В физиологии тонотопия (от греч . tono = частота и topos = место) — это пространственное расположение того, где в мозге обрабатываются звуки разной частоты. Тоны, близкие друг к другу по частоте, представлены в топологически соседних областях мозга. Тонотопические карты являются частным случаем топографической организации, подобной ретинотопии в зрительной системе.
Тонотопия в слуховой системе начинается в улитке , небольшой улиткообразной структуре во внутреннем ухе, которая посылает информацию о звуке в мозг. Различные области базилярной мембраны в органе Корти , звукочувствительной части улитки, вибрируют на разных синусоидальных частотах из-за различий в толщине и ширине по длине мембраны. Нервы, которые передают информацию из различных областей базилярной мембраны, поэтому кодируют частоту тонотопически.
Эта тонотопия затем проецируется через вестибулокохлеарный нерв и связанные с ним структуры среднего мозга в первичную слуховую кору через слуховой лучевой путь. На протяжении этого излучения организация линейна по отношению к размещению на органе Корти, в соответствии с наилучшей частотной характеристикой (то есть частотой, на которой этот нейрон наиболее чувствителен) каждого нейрона. Однако бинауральное слияние в верхнем оливковом комплексе и далее добавляет значительные объемы информации, закодированной в силе сигнала каждого ганглия. Таким образом, количество тонотопических карт варьируется между видами и степенью бинаурального синтеза и разделения интенсивности звука; у людей в первичной слуховой коре было идентифицировано шесть тонотопических карт. [1]
Самые ранние доказательства тонотопической организации в слуховой коре были указаны Владимиром Евгеньевичем Ларионовым в статье 1899 года под названием «О музыкальных центрах мозга», в которой предполагалось, что поражения в S-образной траектории приводят к неспособности реагировать на тоны разных частот. [2] К 1920-м годам была описана кохлеарная анатомия и введено понятие тонотопичности. [3] В это время венгерский биофизик Георг фон Бекеши начал дальнейшее исследование тонотопии в слуховой коре. Бекеши измерил кохлеарную бегущую волну, широко раскрывая улитку и используя стробоскопический свет и микроскоп, чтобы визуально наблюдать движение у самых разных животных, включая морскую свинку, курицу, мышь, крысу, корову, слона и височную кость человека. [4] Важно, что Бекеши обнаружил, что разные звуковые частоты вызывают максимальные амплитуды волн в разных местах вдоль базилярной мембраны вдоль спирали улитки, что является фундаментальным принципом тонотопии. За свою работу Бекеши был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине.
В 1946 году в больнице Джона Хопкинса состоялась первая живая демонстрация тонотопической организации в слуховой коре. [5] Совсем недавно достижения в области технологий позволили исследователям картировать тонотопическую организацию у здоровых людей с использованием электроэнцефалографических (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографических (МЭГ) данных. В то время как большинство исследований на людях сходятся во мнении о существовании карты тонотопического градиента, в которой низкие частоты представлены латерально, а высокие частоты представлены медиально вокруг извилины Хешля , более подробная карта в слуховой коре человека пока не установлена из-за методологических ограничений [6]
Тонотопическая организация в улитке формируется на протяжении пренатального и постнатального развития посредством ряда изменений, которые происходят в ответ на слуховые стимулы. [7] Исследования показывают, что пренатальное установление тонотопической организации частично направляется синаптической реорганизацией; однако более поздние исследования показали, что ранние изменения и уточнения происходят как на уровне контура, так и на субклеточном уровне. [8] У млекопитающих после того, как внутреннее ухо в остальном полностью развито, тонотопическая карта затем реорганизуется для того, чтобы приспособиться к более высоким и более конкретным частотам. [9] Исследования показывают, что рецептор гуанилатциклазы Npr2 жизненно важен для точной и специфической организации этой тонотопии. [10] Дальнейшие эксперименты продемонстрировали консервативную роль Sonic Hedgehog, исходящего из хорды и пластинки основания, в установлении тонотопической организации во время раннего развития. [11] Именно эта правильная тонотопическая организация волосковых клеток в улитке позволяет правильно воспринимать частоту как правильную высоту тона. [12]
В улитке звук создает бегущую волну , которая движется от основания к вершине, увеличивая амплитуду по мере движения вдоль тонотопической оси в базилярной мембране (БМ). [13] Эта волна давления движется вдоль БМ улитки, пока не достигнет области, соответствующей ее максимальной частоте колебаний; затем это кодируется как высота тона. [13] Высокочастотные звуки стимулируют нейроны у основания структуры, а низкочастотные звуки стимулируют нейроны на вершине. [13] Это представляет собой кохлеарную тонотопическую организацию. Это происходит потому, что механические свойства БМ градуируются вдоль тонотопической оси; это передает различные частоты волосковым клеткам (механосенсорным клеткам, которые усиливают кохлеарные колебания и посылают слуховую информацию в мозг), устанавливая рецепторные потенциалы и, следовательно, настройку частоты. [13] Например, БМ увеличивается в жесткости по направлению к своему основанию.
Волосяные пучки, или «механическая антенна» волосковых клеток , считаются особенно важными в кохлеарной тонотопии. [13] Морфология волосяных пучков, вероятно, вносит вклад в градиент BM. Тонотопическое положение определяет структуру волосяных пучков в улитке. [14] Высота волосяных пучков увеличивается от основания к вершине, а количество стереоцилий уменьшается (т. е. волосковые клетки, расположенные у основания улитки, содержат больше стереоцилий, чем те, которые расположены на вершине). [14]
Кроме того, в комплексе кончиков волосковых клеток улитки тонотопия связана с градиентами внутренних механических свойств. [15] В пучке волосков пружины-затворы определяют вероятность открытия механоэлектрических каналов ионной передачи: на более высоких частотах эти упругие пружины подвергаются более высокой жесткости и более высокому механическому напряжению в кончиках волосковых клеток. [14] Это подчеркивается разделением труда между внешними и внутренними волосковыми клетками, при котором механические градиенты для внешних волосковых клеток (ответственных за усиление звуков более низкой частоты) имеют более высокую жесткость и напряжение. [15]
Тонотопия также проявляется в электрофизических свойствах трансдукции. [15] Звуковая энергия преобразуется в нервные сигналы посредством механоэлектрической трансдукции. Величина пикового тока трансдукции меняется в зависимости от тонотопической позиции. Например, токи самые большие в высокочастотных позициях, таких как основание улитки. [16] Как отмечалось выше, базальные кохлеарные волосковые клетки имеют больше стереоцилий, что обеспечивает больше каналов и более сильные токи. [16] Тонотопическая позиция также определяет проводимость отдельных каналов трансдукции. Отдельные каналы в базальных волосковых клетках проводят больше тока, чем в апикальных волосковых клетках. [17]
Наконец, усиление звука больше в базальных, чем в апикальных кохлеарных областях, поскольку наружные волосковые клетки экспрессируют двигательный белок престин, который усиливает вибрации и повышает чувствительность наружных волосковых клеток к более низким звукам. [13]
Звуковая частота, также известная как высота тона, в настоящее время является единственной характеристикой звука, которая, как известно наверняка, топографически отображается в центральной нервной системе. Однако другие характеристики могут формировать похожие карты в коре головного мозга, такие как интенсивность звука, [18] [19] полоса пропускания настройки, [20] или скорость модуляции, [21] [22] [23], но они не были так хорошо изучены.
В среднем мозге существуют два основных слуховых пути к слуховой коре — лемнисковый классический слуховой путь и экстралемнисковый неклассический слуховой путь. [24] Лемнисковый классический слуховой путь организован тонотопически и состоит из центрального ядра нижнего холмика и вентрального медиального коленчатого тела, проецирующегося на первичные области слуховой коры. Непервичная слуховая кора получает входные сигналы от экстралемнискового неклассического слухового пути, который показывает диффузную организацию частот. [24]
Тонотопическая организация слуховой коры была тщательно изучена и, следовательно, лучше изучена по сравнению с другими областями слухового пути. [24] Тонотопия слуховой коры наблюдалась у многих видов животных, включая птиц, грызунов, приматов и других млекопитающих. [24] У мышей было обнаружено, что четыре подрегиона слуховой коры демонстрируют тонотопическую организацию. Было обнаружено, что классически разделенный подрегион A1 на самом деле представляет собой две отдельные тонопические области — A1 и дорсомедиальное поле (DM). [25] Область слуховой коры A2 и переднее слуховое поле (AAF) имеют тонотопические карты, которые проходят дорсовентрально. [25] Другие две области слуховой коры мыши, дорсоантериальное поле (DA) и дорсопостериорное поле (DP), являются нетонотопическими. Хотя нейроны в этих нетонотопических областях имеют характерную частоту, они расположены случайным образом. [26]
Исследования с использованием нечеловеческих приматов создали иерархическую модель слуховой корковой организации, состоящей из удлиненного ядра, состоящего из трех спина к спине тонотопических полей — первичного слухового поля A1, рострального поля R и рострального височного поля RT. Эти области окружены поясными полями (вторичными) и парапоясными полями более высокого порядка. [27] A1 демонстрирует частотный градиент от высокой к низкой в направлении сзади вперед; R демонстрирует обратный градиент с характерными частотами от низкой к высокой в направлении сзади вперед. RT имеет менее четко организованный градиент от высоких задних к низким частотам. [24] Эти первичные тонотопические паттерны непрерывно распространяются в окружающие поясные области. [28]
Тонотопическая организация в слуховой коре человека изучалась с использованием различных неинвазивных методов визуализации, включая магнито- и электроэнцефалографию ( МЭГ / ЭЭГ ), позитронно-эмиссионную томографию ( ПЭТ ) и функциональную магнитно-резонансную томографию ( фМРТ ). [29] Первичная тонотопическая карта в слуховой коре человека находится вдоль извилины Гешла (HG). Однако различные исследователи пришли к противоречивым выводам о направлении градиента частоты вдоль HG. Некоторые эксперименты показали, что тонотопическая прогрессия проходила параллельно вдоль HG, в то время как другие обнаружили, что градиент частоты проходил перпендикулярно поперек HG в диагональном направлении, образуя угловую V-образную пару градиентов. [24]
Одним из хорошо известных методов изучения тонотопического паттерна в слуховой коре во время развития является тон-реринг. [30] [31] В первичной слуховой коре мыши (A1) разные нейроны реагируют на разные диапазоны частот, при этом одна конкретная частота вызывает наибольший ответ – это известно как «лучшая частота» для данного нейрона. [30] Воздействие на детенышей мышей одной конкретной частоты в течение слухового критического периода (с 12 по 15 день после рождения) [30] сместит «лучшие частоты» нейронов в A1 в сторону подвергнутого частотного тона. [30]
Было показано, что эти частотные сдвиги в ответ на внешние стимулы улучшают выполнение задач перцептивного поведения у взрослых мышей, которых воспитывали с помощью тона в течение слухового критического периода. [32] [33] Обучение взрослых и сенсорные манипуляции в критический период вызывают сопоставимые сдвиги в кортикальной топографии, и по определению обучение взрослых приводит к повышению перцептивных способностей. [34] Таким образом, тонотопическое развитие A1 у детенышей мышей является важным фактором в понимании неврологической основы слухового обучения.
Другие виды также демонстрируют похожее тонотопическое развитие во время критических периодов. Тонотопическое развитие крысы почти идентично мышиному, но критический период смещен немного раньше, [31] а сипухи демонстрируют аналогичное слуховое развитие в межушных временных различиях (ITD). [35]
Критический слуховой период крыс, который длится с 11-го дня после рождения (P11) по P13 [31], может быть продлен с помощью экспериментов по депривации, таких как выращивание на белом шуме. [36] Было показано, что подмножества тонотопической карты в A1 могут удерживаться в пластичном состоянии неопределенно долго, подвергая крыс воздействию белого шума, состоящего из частот в определенном диапазоне, определенном экспериментатором. [30] [31] Например, подвергание крысы во время критического слухового периода воздействию белого шума, включающего частоты тонов от 7 кГц до 10 кГц, будет поддерживать соответствующие нейроны в пластичном состоянии намного дольше типичного критического периода — одно исследование сохраняло это пластичное состояние до тех пор, пока крысам не исполнилось 90 дней. [30] Недавние исследования также показали, что высвобождение нейротрансмиттера норадреналина необходимо для пластичности критического периода в слуховой коре, однако внутренняя тонотопическая паттернизация слуховой корковой схемы происходит независимо от высвобождения норадреналина. [37] Недавнее исследование токсичности показало, что внутриутробное и постнатальное воздействие полихлорированного бифенила (ПХБ) изменило общую организацию первичной слуховой коры (A1), включая тонотопию и топографию A1. Раннее воздействие ПХБ также изменило баланс возбуждающих и тормозных входов, что изменило способность слуховой коры пластически реорганизоваться после изменений в акустической среде, тем самым изменив критический период слуховой пластичности. [38]
Исследования зрелого A1 были сосредоточены на нейромодуляторных влияниях и обнаружили, что прямая и косвенная стимуляция блуждающего нерва, которая запускает высвобождение нейромодулятора, способствует взрослой слуховой пластичности. [39] Было показано, что холинергическая сигнализация задействует активность клеток 5-HT3AR в корковых областях и способствует взрослой слуховой пластичности. [40] Кроме того, поведенческое обучение с использованием поощрительных или отвращающих стимулов, которые, как известно, задействуют холинергические афференты и клетки 5-HT3AR, также, как было показано, изменяет и сдвигает взрослые тонотопические карты. [41]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )