emana do notocorda e da placa do chão no estabelecimento da organização tonotópica durante o desenvolvimento inicial. É esta organização tonotópica adequada das células capilares na cóclea que permite a percepção correta da freqüência como o passo adequado.
Organização estruturalEditar
Na cóclea, o som cria uma onda viajante que se move da base para o ápice, aumentando em amplitude à medida que se move ao longo de um eixo tonotópico na membrana basilar (BM). Esta onda de pressão viaja ao longo da BM da cóclea até atingir uma área que corresponde à sua frequência de vibração máxima; esta é então codificada como passo. Sons de alta freqüência estimulam os neurônios na base da estrutura e sons de baixa freqüência estimulam os neurônios no ápice. Isto representa uma organização tonotópica coclear. Isto ocorre porque as propriedades mecânicas do BM são graduadas ao longo de um eixo tonotópico; isto transmite frequências distintas às células capilares (células mecanosensoriais que amplificam as vibrações cocleares e enviam informação auditiva ao cérebro), estabelecendo os potenciais receptores e, consequentemente, a sintonia de frequências. Por exemplo, a BM aumenta a rigidez em direção à sua base.
Mecanismos de tonotopia coclearEdit
Feixes de cabelo, ou a “antena mecânica” das células capilares, são considerados particularmente importantes na tonotopia coclear. A morfologia dos feixes capilares provavelmente contribui para o gradiente BM. A posição tonotópica determina a estrutura dos feixes de pêlos na cóclea. A altura dos feixes capilares aumenta da base para o ápice e o número de estereocílios diminui (ou seja, as células capilares localizadas na base da cóclea contêm mais estereocílios do que as localizadas no ápice).
Outras vezes, no complexo de ligação das pontas das células capilares cocleares, a tonotopia está associada a gradientes de propriedades mecânicas intrínsecas. No feixe capilar, as molas de terminação determinam a probabilidade aberta de canais de transdução iônica mecanoelétrica: em freqüências mais altas, essas molas elásticas estão sujeitas a maior rigidez e maior tensão mecânica nos “tip-links” das células capilares. Isto é enfatizado pela divisão do trabalho entre células capilares externas e internas, nas quais os gradientes mecânicos das células capilares externas (responsáveis pela amplificação dos sons de menor freqüência) têm maior rigidez e tensão.
Tonotopia também se manifesta nas propriedades eletrofísicas da transdução. A energia sonora é traduzida em sinais neurais através da transdução mecano-eléctrica. A magnitude da corrente de pico da transdução varia com a posição tonotópica. Por exemplo, as correntes são maiores em posições de alta freqüência, como a base da cóclea. Como observado acima, as células ciliadas cocleares basais têm mais estereocílios, fornecendo assim mais canais e correntes maiores. A posição tonotópica também determina a condutividade dos canais de transdução individuais. Os canais individuais nas células capilares basais conduzem mais corrente do que os das células capilares apicais.
Finalmente, a amplificação sonora é maior nas regiões basais do que nas regiões cocleares apicais porque as células capilares externas expressam a proteína motora prestina, que amplifica as vibrações e aumenta a sensibilidade das células capilares externas aos sons mais baixos.
Sistema nervoso centralEdit
CortexEdit
Frequência de áudio, também conhecida como pitch, é atualmente a única característica do som que é conhecida com certeza de ser mapeada topograficamente no sistema nervoso central. Entretanto, outras características podem formar mapas semelhantes no córtex como intensidade sonora, largura de banda de sintonia ou taxa de modulação, mas estas não têm sido tão bem estudadas.
No meio do cérebro, existem duas vias auditivas primárias para o córtex auditivo – a via auditiva clássica lemniscal e a via auditiva extralemniscal não-clássica. A via auditiva clássica lemniscal é organizada tonotopicamente e consiste no núcleo central do colículo inferior e no corpo ventral medial geniculado que se projeta para áreas primárias do córtex auditivo. O córtex auditivo não-primário recebe entradas da via auditiva extralemniscal não-clássica, que mostra uma organização de freqüência difusa.
A organização tonotópica do córtex auditivo tem sido extensivamente examinada e, portanto, é melhor compreendida quando comparada a outras áreas da via auditiva. A tonotopia do córtex auditivo tem sido observada em muitas espécies animais incluindo aves, roedores, primatas e outros mamíferos. Em camundongos, quatro subregiões do córtex auditivo foram encontradas para exibir organização tonotópica. A subregião A1 classicamente dividida foi encontrada de fato em duas regiões tonópicas distintas – A1 e o campo dorsomedial (DM). A região do córtex auditivo A2 e o campo auditivo anterior (AAF) têm ambos mapas tonotópicos que corre dorsoventralmente. As outras duas regiões do córtex auditivo do rato, o campo dorsoanterior (DA) e o campo dorsoposterior (DP) são não-tonotópicas. Enquanto os neurônios nessas regiões não-tonotópicas têm uma freqüência característica, eles são dispostos aleatoriamente.
Estudos usando primatas não humanos geraram um modelo hierárquico de organização cortical auditiva consistindo de um núcleo alongado composto de três campos tonotópicos back-to-back – o campo auditivo primário A1, o campo rostral R, e o campo temporal rostral RT. Estas regiões estão rodeadas por campos de esteira (secundários) e campos de parabelt de ordem superior. A1 exibe um gradiente de frequência de alto para baixo na direção posterior para a esquerda; R exibe um gradiente inverso com frequências características de baixo para alto na direção posterior para a direita. RT tem um gradiente menos claramente organizado de altas para baixas freqüências. Estes padrões tonotópicos primários estendem-se continuamente para as áreas circundantes da cintura.
Organização fonotópica no córtex auditivo humano tem sido estudada usando uma variedade de técnicas de imagem não invasivas incluindo magneto- e eletroencefalografia (MEG/EEG), tomografia por emissão de pósitrons (PET), e ressonância magnética funcional (fMRI). O mapa tonotópico primário no córtex auditivo humano está ao longo do giro de Heschl (HG). Entretanto, vários pesquisadores chegaram a conclusões conflitantes sobre a direção do gradiente de freqüência ao longo do HG. Alguns experimentos descobriram que a progressão tonotópica correu paralelamente ao longo de HG enquanto outros descobriram que o gradiente de frequência correu perpendicularmente através de HG em uma direção diagonal, formando um par de gradientes em forma de V em ângulo.
Em ratosEditar
Um dos métodos bem estabelecidos de estudo do padrão tonotópico no córtex auditivo durante o desenvolvimento é o de aumento da tonalidade. No córtex auditivo primário do rato (A1), diferentes neurónios respondem a diferentes gamas de frequências com uma frequência em particular que provoca a maior resposta – esta é conhecida como a “melhor frequência” para um determinado neurónio. A exposição de filhotes de rato a uma determinada frequência durante o período crítico auditivo (12 a 15 dias pós-natal) irá mudar as “melhores frequências” dos neurônios em A1 para o tom de frequência exposto.
Estas mudanças de frequência em resposta a estímulos ambientais têm mostrado melhorar o desempenho nas tarefas de comportamento perceptivo em ratos adultos que foram tonificados durante o período crítico auditivo. A aprendizagem de adultos e as manipulações sensoriais do período crítico induzem mudanças comparáveis nas topografias corticais e, por definição, a aprendizagem de adultos resulta no aumento das habilidades perceptivas. O desenvolvimento tonotópico da A1 em filhotes de camundongos é, portanto, um fator importante na compreensão da base neurológica da aprendizagem auditiva.
Outras espécies também apresentam desenvolvimento tonotópico similar durante os períodos críticos. O desenvolvimento tonotópico de ratos é quase idêntico ao do rato, mas o período crítico é deslocado ligeiramente mais cedo, e as corujas de celeiro apresentam um desenvolvimento auditivo análogo nas Diferenças de Tempo Interaural (ITD).
Plasticidade do período crítico auditivoEditar
O período crítico auditivo de ratos, que dura desde o 11º dia pós-natal (P11) até o P13, pode ser estendido através de experimentos de privação, tais como a audição do ruído branco. Foi demonstrado que subconjuntos do mapa tonotópico em A1 podem ser mantidos em um estado plástico indefinidamente, expondo os ratos ao ruído branco, consistindo em freqüências dentro de uma determinada faixa determinada pelo experimentador. Por exemplo, expor um rato durante o período crítico auditivo ao ruído branco que inclui frequências tonais entre 7 kHz e 10 kHz irá manter os neurônios correspondentes em um estado plástico muito além do período crítico típico – um estudo manteve este estado plástico até que os ratos tivessem 90 dias de idade.Estudos recentes também descobriram que a liberação do neurotransmissor norepinefrina é necessária para o período crítico de plasticidade no córtex auditivo, no entanto, a padronização tonotópica intrínseca do circuito cortical auditivo ocorre independentemente da liberação de norepinefrina. Um estudo recente de toxicidade mostrou que a exposição inutero e pós-natal à bifenila policlorada (PCB) alterou a organização geral do córtex auditivo primário (A1), incluindo a tonotopia e a topografia A1. A exposição precoce à PCB também alterou o equilíbrio das entradas excitatórias e inibitórias, o que alterou a capacidade do córtex auditivo de se reorganizar plasticamente após mudanças no ambiente acústico, alterando assim o período crítico da plasticidade auditiva.
Plasticidade de adultosEditar
Estudos em A1 maduro têm focado as influências neuromodulatórias e constataram que a estimulação direta e indireta do nervo vago, que desencadeia a liberação do neuromodulador, promove a plasticidade auditiva de adultos. Foi demonstrado que a sinalização colinérgica envolve a atividade celular de 5-HT3AR em áreas corticais e facilita a plasticidade auditiva de adultos. Além disso, o treinamento comportamental usando estímulos recompensadores ou aversivos, comumente conhecidos por envolver aferentes colinérgicos e células 5-HT3AR, também tem mostrado alterar e deslocar mapas tonotópicos de adultos.