Perifert nervsystemRedigera
CochleaRedigera
Tonotopisk organisation i cochlea bildas under hela den pre- och postnatala utvecklingen genom en rad förändringar som sker som svar på auditiva stimuli. Forskning tyder på att den pre-natala etableringen av tonotopisk organisation delvis styrs av synaptisk omorganisation; nyare studier har dock visat att de tidiga förändringarna och förfiningarna sker både på krets- och subcellulär nivå. Hos däggdjur, efter att innerörat i övrigt är fullt utvecklat, omorganiseras den tonotopiska kartan för att kunna ta emot högre och mer specifika frekvenser. Forskning har visat att receptorn guanylylcyklas Npr2 är avgörande för den exakta och specifika organiseringen av denna tonotopi. Ytterligare experiment har visat att Sonic Hedgehog, som utgår från notochordet och golvplattan, har en bevarad roll när det gäller att etablera den tonotopiska organisationen under den tidiga utvecklingen. Det är denna korrekta tonotopiska organisation av hårcellerna i cochlean som gör det möjligt att uppfatta frekvensen korrekt som den rätta tonhöjden.
Strukturell organisationRedigera
I cochlean skapar ljudet en rörlig våg som rör sig från basen till toppen och som ökar i amplitud när den rör sig längs en tonotopisk axel i basilarmembranet (BM). Denna tryckvåg rör sig längs BM i cochlea tills den når ett område som motsvarar dess maximala vibrationsfrekvens; detta kodas sedan som tonhöjd. Ljud med hög frekvens stimulerar neuronerna vid basen av strukturen och ljud med lägre frekvens stimulerar neuronerna vid toppen. Detta representerar den tonotopiska organisationen i cochlea. Detta sker eftersom de mekaniska egenskaperna hos BM är graderade längs en tonotopisk axel; detta överför olika frekvenser till hårceller (mekanosensoriska celler som förstärker cochleära vibrationer och sänder auditiv information till hjärnan), vilket skapar receptorpotentialer och följaktligen frekvensinställning. BM ökar till exempel i styvhet mot sin bas.
Mekanismer för cochleär tonotopiRedigera
Hårbuntar, eller hårcellernas ”mekaniska antenner”, anses vara särskilt viktiga för cochleär tonotopi. Hårbuntarnas morfologi bidrar sannolikt till BM-gradienten. Tonotopisk position bestämmer strukturen hos hårbuntarna i cochlea. Höjden på hårbuntarna ökar från bas till topp och antalet stereocili minskar (dvs. hårceller som är belägna vid basen av cochlean innehåller fler stereocili än de som är belägna vid toppen).
För övrigt är tonotopi i spetslänkkomplexet av cochleära hårceller förknippad med gradienter av inneboende mekaniska egenskaper. I hårbunten bestämmer gatingfjädrar den öppna sannolikheten för mekanisk-elektriska jontransduktionskanaler: vid högre frekvenser utsätts dessa elastiska fjädrar för högre styvhet och högre mekanisk spänning i tip-links av hårceller. Detta betonas av arbetsfördelningen mellan yttre och inre hårceller, där mekaniska gradienter för yttre hårceller (som ansvarar för förstärkning av ljud med lägre frekvens) har högre styvhet och spänning.
Tonotopi manifesterar sig också i transduktionens elektrofysiska egenskaper. Ljudenergi översätts till neurala signaler genom mekanisk-elektrisk transduktion. Storleken på den högsta transduktionsströmmen varierar med tonotopisk position. Strömmarna är till exempel störst vid högfrekventa positioner som t.ex. basen av cochlea. Som nämnts ovan har basala cochleära hårceller fler stereocili, vilket ger fler kanaler och större strömmar. Tonotopisk position bestämmer också konduktansen hos enskilda transduktionskanaler. Enskilda kanaler vid basala hårceller leder mer ström än de vid apikala hårceller.
Finalt är ljudförstärkningen större i de basala än i de apikala cochleära regionerna eftersom de yttre hårcellerna uttrycker motorproteinet prestin, som förstärker vibrationer och ökar de yttre hårcellernas känslighet för lägre ljud.
Centrala nervsystemetRedigera
CortexRedigera
Ljudfrekvensen, även kallad tonhöjd, är för närvarande den enda egenskap hos ljudet som man med säkerhet vet att den är topografiskt kartlagd i det centrala nervsystemet. Andra egenskaper kan dock bilda liknande kartor i cortex, t.ex. ljudintensitet, stämningsbandbredd eller modulationshastighet, men dessa har inte studerats lika ingående.
I mellanhjärnan finns det två primära hörselbanor till hörselcortex – den lemniska klassiska hörselbanan och den extralemniska icke-klassiska hörselbanan. Den lemniska klassiska hörselvägen är tonotopiskt organiserad och består av den centrala kärnan i inferior colliculus och den ventrala mediala genikulära kroppen som projicerar till primära områden i den auditiva cortexen. Den icke primära auditiva cortexen får inflöden från den extralemniskt icke-klassiska auditiva banan, som uppvisar en diffus frekvensorganisation.
Den tonotopiska organisationen av den auditiva cortexen har undersökts i stor omfattning och är därför bättre förstådd jämfört med andra områden i den auditiva banan. Tonotopi i den auditiva cortexen har observerats hos många djurarter inklusive fåglar, gnagare, primater och andra däggdjur. Hos möss har man funnit att fyra delområden i hörselhjärnan uppvisar tonotopisk organisation. Den klassiskt uppdelade A1-subregionen har visat sig i själva verket vara två distinkta tonopiska regioner – A1 och det dorsomediala fältet (DM). Hörselkortex region A2 och det främre audiotryfältet (AAF) har båda tonotopiska kartor som löper dorsoventralt. De andra två regionerna i musens auditiva cortex, det dorsoanteriora fältet (DA) och det dorsoposteriora fältet (DP) är icke-tonotopiska. Även om neuronerna i dessa icke-tonotopiska regioner har en karakteristisk frekvens är de slumpmässigt arrangerade.
Studier med icke-mänskliga primater har genererat en hierarkisk modell av den auditiva kortikala organisationen som består av en långsträckt kärna som består av tre tonotopiska fält som ligger bakåt i tiden – det primära auditiva fältet A1, det rostrala fältet R och det rostrala temporala fältet RT. Dessa områden är omgivna av bältesfält (sekundära) områden och parabältesfält av högre ordning. A1 uppvisar en frekvensgradient från hög till låg i posteriortantoriell riktning; R uppvisar en omvänd gradient med karakteristiska frekvenser från låg till hög i posteriortantoriell riktning. RT har en mindre tydligt organiserad gradient från höga tillbaka till låga frekvenser. Dessa primära tonotopiska mönster sträcker sig kontinuerligt in i de omgivande bältesområdena.
Tonotopisk organisation i människans auditiva cortex har studerats med hjälp av en rad olika icke-invasiva avbildningstekniker, bland annat magneto- och elektroencefalografi (MEG/EEG), positronemissionstomografi (PET) och funktionell magnetresonanstomografi (fMRI). Den primära tonotopiska kartan i människans auditiva cortex ligger längs Heschls gyrus (HG). Olika forskare har dock kommit fram till motstridiga slutsatser om frekvensgradientens riktning längs HG. I vissa experiment fann man att den tonotopiska progressionen löpte parallellt längs HG medan andra fann att frekvensgradienten löpte vinkelrätt över HG i diagonal riktning och bildade ett vinklat V-format par av gradienter.
Hos mössEdit
En av de väletablerade metoderna för att studera den tonotopiska mönstringen i den auditiva cortexen under utvecklingen är tonuppfödning. I musens primära auditiva cortex (A1) reagerar olika neuroner på olika frekvensområden där en viss frekvens ger det största svaret – detta är känt som den ”bästa frekvensen” för en viss neuron. Om musungar utsätts för en viss frekvens under den kritiska auditiva perioden (postnatal dag 12-15) kommer de ”bästa frekvenserna” hos neuronerna i A1 att förskjutas mot den utsatta frekvensen.
Dessa frekvensförskjutningar som svar på omgivningsstimuli har visat sig förbättra prestationen i uppgifter om perceptuellt beteende hos vuxna möss som uppfostrades med ton under den kritiska auditiva perioden. Vuxeninlärning och sensoriska manipulationer under kritisk period inducerar jämförbara skiftningar i kortikala topografier, och per definition resulterar vuxeninlärning i ökad perceptuell förmåga. Den tonotopiska utvecklingen av A1 hos musungar är därför en viktig faktor för att förstå den neurologiska grunden för auditiv inlärning.
Andra arter visar också liknande tonotopisk utveckling under kritiska perioder. Råttans tonotopiska utveckling är nästan identisk med musens, men den kritiska perioden är förskjuten något tidigare, och kattugglor visar en analog auditiv utveckling i Interaural Time Differences (ITD).
Plasticitet i auditiv kritisk periodRedigera
Den auditiva kritiska perioden hos råttor, som varar från postnatala dag 11 (P11) till P13 kan förlängas genom deprivationsexperiment, t.ex. uppfostran av vitt brus. Det har visats att delmängder av den tonotopiska kartan i A1 kan hållas i ett plastiskt tillstånd på obestämd tid genom att utsätta råttorna för vitt brus bestående av frekvenser inom ett visst intervall som bestäms av experimenten. Om man till exempel utsätter en råtta under den auditiva kritiska perioden för vitt brus som innehåller tonfrekvenser mellan 7 kHz och 10 kHz kommer motsvarande neuroner att hållas i ett plastiskt tillstånd långt efter den typiska kritiska perioden – i en studie har man behållit detta plastiska tillstånd tills råttorna var 90 dagar gamla.Nya studier har också visat att frisättning av neurotransmittorn noradrenalin krävs för plasticitet under den kritiska perioden i hörselhjärnan, men den inneboende tonotopiska mönstringen av det auditiva kortikala kretsloppet sker oberoende av frisättning av noradrenalin. en nyligen genomförd toxikologistudie visade att exponering för polyklorerade bifenyler (PCB) i fosterstadiet och efter födseln förändrade den övergripande organisationen av den primära hörselhjärnan (A1), inklusive tonotopi och A1-topografi. Tidig PCB-exponering förändrade också balansen mellan excitatoriska och hämmande ingångar, vilket förändrade den auditiva cortexens förmåga att plastiskt reorganisera sig efter förändringar i den akustiska miljön, vilket förändrade den kritiska perioden för auditiv plasticitet.
Vuxen plasticitetRedigera
Studier på mogna A1 har fokuserat på neuromodulatoriska influenser och har funnit att direkt och indirekt stimulering av vagusnerven, som utlöser frisättning av neuromodulatorer, främjar auditiv plasticitet hos vuxna. Kolinerga signaler har visat sig engagera 5-HT3AR-cellernas aktivitet i olika kortikala områden och underlätta vuxen auditiv plasticitet. Dessutom har beteendeträning med belönande eller avskräckande stimuli, som är allmänt kända för att engagera kolinerga afferenter och 5-HT3AR-celler, också visat sig förändra och förflytta tonotopiska kartor hos vuxna.