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.
In physiology, tonotopy (from Greek tono = frequency and topos = place) is the spatial arrangement of where sounds of different frequency are processed in the brain. Tones close to each other in terms of frequency are represented in topologically neighbouring regions in the brain. Tonotopic maps are a particular case of topographic organization, similar to retinotopy in the visual system. Tonotopy in the auditory system begins at the cochlea, the small snail like structure in the inner ear that sends information about sound to the brain. Different regions of the basilar membrane in the organ of Corti, the sound sensitive portion of the cochlea, vibrate at different sinusoidal frequencies due to variations in thickness and width along the length of the membrane. Nerves that transmit information from different regions of the basilar membrane therefore encode frequency tonotopically. This tonotopy then projects through the vestibulocochlear nerve and associated midbrain structures to the primary auditory cortex via the auditory radiation pathway. Throughout this radiation, organization is linear with relation to placement on the organ of Corti, in accordance to the best frequency response (that is, the frequency at which that neuron is most sensitive) of each neuron. However, binaural fusion in the superior olivary complex onward adds significant amounts of information encoded in the signal strength of each ganglion. Thus, the number of tonotopic maps varies between species and the degree of binaural synthesis and separation of sound intensities; in humans, six tonotopic maps have been identified in the primary auditory cortex.
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.