Введение

Американский профессор нейробиологии Эрик Кнудсен - профессор нейробиологии в Стэнфордском университете. Он известен своим открытием, вместе с Масаказу Кониси, карты мозга звука в двух измерениях у совы, tyto alba. Его работа способствовала пониманию обработки информации в слуховой системе совы, пластичности карты слухового пространства у развивающихся и взрослых сов, влиянию слухового и визуального опыта на карту пространства, а в последнее время - механизмам внимания и обучения. Он является лауреатом премии Лашли, премии Грубера в области нейробиологии и премии Ньюкомба Кливленда и является членом Национальной академии наук.

Биография

Кнудсен учился в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, где получил степень "Б". А. в зоологии, затем магистра в нейробиологии. Он получил степень доктора философии. Д. в UC, Сан-Диего в 1976 году, работая под руководством Теодора Х. Буллока. Кнудсен был аспирантом с Кониши в Калифорнийском технологическом институте с 1976 по 1979 год. Он был профессором в Медицинской школе Стэнфордского университета с 1988 года и был председателем Департамента нейробиологии в Медицинской школе с 2001 по 2005 год.

Звуковая карта "Столовой совы"

В 1978 году Кнудсен и Кониши представили открытие слуховой карты пространства в среднем мозге совы. Это открытие было новаторским, потому что оно выявило первую не соматотопическую карту пространства в мозге. Карта была найдена в среднем мозге совы, в боковом и переднем мезенцефалике латералиса дорсалиса (MLD), структуре, теперь называемой нижним колликулом. В отличие от большинства карт локализации звука, эта карта была двумерной, с единицами, расположенными пространственно, чтобы представлять как вертикальное, так и горизонтальное местоположение звука. Кнудсен и Кониши обнаружили, что единицы в этой структуре предпочтительно реагируют на звуки, происходящие из определенной области пространства. В статье 1978 года было показано, что высота и азимут (местоположение в горизонтальной плоскости) являются двумя координатами карты. Используя динамик, установленный на вращающейся полусферической дорожке, Кнудсен и Кониши представили совам слуховые стимулы из различных мест в пространстве и записали полученную нейронную активность. Они обнаружили, что нейроны в этой части МЛД были организованы в соответствии с расположением их рецептивного поля, а азимут варьировался вдоль горизонтальной плоскости космической карты, а высота варьировалась вертикально. Кнудсен последовал за этим открытием с исследованиями специфических механизмов локализации звука. Два основных слуховых сигнала, используемых совой для локализации звука, - это интерауральная разница во времени (ITD) и интерауральная разница интенсивности (IID). Уши совы асимметричны, а правое ухо расположено выше, чем левое. Эта асимметрия позволяет совой определять высоту звука, сравнивая уровни звука между двумя ушами. Межчасовые временные различия дают сове информацию об азимуте звука; звук достигнет уха ближе к источнику звука, прежде чем достигнуть более отдаленного уха, и эта временная разница может быть обнаружена и интерпретирована как азимутное направление. На низких частотах длина волны звука шире, чем рефлекс на лице совы, и рефлекс не влияет на обнаружение азимута. На высоких частотах, руф играет роль в отражении звука для повышенной чувствительности к вертикальному подъему. Поэтому при широкополосных шумах, содержащих как высокие, так и низкие частоты, сова может использовать интерауральную разницу спектра для получения информации о азимуте и высоте. В 1979 году Кнудсен и Кониши показали, что сова использует информацию междуушного спектра для локализации звука. Они представили сов с широким диапазоном шума и чистыми тонами. Птицы смогли успешно определить местонахождение чистых тонов (поскольку они все еще могли собирать информацию из IID и ITD), но их коэффициент ошибки был намного ниже при локализации шума с широкой полосой пропускания. Это указывает на то, что птицы используют различия в межзвуковом спектре для повышения точности. Вместе с Джоном Олсеном и Стивеном Эстерли Кнудсен изучил модель реакции на IID и ITD на космической карте. Они подавали совам звуковые стимулы, в то время как записи делались из оптического тектама. В соответствии с предыдущими выводами относительно организации оптического тектома с точки зрения высоты и азимута, они обнаружили, что ITD варьировалась в основном вдоль горизонтальной оси и IID вдоль вертикальной оси. Однако карта по высоте и азимуту не полностью совпадает с картой ITD/IID. Азимут и ИТД не имеют строго линейной связи. Кроме того, IID используется не только для определения высоты источника звука, но и, в меньшей степени, азимута. Наконец, IID и ITD - не единственные два сигнала, которые сова использует для определения местоположения звука, как показано исследованием Кнудсена о влиянии полосы пропускания на точность локализации звука. Информация из нескольких типов сигналов используется для создания карты высоты и азимута в оптическом тектоме.

Пластичность звуковой карты

В Стэнфорде Кнудсен изучал пластичность звуковой карты, обнаружив, что ассоциации между звуковыми значениями карты и местами в пространстве, которые они представляют, могут быть изменены как слуховым, так и зрительным опытом. Кнудсен изменил слуховые сигналы сов, заткнув одно ухо или удалив перья и преауральные клапаны. Изначально это привело к тому, что птицы неправильно оценили местоположение звукового источника, поскольку сигналы, обычно связанные с каждым местом в пространстве, были изменены. Однако со временем карта изменилась, восстановив нормальную звуковую карту, согласованную с визуальной картой пространства, несмотря на аномальные сигналы. Между ненормальными знаками и пространственными местами, которые они теперь представляли, были сформированы новые ассоциации, и карта была скорректирована так, чтобы перевести сигналы, получаемые птицей, в точное представление ее окружения. Эта адаптация происходит наиболее быстро и широко у молодых птиц. Однако карта никогда не отражает совершенно ненормальный опыт, даже когда сигналы изменяются так рано, что птица никогда не испытывает нормальные сигналы. Это указывает на то, что существует некоторая врожденная "программирование" карты, чтобы отразить типичный сенсорный опыт. В 1994 году Кнудсен опроверг идею о том, что слуховая звуковая карта у взрослой птицы не является долгой пластичностью; пластичность, по-видимому, имеет критический период. Ранее работа показала, что изменение звуковой карты в результате опыта ограничивается периодом в процессе разработки, и как только это окно пластичности пройдет, последующие изменения не произойдут. В работе, проведенной со Стивеном Эстерли и Джоном Олсеном, он показал, что взрослые животные сохраняют пластичность, хотя и в меньшей степени, чем молодые животные. Слуховая карта звука взрослого человека более легко изменяется, если птица подвергалась воздействию аномальных стимулов в раннем возрасте, в период чувствительности. Это показывает, что мозг совы формирует функциональные связи во время раннего аномального опыта, которые могут быть активированы при возвращении аномальных стимулов.

Звуковая карта - ориентиры развития

Работа Кнудсена показала, что зрение является доминирующим чувством в изменении звуковой карты слуха. Бинокулярные смещающиеся призмы использовались для смещения визуального мира сов, что привело к соответствующему смещению звуковой карты. Разница между зрительным и слуховым опытом сов была примирена путем переинтерпретации слуховых сигналов, чтобы они соответствовали зрительным опытам, даже если визуальная информация была неверной, а слуховая - нет. Даже когда другие сенсорные данные указывают сове, что зрительный ввод вводит в заблуждение, этот ввод, по-видимому, вызывает врожденное доминирование над другими чувствами. У сов, выращенных с помощью смещающих призмов, эта постоянная зависимость от неточной информации особенно очевидна: Хотя взаимодействие с окружающей средой с самого начала жизни доказало совам, что их визуальное восприятие местоположения источника стимула неточно, они тем не менее используют зрение для калибровки локализации звука, что в этом случае приводит к грубой ошибке в локализации звука. Однако это доминирование имеет свои ограничения: в 1985 году Эрик Кнудсен и Филис Кнудсен провели исследование, которое показало, что зрение может изменить величину, но не признак слуховой ошибки. Хотя моноауралная окклюзия и визуальное смещение изменяют ассоциации между сенсорными сигналами и соответствующими пространственными местоположениями, существуют значительные различия в механизмах работы: Задача в [условиях моноауралной окклюзии] состоит в использовании зрения [ ] для назначения аномальных комбинаций значений сигналов в соответствующих местах в пространстве. В отличие от них, призма вызывает относительно последовательное смещение визуального пространства, оставляя слуховые сигналы по существу неизменными. Задача в этих условиях состоит в том, чтобы назначить нормальные диапазоны и комбинации значений сигналов для аномальных мест в пространстве.