Введение

Устройство обработки звуковых частот в мозге
В физиологии тонотопия (от греческого tono = частота и topos = место) – это пространственная организация областей мозга, где обрабатываются звуки различной частоты. Звуки, близкие по частоте, представлены в топологически соседних областях мозга. Тонотопные карты являются частным случаем топографической организации, аналогичной ретинотопии в зрительной системе. Тонотопия в слуховой системе начинается в кохлее – небольшой структуре, напоминающей улитку, во внутреннем ухе, которая передает информацию о звуке в мозг. Различные участки базилярной мембраны в органе Корти, звукочувствительной части кохлеи, вибрируют с разными синусоидальными частотами из-за изменений в толщине и ширине вдоль длины мембраны. Нервы, передающие информацию из разных участков базилярной мембраны, таким образом, кодируют частоту тонотопически. Эта тонотопия затем проецируется через вестибулокохлеарный нерв и связанные с ним структуры среднего мозга в первичную слуховую кору по пути слухового излучения. На протяжении всего этого пути организация остается линейной относительно расположения на органе Корти, в соответствии с наилучшей частотной характеристикой (то есть частотой, на которую данный нейрон наиболее чувствителен) каждого нейрона. Однако, бинауральное слияние, начиная с верхнего оливарного комплекса, добавляет значительный объем информации, закодированной в силе сигнала каждого ганглия. Таким образом, количество тонотопных карт варьируется в зависимости от вида и степени бинаурального синтеза и разделения звуковых интенсивностей; у человека в первичной слуховой коре было выявлено шесть тонотопных карт.

История

Самые ранние свидетельства тонотопной организации в слуховой коре были представлены Владимиром Э. Ларионовым в работе 1899 года под названием «О музыкальных центрах мозга», в которой указывалось, что поражения в траектории S-образной формы приводили к неспособности реагировать на тоны различной частоты. К 1920-м годам анатомия улитки была описана, и концепция тонотопности была введена. В это время венгерский биофизик Георг фон Бекеши приступил к дальнейшему изучению тонотопии в слуховой коре. Бекеши измерил пробегающую волну в улитке, широко вскрывая улитку и используя стробоскоп и микроскоп для визуального наблюдения за движением у широкого спектра животных, включая морских свинок, куриц, мышей, крыс, коров, слонов и височные кости человека. Важно отметить, что Бекеши обнаружил, что различные звуковые частоты вызывали максимальные амплитуды волн в разных местах вдоль базилярной мембраны вдоль спирали улитки, что является фундаментальным принципом тонотопии. Бекеши был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за свою работу. В 1946 году в больнице Джона Хопкинса состоялась первая демонстрация тонотопной организации в слуховой коре на живом испытуемом. В последнее время достижения в области технологий позволили исследователям картировать тонотопную организацию у здоровых людей, используя данные электроэнцефалографии (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографии (МЭГ). В то время как большинство исследований на людях сходятся во мнении о существовании тонотопной градиентной карты, в которой низкие частоты представлены латерально, а высокие частоты – медиально вокруг гируса Гешля, более детальная карта слуховой коры человека пока не установлена окончательно из-за методологических ограничений.

Кохлеи

Тонотопная организация в кохлее формируется в течение пренатального и постнатального развития посредством ряда изменений, происходящих в ответ на звуковые стимулы. Исследования показывают, что пренатальное формирование тонотопной организации частично направляется синаптической реорганизацией; однако более поздние исследования продемонстрировали, что ранние изменения и уточнения происходят как на уровне цепей, так и на субклеточном уровне. У млекопитающих, после полного развития внутреннего уха, тонотопная карта затем реорганизуется для адаптации к более высоким и специфическим частотам. Исследования показали, что рецепторная гуанилатциклаза Npr2 имеет решающее значение для точной и специфической организации этой тонотопии. Дальнейшие эксперименты продемонстрировали консервативную роль Sonic Hedgehog, исходящего из хорды и пластинки пола, в установлении тонотопной организации на ранних стадиях развития. Именно эта правильная тонотопная организация волосковых клеток в кохлее обеспечивает корректное восприятие частоты как высоты тона.

Структурная организация

В кохлее звук создает бегущую волну, которая движется от основания к вершине, увеличивая амплитуду по мере продвижения вдоль тонотопной оси в базилярной мембране (БМ). Эта волна давления распространяется вдоль БМ кохлеи, пока не достигнет области, соответствующей ее максимальной частоте колебаний; это затем кодируется как высота тона. Высота волосковых пучков увеличивается от основания к вершине, а количество стереоцилий уменьшается (то есть волосковые клетки, расположенные в основании кохлеи, содержат больше стереоцилий, чем клетки, расположенные в вершине). В волосковых пучках запирающие пружины определяют вероятность открытия механоэлектрических ионных каналов: при более высоких частотах эти эластичные пружины испытывают большую жесткость и большее механическое натяжение в кончиковых связях волосковых клеток. Как отмечалось выше, базальные волосковые клетки кохлеи имеют больше стереоцилий, что обеспечивает больше каналов и больший ток. Наконец, усиление звука в базальных областях кохлеи больше, чем в апикальных, поскольку внешние волосковые клетки экспрессируют моторный белок престин, который усиливает колебания и повышает чувствительность внешних волосковых клеток к тихим звукам. Также важны полоса пропускания и скорость модуляции, но они изучены в меньшей степени. В среднем мозге существуют два основных слуховых пути к слуховой коре — лемнискальный классический слуховой путь и внелемнискальный неклассический слуховой путь. Лемнискальный классический слуховой путь организован тонотопно и состоит из центрального ядра нижнего бугорка и вентрального медиального коленчатого тела, проецирующихся в первичные области слуховой коры. Непервичная слуховая кора получает входные сигналы из внелемнискального неклассического слухового пути, который демонстрирует диффузную частотную организацию. Область слуховой коры A2 и переднее слуховое поле (AAF) имеют тонотопные карты, проходящие дорсовентрально. Исследования на нечеловеческих приматах создали иерархическую модель организации слуховой коры, состоящую из удлиненного ядра, включающего три расположенных последовательно тонотопных поля — первичного слухового поля A1, рострального поля R и рострального височного поля RT. Эти области окружены поясными (вторичными) областями и областями более высокого порядка — парапоясными. A1 демонстрирует градиент частоты от высоких к низким в направлении от заднего к переднему; R демонстрирует обратный градиент с характеристическими частотами от низких к высоким в направлении от заднего к переднему. RT имеет менее четко организованный градиент от высоких к низким частотам. Тонотопная 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). Основная тонотопная карта в слуховой коре человека располагается вдоль гируса Гешля (HG). Однако различные исследователи пришли к противоречивым выводам относительно направления градиента частоты вдоль HG. Некоторые эксперименты показали, что тонотопная прогрессия протекала параллельно HG, в то время как другие обнаружили, что частотный градиент проходил перпендикулярно HG в диагональном направлении, образуя пару градиентов в форме угла. В первичной слуховой коре мыши (A1) различные нейроны реагируют на разные диапазоны частот, при этом одна конкретная частота вызывает наибольший отклик — это известно как «лучшая частота» для данного нейрона. Обучение взрослых и сенсорные манипуляции в критический период вызывают сопоставимые сдвиги в корковых топографиях, и, по определению, обучение взрослых приводит к повышению перцептивных способностей. Тонотопное развитие A1 у мышат, следовательно, является важным фактором в понимании неврологической основы слухового обучения. Другие виды также демонстрируют аналогичное тонотопное развитие в критические периоды. Тонотопное развитие у крыс почти идентично мышиному, но критический период сдвигается немного раньше.

Пластичность слухового критического периода

Аудиторный критический период у крыс длится с 11-го по 13-й послеродовый день (P11-P13). Показано, что отдельные участки тонотопной карты в A1 могут поддерживаться в пластичном состоянии неограниченно долго при воздействии на крыс белым шумом, состоящим из частот в определенном диапазоне, заданном экспериментатором. Недавнее исследование токсичности выявило, что воздействие полихлорированных бифенилов (ПХБ) внутриутробно и в послеродовом периоде изменяет общую организацию первичной слуховой коры (A1), включая тонотопию и топографию A1. Раннее воздействие ПХБ также изменило баланс возбуждающих и тормозных сигналов, что повлияло на способность слуховой коры к пластической реорганизации после изменений в акустической среде и, таким образом, изменило критический период слуховой пластичности.

Пластичность взрослого человека

Исследования в области зрелой слуховой коры A1 были сосредоточены на нейромодуляторных влияниях и показали, что прямая и косвенная стимуляция блуждающего нерва, запускающая высвобождение нейромодуляторов, способствует пластичности слуховой системы у взрослых. Показано, что холинергическая сигнализация активирует активность клеток, экспрессирующих 5-HT3AR, в различных областях коры и облегчает пластичность слуховой системы у взрослых. Более того, поведенческое обучение с использованием вознаграждающих или аверсивных стимулов, которое, как известно, активирует холинергические афференты и клетки, экспрессирующие 5-HT3AR, также изменяет и сдвигает тонотопные карты у взрослых.