Кіріспе

Физиологияда тонотопия (грекше tono = жиілік және topos = орын) – мида әртүрлі жиіліктегі дыбыстар өңделетін кеңістіктік орналасу. Жиілігі жақын дыбыстар мидың топологиялық тұрғыдан жақын орналасқан аймақтарында бейнеленеді. Тонотоптық карталар – көру жүйесіндегі ретинотопияға ұқсас топографиялық ұйымның ерекше түрі. Есту жүйесіндегі тонотопия ішкі құлақтағы кішкентай, спираль тәрізді кохлеядан басталады, ол дыбыс туралы ақпаратты миға жібереді. Корти органындағы базалық мембрананың әртүрлі бөліктері, кохлеяның дыбысқа сезімтал бөлігі, мембрананың ұзындығы бойынша қалыңдығы мен енінің өзгеруіне байланысты әртүрлі синусоидалық жиіліктерде дірілдейді. Сондықтан, базалық мембрананың әртүрлі бөліктерінен ақпаратты жеткізетін жүйкелер жиілікті тонотоптық түрде кодтайды. Бұл тонотопия вестибулокохлеарлық жүйке арқылы және байланысты орта ми құрылымдары арқылы есту сәулесі жолымен бастапқы есту қабығына жолданады. Бұл сәулелену бойында ұйымдастыру, әрбір нейронның ең жақсы жиілік жауабына (яғни, сол нейронның ең сезімтал жиілігіне) сәйкес Корти органындағы орналасуына қатысты сызықтық болып табылады. Дегенмен, жоғарғы зәйтүн кешеніндегі екі құлақтың бірігуі әрбір ганглийдің сигнал күшінде кодталған маңызды ақпаратты қосады. Осылайша, тонотоптық карталардың саны түрлерге және екі құлақты синтездің дәрежесіне, сондай-ақ дыбыс қарқындылығын ажыратуға байланысты өзгереді; адамдарда бастапқы есту қабығында алты тонотоптық карта анықталған.

Тарих

Есту қабырғасындағы тонотоптық ұйымға ең алғашқы дәлелді Владимир Э. Ларионов 1899 жылы "Мидың музыкалық орталықтары туралы" атты мақаласында келтірді, онда S тәрізді траекториядағы зақымданулар әртүрлі жиіліктегі дыбыстарға жауап беру қабілетінің жоғалуына әкелетіні айтылды. 1920 жылдарға қарай, кохлея анатомиясы сипатталды және тонотоптық тұжырымдамасы енгізілді. Осы кезде венгр биофизигі Георг фон Бекеси есту қабырғасындағы тонотопияны одан әрі зерттеуге кірісті. Бекеси кохлеяны кеңінен ашып, стробоскоптық жарық пен микроскопты пайдаланып, теңіз шошқасы, тауық, тышқан, егеуқұйрық, сиыр, піл және адамның жақ сүйегі сияқты әртүрлі жануарлардың қозғалысын визуалды түрде бақылап, кохлеялық толқынды өлшеді. Маңыздысы, Бекеси түрлі дыбыс жиіліктерінің кохлея спиралі бойындағы базалық мембрананың әртүрлі жерлерінде максималды толқын амплитудасын тудыратынын анықтады, бұл тонотопияның негізгі қағидасы болып табылады. Бекеси осы еңбегі үшін физиология және медицина саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. 1946 жылы Джонс Хопкинс ауруханасында есту қабырғасындағы тонотоптық ұйымның алғашқы тікелей көрсетілімі болды. Соңғы жылдары технологияның жетістіктері зерттеушілерге электроэнцефалографиялық (ЭЭГ) және магнитоэнцефалографиялық (МЭГ) деректерді пайдалана отырып, сау адамдардағы тонотоптық ұйымдасуды картаға түсіруге мүмкіндік берді. Көптеген адамдарға қатысты зерттеулер төмен жиіліктердің Гешль гирусының жанында көлденең, ал жоғары жиіліктердің медиалды түрде бейнеленген тонотоптық градиент картасының бар екендігімен келіседі, бірақ әдістемелік шектеулерге байланысты адам есту қабырғасындағы егжей-тегжейлі карта әлі толыққанды құрылмаған.

Кохлия

Кохлеадағы тонотоптық ұйым, туғанға дейінгі және туғаннан кейінгі даму кезеңінде, естімелік стимулдарға жауап ретінде болатын өзгерістер тізбегі арқылы қалыптасады. Зерттеулер тонотоптық ұйымның туа біткенге дейінгі қалыптасуы ішінара синапстық қайта ұйымдастыру арқылы жүзеге асады деген болжамды ұсынады; алайда, жақындағы зерттеулер ерте өзгерістер мен жетілдірулер схемалық және субклеткалық деңгейлерде де болатынын көрсетті. Сүтқоректілерде ішкі құлақ толық дамығаннан кейін, тонотоптық карта жоғарырақ және нақтырақ жиіліктерді қабылдау үшін қайта ұйымдастырылады. Зерттеулер рецепторлық гуанилил циклаза Npr2-нің осы тонотопияның нақты және ерекше ұйымы үшін өте маңызды екенін көрсетті. Тағы да тәжірибелер ерте даму кезінде тонотоптық ұйымды құруда нотохорда мен еден тақтасынан шығатын Sonic Hedgehog-тың сақталған рөлін анықтады. Кохлеадағы түкті жасушалардың осы дұрыс тонотоптық ұйымдастырылуы ғана жиілікті дұрыс тон ретінде қабылдауға мүмкіндік береді.

Құрылымдық ұйым

Кохлеада дыбыс базалық мембранадағы (БМ) тонотоптық ос бойымен қозғалғанда амплитудасы арта отырып, негізден шыңға қарай қозғалатын толқын жасайды. Бұл қысым толқыны кохлеяның БМ бойымен оның ең жоғары тербеліс жиілігіне сәйкес келетін аймаққа жеткенше жүреді; бұл содан кейін питч ретінде кодталады. Шаш түйірлерінің биіктігі негізден шыңға дейін өседі және стереоцилиялардың саны азаяды (яғни кохлеяның түбінде орналасқан шаш клеткаларында стереоцилиялар саны шыңға қарағанда көп). Шаш түйірінде қақпалы пружиналар механоэлектрлік иондық трансдукция арналарының ашылу ықтималдығын анықтайды: жоғары жиіліктерде бұл серіппелі пружиналар шаш жасушаларының ұшындағы байланыстарда жоғары қаттылыққа және жоғары механикалық кернеуге ұшырайды. Жоғарыда айтылғандай, базальдық кохлеарлық шаш жасушаларында стереоцилиялар көбірек, сондықтан олар көбірек арналар мен үлкен тоқтарды қамтамасыз етеді. Ақырында, дыбыс күшеюі базальды аймақта апикальды кохлеарлық аймақтардан гөрі жоғары, өйткені сыртқы шаш жасушалары моторлық белок престинді білдіреді, ол тербелістерді күшейтеді және сыртқы шаш жасушаларының төменгі дыбыстарға сезімталдығын арттырады. Бұрыңғы зерттеулерде tuning жолақтығы немесе модуляция жылдамдығы да қарастырылған, бірақ олар толыққанды зерттелмеген. Орта мида есту қабығына екі негізгі есту жолы бар – лемнискальдық классикалық есту жолы және лемнискальдық емес классикалық есту жолы. Лемнискальдық классикалық есту жолы тонотоптық түрде ұйымдастырылған және төменгі колликулдың орталық ядросынан және есту қабығының негізгі аймақтарына проекция жасайтын вентральді медиалдық геникулятивті дененің құрамынан тұрады. Негізгі емес есту қабығы экстралемнискальдық емес классикалық есту жолынан кіріс алады, ол диффузиялық жиілік ұйымын көрсетеді. Есту қабығының А2 аймағы мен алдыңғы есту өрісі (AAF) екеуі де дорсовентральды бағытта жүретін тонотоптық карталарға ие. Адам емес приматтарды пайдаланумен жүргізілген зерттеулер есту қабығының иерархиялық моделін жасады, ол үш тізбектелген тонотоптық өрістен тұратын созылған ядродан тұрады – негізгі есту өрісі A1, ростральді өріс R және ростральді уақытша өріс RT. Бұл аймақтар белдеу өрістерімен (екінші деңгей) және жоғары деңгейдегі парабелдеу өрістерімен қоршалған. A1 артқыдан алға қарай бағытта жоғарыдан төменге жиілік градиентін көрсетеді; R артқыдан алға қарай бағытта төменнен жоғарыға жиілік градиентін көрсетеді. RT-де жоғарыдан төменге жиілік градиенті нашар анықталған. Адамның есту қабығындағы тонотоптық ұйымды түрлі инвазивті емес бейнелеу әдістерін қолдана отырып зерттелді, оның ішінде магнито- және электроэнцефалография (MEG/EEG), позитронды эмиссиялық томография (PET) және функционалдық магниттік резонанстық бейнелеу (fMRI) кіреді. Адамның есту қабығындағы негізгі тонотоптық карта Гешль гирусы (HG) бойында орналасқан. Алайда, түрлі зерттеушілер HG бойымен жиілік градиентінің бағыты туралы келіспеушіліктерге келді. Кейбір эксперименттер тонотоптық прогрессия HG бойымен параллель бағытта жүретінін көрсетсе, ал басқалары жиілік градиенті HG арқылы диагональды бағытта перпендикуляр жүретінін, бұрышты V пішіндес градиенттер жұбын құрайтынын анықтады. Тышқанның бастапқы есту қабығында (A1) әртүрлі нейрондар әртүрлі жиілік диапазондарына жауап береді, ал ең үлкен жауапты тудыратын бір жиілік берілген нейрон үшін "ең жақсы жиілік" деп аталады. Ересектердің оқытуы және маңызды кезеңдегі сезімдік манипуляциялар кортикальді топографияларда салыстырмалы өзгерістерді тудырады, ал ересектердің оқытуы қабылдау қабілеттерін арттырады. Сондықтан, A1-дің тонотоптық дамуы тышқанның баласында есту оқытуының неврологиялық негізін түсінуде маңызды фактор болып табылады. Басқа түрлер де маңызды кезеңдерде ұқсас тонотоптық дамуды көрсетеді. Тышқанның тонотоптық дамуы егеуқұйрықтың дамуымен бірдей, бірақ маңызды кезең сәл ертерек ауысады.

Аудиторлық критикалық кезеңнің пластикалық қасиеттері

Келеңдердің есту қабығының сыни кезеңі туғаннан кейінгі 11-ші (P11) күнінен бастап P13-ке дейін созылады. Зерттеулер көрсеткендей, тәжірибеші анықтаған белгілі бір жиіліктер диапазонындағы ақ шуға келеңдерді ұсынғанда, А1-дегі тонотоп картаның кіші топтары пластикалық күйде белгісіз мерзімге сақталады. Жақында жүргізілген токсикологиялық зерттеу полихлорирленген бифенилге (ПХБ) жүктілік кезеңінде және туғаннан кейін әсер етудің есту қабығының (А1) тонотопиясы мен А1 топографиясын қоса алғанда, жалпы құрылымын өзгерткенін көрсетті. ПХБ-ға ерте әсер ету сонымен қатар қоздырғыш және тежегіш сигналдардың арасалмақтығын өзгертті, бұл дыбыстық ортаның өзгеруінен кейін есту қабығының пластикалық қайта ұйымдасу қабілетін өзгертіп, есту пластикалық сыни кезеңді өзгертті.

Ересектердің пластикалық қасиеттері

Ересектердегі А1 зерттеулері нейромодуляторлық әсерлерге бағытталған және нейромодулятор бөлінуін тудыратын тікелей және жанама блуждающий жүйке тітіркендіруі ересектердегі есту пластикасын күшейтетіні анықталды. Холинергиялық сигнал беру кортикаль аймақтардағы 5 HT3AR жасушаларының активтілігін қоздырып, ересектердегі есту пластикасын жеңілдетеді. Бұған қоса, холинергиялық афференттер мен 5 HT3AR жасушаларын белсендіретін сыйлықты немесе жағымсыз стимулдарды қолданатын мінез-құлықтық жаттығулар ересектердегі тонотоптық карталарды өзгертіп, жылдыратыны дәлелденді.