Введение
Сенсорная система, используемая для слуха. Слуховая система – это сенсорная система, отвечающая за восприятие слуха. Она включает в себя как сенсорные органы (уши), так и слуховые отделы сенсорной системы. Вибрации перилимфы вестибулярного протока отклоняют наружные волосковые клетки органа Корти (4 ряда), что вызывает высвобождение престина на кончиках клеток. Это приводит к химическому удлинению и сокращению клеток (соматический мотор), а также к смещению волосковых пучков, что, в свою очередь, электрически влияет на движение базилярной мембраны (мотор волосковых пучков). Эти моторы (наружные волосковые клетки) усиливают амплитуду бегущей волны более чем в 40 раз. Наружные волосковые клетки (НВК) слабо иннервируются спиральным ганглием посредством медленных (немиелинизированных) взаимно-коммуникативных пучков (более 30 волосков на нервное волокно); это контрастирует с внутренними волосковыми клетками (ВВК), которые имеют только афферентную иннервацию (более 30 нервных волокон на один волосок), но обладают высокой связностью. Количество НВК в три-четыре раза превышает количество ВВК. Базилярная мембрана (БМ) является барьером между улиточными протоками, вдоль края которой расположены ВВК и НВК. Ширина и жесткость базилярной мембраны варьируются для контроля частот, наилучшим образом воспринимаемых ВВК. У основания улитки БМ наиболее узкая и жесткая (высокие частоты), а на вершине – наиболее широкая и наименее жесткая (низкие частоты). Текториальная мембрана (ТМ) способствует усилению слуха, стимулируя НВК (прямо) и ВВК (через вибрации эндолимфы). Ширина и жесткость ТМ соответствуют таковым БМ и аналогичным образом способствуют различению частот. Верхний оливарийный комплекс (ВОК), расположенный в мосту, является первым местом схождения импульсов от левого и правого уха. ВОК включает 14 описанных ядер; здесь используются их аббревиатуры (полные названия см. в статье «Верхний оливарийный комплекс»). Ядро MSO определяет угол, с которого исходит звук, измеряя разницу во времени между сигналами, поступающими от левого и правого уха. Ядро LSO нормализует уровень звука между ушами, используя интенсивность звука для определения угла его источника. LSO иннервирует ВВК. VNTB иннервирует НВК. MNTB ингибирует LSO посредством глицина. LNTB нечувствительны к глицину и используются для быстрой передачи сигналов. Ядра DPO реагируют на высокие частоты и обладают тонотопической организацией. Ядра DLPO реагируют на низкие частоты и обладают тонотопической организацией. VLPO выполняют ту же функцию, что и DPO, но действуют в другой области. Ядра PVO, CPO, RPO, VMPO, ALPO и SPON (ингибируемые глицином) представляют собой различные сигнальные и ингибирующие ядра. В трапециевидном теле большая часть волокон кохлеарного ядра (КЯ) перекрещивается (переходит с одной стороны на другую и наоборот); этот перекрест способствует локализации звука. КЯ разделяется на вентральный (ВКЯ) и дорсальный (ДКЯ) отделы. ВКЯ содержит три ядра. Буши-клетки передают информацию о времени, их форма усредняет временные колебания. Звездообразные (измельчающие) клетки кодируют звуковой спектр (пики и провалы) на основе пространственной частоты срабатывания нейронов, зависящей от силы слухового сигнала (а не от частоты). Клетки осьминога обладают почти наилучшей временной точностью при срабатывании и декодируют временной код слухового сигнала. ДКЯ содержит 2 ядра. ДКЯ также получает информацию от ВКЯ. Фузиформные клетки интегрируют информацию для определения спектральных сигналов, указывающих на местоположение источника звука (например, находится ли он спереди или сзади). Каждое волокно кохлеарного нерва (более 30 000) имеет наиболее чувствительную частоту и реагирует на широкий диапазон уровней. Упрощенно, сигналы нервных волокон передаются кустистыми клетками в бинауральные области оливариального комплекса, пики и провалы сигналов отмечаются звездчатыми клетками, а синхронизация сигналов извлекается клетками осьминога. Боковой лемниск содержит три ядра: дорсальные ядра лучше всего реагируют на двусторонние сигналы и имеют сложные настраивающие характеристики; промежуточные ядра имеют широкие настраивающие характеристики; а вентральные ядра имеют широкие и умеренно сложные настраивающие кривые. Вентральные ядра бокового лемниска помогают нижнему бугорку (НБ) декодировать амплитудно-модулированные звуки, генерируя как фазовые, так и тонические ответы (короткие и длинные ноты соответственно). НБ получает входные сигналы, не показанные здесь, включая визуальные (предтектальная область: перемещает глаза к источнику звука; верхний бугорок: ориентация и поведение по отношению к объектам, а также движения глаз (саккады)), мост (верхний мозжечковый ножка: связь таламуса с мозжечком/восприятие звука и обучение поведенческой реакции) и спинной мозг (периаквадуктальная серая область: восприятие звука и инстинктивное движение). Все вышеперечисленное указывает на участие НБ в «реакции испуга» и окуломоторных рефлексах. Помимо мультисенсорной интеграции, НБ реагирует на определенные частоты амплитудной модуляции, что позволяет обнаруживать высоту тона. НБ также определяет разницу во времени между сигналами, поступающими от обоих ушей. Медиальное коленчатое тело разделяется на вентральный (релейные и релейно-ингибиторные клетки: топографическое отображение частоты, интенсивности и бинауральной информации), дорсальный (широкие и сложные настраивающие ядра: связь с соматосенсорной информацией) и медиальный (широкие, сложные и узкие настраивающие ядра: релейная передача интенсивности и продолжительности звука) отделы. Слуховая кора (СК) обеспечивает осознанное восприятие звука. СК идентифицирует звуки (распознавание названий звуков) и определяет местоположение их источника. СК представляет собой топографическую карту частот с пучками, реагирующими на различные гармоники, временные характеристики и высоту тона. Правая сторона СК более чувствительна к тональности, а левая – к незначительным последовательным различиям в звуке. Ростромедиальная и вентролатеральная префронтальные коры участвуют в активации во время восприятия тонального пространства и хранении кратковременной памяти. Извилина Гешля/поперечная височная извилина включает область Вернике и ее функциональность, она тесно связана с эмоциональным восприятием звука, эмоциональной мимикой и процессами слуховой памяти. Энторинальная кора является частью «гиппокампальной системы», которая способствует хранению зрительной и слуховой памяти. Надкраевая извилина (НКИ) помогает в понимании языка и отвечает за проявление сочувствия. НКИ связывает звуки со словами с помощью угловой извилины и помогает в выборе слов. НКИ интегрирует тактильную, зрительную и слуховую информацию.
The auditory system is the sensory system for the sense of hearing. It includes both the sensory organs (the ears) and the auditory parts of the sensory system. Vestibular duct perilymph vibrations bend organ of Corti outer cells (4 lines) causing prestin to be released in cell tips. This causes the cells to be chemically elongated and shrunk (somatic motor), and hair bundles to shift which, in turn, electrically affects the basilar membrane's movement (hair bundle motor). These motors (outer hair cells) amplify the traveling wave amplitudes over 40 fold. The outer hair cells (OHC) are minimally innervated by spiral ganglion in slow (unmyelinated) reciprocal communicative bundles (30+ hairs per nerve fiber); this contrasts inner hair cells (IHC) that have only afferent innervation (30+ nerve fibers per one hair) but are heavily connected. There are three to four times as many OHCs as IHCs. The basilar membrane (BM) is a barrier between scalae, along the edge of which the IHCs and OHCs sit. Basilar membrane width and stiffness vary to control the frequencies best sensed by the IHC. At the cochlear base the BM is at its narrowest and most stiff (high frequencies), while at the cochlear apex it is at its widest and least stiff (low frequencies). The tectorial membrane (TM) helps facilitate cochlear amplification by stimulating OHC (direct) and IHC (via endolymph vibrations). TM width and stiffness parallels BM's and similarly aids in frequency differentiation. The superior olivary complex (SOC), in the pons, is the first convergence of the left and right cochlear pulses. SOC has 14 described nuclei; their abbreviation are used here (see Superior olivary complex for their full names). MSO determines the angle the sound came from by measuring time differences in left and right info. LSO normalizes sound levels between the ears; it uses the sound intensities to help determine sound angle. LSO innervates the IHC. VNTB innervate OHC. MNTB inhibit LSO via glycine. LNTB are glycine immune, used for fast signalling. DPO are high frequency and tonotopical. DLPO are low frequency and tonotopical. VLPO have the same function as DPO, but act in a different area. PVO, CPO, RPO, VMPO, ALPO and SPON (inhibited by glycine) are various signalling and inhibiting nuclei. The trapezoid body is where most of the cochlear nucleus (CN) fibers decussate (cross left to right and vice versa); this cross aids in sound localization. The CN breaks into ventral (VCN) and dorsal (DCN) regions. The VCN has three nuclei. Bushy cells transmit timing info, their shape averages timing jitters. Stellate (chopper) cells encode sound spectra (peaks and valleys) by spatial neural firing rates based on auditory input strength (rather than frequency). Octopus cells have close to the best temporal precision while firing, they decode the auditory timing code. The DCN has 2 nuclei. DCN also receives info from VCN. Fusiform cells integrate information to determine spectral cues to locations (for example, whether a sound originated from in front or behind). Cochlear nerve fibers (30,000+) each have a most sensitive frequency and respond over a wide range of levels. Simplified, nerve fibers' signals are transported by bushy cells to the binaural areas in the olivary complex, while signal peaks and valleys are noted by stellate cells, and signal timing is extracted by octopus cells. The lateral lemniscus has three nuclei: dorsal nuclei respond best to bilateral input and have complexity tuned responses; intermediate nuclei have broad tuning responses; and ventral nuclei have broad and moderately complex tuning curves. Ventral nuclei of lateral lemniscus help the inferior colliculus (IC) decode amplitude modulated sounds by giving both phasic and tonic responses (short and long notes, respectively). IC receives inputs not shown, including visual (pretectal area: moves eyes to sound. superior colliculus: orientation and behavior toward objects, as well as eye movements (saccade)) areas, pons (superior cerebellar peduncle: thalamus to cerebellum connection/hear sound and learn behavioral response), spinal cord (periaqueductal grey: hear sound and instinctually move), and thalamus. The above are what implicate IC in the 'startle response' and ocular reflexes. Beyond multi sensory integration IC responds to specific amplitude modulation frequencies, allowing for the detection of pitch. IC also determines time differences in binaural hearing. The medial geniculate nucleus divides into ventral (relay and relay inhibitory cells: frequency, intensity, and binaural info topographically relayed), dorsal (broad and complex tuned nuclei: connection to somatosensory info), and medial (broad, complex, and narrow tuned nuclei: relay intensity and sound duration). The auditory cortex (AC) brings sound into awareness/perception. AC identifies sounds (sound name recognition) and also identifies the sound's origin location. AC is a topographical frequency map with bundles reacting to different harmonies, timing and pitch. Right hand side AC is more sensitive to tonality, left hand side AC is more sensitive to minute sequential differences in sound. Rostromedial and ventrolateral prefrontal cortices are involved in activation during tonal space and storing short term memories, respectively. The Heschl's gyrus/transverse temporal gyrus includes Wernicke's area and functionality, it is heavily involved in emotion sound, emotion facial expression, and sound memory processes. The entorhinal cortex is the part of the 'hippocampus system' that aids and stores visual and auditory memories. The supramarginal gyrus (SMG) aids in language comprehension and is responsible for compassionate responses. SMG links sounds to words with the angular gyrus and aids in word choice. SMG integrates tactile, visual, and auditory info.
Внешнее ухо
Складки хряща, окружающие слуховой проход, называются ушной раковиной. Звуковые волны отражаются и затухают, когда достигают ушной раковины, и эти изменения предоставляют дополнительную информацию, которая помогает мозгу определить направление звука. Звуковые волны входят в слуховой проход, кажущийся обманчиво простым каналом. Слуховой проход усиливает звуки в диапазоне от 3 до 12 кГц. Барабанная перепонка, расположенная в конце слухового прохода, знаменует начало среднего уха.
Среднее ухо
Звуковые волны проходят через слуховой проход и достигают барабанной перепонки. Эта информация о волнах передается через заполненную воздухом полость среднего уха посредством ряда деликатных костей: молоточка (malleus), наковальни (incus) и стремечка (stapes). Эти слуховые косточки действуют как рычаг, преобразуя низкоамплитудные колебания барабанной перепонки в высокоамплитудные колебания на другой, меньшей мембране, называемой овальным окном или вестибулярным окном. Ручка (manubrium) молоточка сочленяется с барабанной перепонкой, а основание (footplate) стремечка – с овальным окном. Более высокое давление необходимо в овальном окне, чем в барабанной перепонке, поскольку за овальным окном во внутреннем ухе находится жидкость, а не воздух. Рефлекс стременной мышцы среднего уха помогает защитить внутреннее ухо от повреждений, снижая передачу звуковой энергии при активации стременной мышцы в ответ на звук. Звуковая информация в форме волн сохраняется в среднем ухе и преобразуется в нервные импульсы в улитке.
Внутреннее ухо
Внутреннее ухо состоит из улитки и нескольких неслуховых структур. Улитка имеет три заполненных жидкостью отдела (то есть, средний проход, барабанный проход и преддверный проход) и поддерживает волну жидкости, движимую давлением через базиллярную мембрану, разделяющую два отдела. Примечательно, что один из этих отделов, называемый улитковым протоком или средним проходом, содержит эндолимфу. Орган Корти расположен в этом протоке на базиллярной мембране и преобразует механические волны в электрические сигналы в нейронах. Два других отдела известны как барабанный проход и преддверный проход. Они расположены внутри костного лабиринта, который заполнен жидкостью, называемой перилимфой, состав которой схож со спинномозговой жидкостью. Химическая разница между жидкостями эндолимфы и перилимфы важна для функции внутреннего уха из-за разницы электрических потенциалов между ионами калия и кальция. План строения человеческой улитки (типичный для всех млекопитающих и большинства позвоночных) показывает, где вдоль ее длины возникают определенные частоты. Частота является приблизительно экспоненциальной функцией длины улитки в органе Корти. У некоторых видов, таких как летучие мыши и дельфины, эта зависимость расширена в определенных областях для поддержки их активных возможностей эхолокации.
Орган Корти
Орган Корти формирует ленту сенсорного эпителия, проходящую вдоль всей срединной лестницы улитки. Его волосковые клетки преобразуют волновые колебания жидкости в нервные импульсы. С этого начального этапа начинается путь бесчисленных нервов, а дальнейшая обработка приводит к широкому спектру слуховых реакций и ощущений.
Волосяная клетка
Волосяные клетки — это столбчатые клетки, каждая из которых имеет «пучок волосков» из 100–200 специализированных стереоцилий на вершине, благодаря которым они и получили свое название. Существуют два типа волосковых клеток, специфичных для слуховой системы: внутренние и наружные волосковые клетки. Внутренние волосковые клетки являются механорецепторами слуха: они преобразуют вибрацию звука в электрическую активность в нервных волокнах, которая передается в мозг. Наружные волосковые клетки представляют собой моторную структуру. Звуковая энергия вызывает изменения в форме этих клеток, что служит для усиления звуковых вибраций в зависимости от частоты. Текториальная мембрана слегка покоится на самых длинных ресничках внутренних волосковых клеток и движется вперед-назад с каждым циклом звука, наклоняя реснички, что и вызывает электрические реакции волосковых клеток. Внутренние волосковые клетки, как и фоторецепторные клетки глаза, демонстрируют градиентный отклик, а не типичные для других нейронов потенциалы действия. Эти градиентные потенциалы не подчиняются принципу «все или ничего», характерному для потенциала действия. В этой связи возникает вопрос, как такое колебание пучка волосков вызывает изменение мембранного потенциала. Современная модель предполагает, что реснички соединены друг с другом «кончиковыми связями» — структурами, которые соединяют кончики одной реснички с другой. Растягиваясь и сжимаясь, кончиковые связи могут открывать ионный канал и создавать рецепторный потенциал в волосковой клетке. Недавно было показано, что кадерин 23 (CDH23) и протокадерин 15 (PCDH15) являются молекулами адгезии, связанными с этими кончиковыми связями. Предполагается, что кальций-зависимый мотор вызывает сокращение этих связей для восстановления напряжения. Эта регенерация напряжения позволяет воспринимать продолжительную звуковую стимуляцию.
Нейроны
Афферентные нейроны иннервируют внутренние волосковые клетки улитки, в синапсах, где нейромедиатор глутамат передает сигналы от волосковых клеток к дендритам первичных слуховых нейронов. В улитке содержится гораздо меньше внутренних волосковых клеток, чем афферентных нервных волокон – многие волокна слухового нерва иннервируют каждую волосковую клетку. Нейронные дендриты принадлежат нейронам слухового нерва, который, в свою очередь, соединяется с вестибулярным нервом, образуя вестибулокохлеарный нерв, или черепной нерв номер VIII. Область базилярной мембраны, обеспечивающая входные сигналы для конкретного афферентного нервного волокна, может рассматриваться как его рецептивное поле. Эфферентные проекции от мозга к улитке также играют роль в восприятии звука, хотя механизмы этого процесса изучены недостаточно. Эфферентные синапсы формируются на внешних волосковых клетках и на афферентных (в направлении мозга) дендритах под внутренними волосковыми клетками.
Кохлеарное ядро
Ядро улитки является первым местом нейронной обработки новообразованных "цифровых" данных из внутреннего уха (см. также бинауральное слияние). У млекопитающих эта область анатомически и физиологически разделена на две части: спинную часть ядра улитки (DCN) и брюшную часть ядра улитки (VCN). Брюшная часть ядра улитки далее разделяется нервным корешком на задне-брюшную часть ядра улитки (PVCN) и передне-брюшную часть ядра улитки (AVCN).
Трапециевидный корпус
Трапециевидное тело — это пучок перекрещивающихся волокон в вентральной части моста, несущих информацию, используемую для бинауральных вычислений в стволе мозга. Некоторые из этих аксонов происходят из улиточного ядра и переходят на противоположную сторону перед тем, как продолжить путь к верхнему оливарному ядру. Считается, что это способствует локализации звука.
Верхний оливковый комплекс
Верхний оливарийный комплекс расположен в мосту и получает проекции преимущественно от вентрального кохлеарного ядра, хотя дорсальное кохлеарное ядро также проецируется туда через вентральную акустическую стрию. Внутри верхнего оливарийного комплекса находятся латеральная верхняя олива (LSO) и медиальная верхняя олива (MSO). Первая важна для обнаружения разницы в уровне звука между ушами, а вторая – для различения разницы во времени прихода звука к ушам. Нижний бугорок также получает нисходящие импульсы от слуховой коры и слухового таламуса (или медиального коленчатого ядра).
Медиальное ядро геникулята
Медиальное коленчатое ядро является частью таламокортикальной системы ретрансляции.
Первичная слуховая кора
Первичная слуховая кора – это первая область коры головного мозга, получающая слуховые входные сигналы. Восприятие звука связано с левой задней верхней височной извилиной (STG). Верхняя височная извилина содержит несколько важных структур мозга, включая области Бродмана 41 и 42, обозначающие местоположение первичной слуховой коры – корковой области, ответственной за ощущение основных характеристик звука, таких как высота тона и ритм. Из исследований на обезьянах мы знаем, что первичная слуховая кора, вероятно, может быть далее разделена на функционально различимые подрегионы. Нейроны первичной слуховой коры можно рассматривать как имеющие рецептивные поля, охватывающие диапазон слуховых частот, и проявляющие селективные реакции на гармонические тона. Нейроны, интегрирующие информацию от обоих ушей, имеют рецептивные поля, охватывающие определенную область слухового пространства. Первичная слуховая кора окружена вторичной слуховой корой и имеет с ней связи. Эти вторичные области связаны с дальнейшими областями обработки в верхней височной извилине, на спинном крае верхней височной борозды и в лобной доле. У людей связи этих областей со средней височной извилиной, вероятно, важны для восприятия речи. Фронтотемпоральная система, лежащая в основе слухового восприятия, позволяет нам различать звуки как речь, музыку или шум.
Слуховые вентральные и дорсальные потоки
Из первичной слуховой коры исходят два отдельных пути: слуховой вентральный поток и слуховой дорсальный поток. Слуховой вентральный поток включает переднюю верхнюю височную извилину, переднюю верхнюю височную борозду, среднюю височную извилину и височный полюс. Нейроны в этих областях отвечают за распознавание звуков и извлечение смысла из предложений. Слуховой дорсальный поток включает заднюю верхнюю височную извилину и борозду, нижнюю теменную долю и внутритеменную борозду. Оба пути проецируются у людей в нижнюю лобную извилину. Наиболее установленная функция слухового дорсального потока у приматов – звуковая локализация. У людей слуховой дорсальный поток в левом полушарии также отвечает за повторение и артикуляцию речи, фонологическое долговременное кодирование названий слов и вербальную рабочую память.