tonotopia - Tonotopy
In fisiologia , la tonotopia (dal greco tono = frequenza e topos = luogo) è la disposizione spaziale in cui i suoni di diversa frequenza vengono elaborati nel cervello. I toni vicini l'uno all'altro in termini di frequenza sono rappresentati in regioni topologicamente vicine nel cervello. Le mappe tonotopiche sono un caso particolare di organizzazione topografica , simile alla retinotopia nel sistema visivo.
La tonotopia nel sistema uditivo inizia dalla coclea , la piccola struttura a forma di lumaca nell'orecchio interno che invia informazioni sul suono al cervello. Diverse regioni della membrana basilare nella organo del Corti , la porzione sensibile al suono della coclea, vibrare a frequenze diverse sinusoidali dovuti a variazioni di spessore e larghezza lungo la lunghezza della membrana. I nervi che trasmettono informazioni da diverse regioni della membrana basilare codificano quindi la frequenza tonotopicamente. Questa tonotopia quindi proietta attraverso il nervo vestibolococleare e le strutture associate del mesencefalo alla corteccia uditiva primaria attraverso il percorso delle radiazioni uditive. In tutta questa radiazione, l'organizzazione è lineare rispetto al posizionamento sull'organo di Corti, secondo la migliore risposta in frequenza (cioè la frequenza alla quale quel neurone è più sensibile) di ciascun neurone. Tuttavia, la fusione binaurale nel complesso olivare superiore in poi aggiunge quantità significative di informazioni codificate nella forza del segnale di ciascun ganglio. Pertanto, il numero di mappe tonotopiche varia tra le specie e il grado di sintesi binaurale e separazione delle intensità sonore; nell'uomo sono state identificate sei mappe tonotopiche nella corteccia uditiva primaria.
Storia
La prima prova dell'organizzazione tonotopica nella corteccia uditiva è stata indicata da Vladimir E. Larionov in un articolo del 1899 intitolato "Sui centri musicali del cervello", che suggeriva che le lesioni in una traiettoria a forma di S portassero alla mancata risposta a toni di diverso frequenze. Negli anni '20 era stata descritta l'anatomia cocleare ed era stato introdotto il concetto di tonotopicità. A quel tempo, il biofisico ungherese Georg von Békésy iniziò un'ulteriore esplorazione della tonotopia nella corteccia uditiva. Békésy ha misurato l'onda di viaggio cocleare aprendo ampiamente la coclea e utilizzando una luce stroboscopica e un microscopio per osservare visivamente il movimento su un'ampia varietà di animali tra cui cavia, pollo, topo, ratto, mucca, elefante e osso temporale umano. È importante sottolineare che Békésy ha scoperto che diverse frequenze sonore causavano il verificarsi di ampiezze d'onda massime in punti diversi lungo la membrana basilare lungo la bobina della coclea, che è il principio fondamentale della tonotopia. Békésy è stato insignito del Premio Nobel per la fisiologia o la medicina per il suo lavoro. Nel 1946, al Johns Hopkins Hospital, ebbe luogo la prima dimostrazione dal vivo dell'organizzazione tonotopica nella corteccia uditiva. Più di recente, i progressi tecnologici hanno permesso ai ricercatori di mappare l'organizzazione tonotopica in soggetti umani sani utilizzando dati elettroencefalografici (EEG) e magnetoencefalografici (MEG). Mentre la maggior parte degli studi sull'uomo concorda sull'esistenza di una mappa del gradiente tonotopico in cui le basse frequenze sono rappresentate lateralmente e le alte frequenze sono rappresentate medialmente attorno al giro di Heschl , una mappa più dettagliata nella corteccia uditiva umana non è ancora saldamente stabilita a causa di limitazioni metodologiche
Meccanismi sensoriali
Sistema nervoso periferico
Coclea
L'organizzazione tonotopica nella coclea si forma durante lo sviluppo pre e postnatale attraverso una serie di cambiamenti che si verificano in risposta a stimoli uditivi. La ricerca suggerisce che l'istituzione prenatale dell'organizzazione tonotopica è parzialmente guidata dalla riorganizzazione sinaptica; tuttavia, studi più recenti hanno dimostrato che i primi cambiamenti e perfezionamenti si verificano sia a livello del circuito che a livello subcellulare. Nei mammiferi, dopo che l'orecchio interno è completamente sviluppato, la mappa tonotopica viene quindi riorganizzata per accogliere frequenze più alte e più specifiche. La ricerca ha suggerito che il recettore guanilil ciclasi Npr2 è vitale per l'organizzazione precisa e specifica di questa tonotopia. Ulteriori esperimenti hanno dimostrato un ruolo conservato di Sonic Hedgehog che emana dalla notocorda e dalla piastra del pavimento nello stabilire l'organizzazione tonotopica durante lo sviluppo iniziale. È questa corretta organizzazione tonotopica delle cellule ciliate nella coclea che consente la corretta percezione della frequenza come tono corretto.
Organizzazione strutturale
Nella coclea , il suono crea un'onda viaggiante che si sposta dalla base all'apice, aumentando di ampiezza mentre si muove lungo un asse tonotopico nella membrana basilare (BM). Questa onda di pressione viaggia lungo il BM della coclea fino a raggiungere un'area che corrisponde alla sua massima frequenza di vibrazione; questo viene quindi codificato come passo. I suoni ad alta frequenza stimolano i neuroni alla base della struttura e i suoni a frequenza più bassa stimolano i neuroni all'apice. Questo rappresenta l'organizzazione tonotopica cocleare. Ciò si verifica perché le proprietà meccaniche del BM sono graduate lungo un asse tonotopico; questo trasmette frequenze distinte alle cellule ciliate (cellule meccanosensoriali che amplificano le vibrazioni cocleari e inviano informazioni uditive al cervello), stabilendo potenziali recettori e, di conseguenza, sintonizzazione di frequenza. Ad esempio, il BM aumenta di rigidità verso la sua base.
Meccanismi di tonotopia cocleare
Si ritiene che i fasci di capelli, o "l'antenna meccanica" delle cellule ciliate , siano particolarmente importanti nella tonotopia cocleare. La morfologia dei fasci di capelli probabilmente contribuisce al gradiente di BM. La posizione tonotopica determina la struttura dei fasci di capelli nella coclea. L'altezza dei fasci di capelli aumenta dalla base all'apice e il numero di stereociglia diminuisce (cioè le cellule ciliate situate alla base della coclea contengono più stereociglia di quelle situate all'apice).
Inoltre, nel complesso tip-link delle cellule ciliate cocleari, la tonotopia è associata a gradienti di proprietà meccaniche intrinseche. Nel fascio di capelli, le molle di iniezione determinano la probabilità di apertura dei canali di trasduzione ionica meccanoelettrica: a frequenze più elevate, queste molle elastiche sono soggette a maggiore rigidità e tensione meccanica nei collegamenti di punta delle cellule ciliate. Ciò è enfatizzato dalla divisione del lavoro tra le cellule ciliate esterne ed interne, in cui i gradienti meccanici per le cellule ciliate esterne (responsabili dell'amplificazione dei suoni a frequenza più bassa) hanno rigidità e tensione maggiori.
La tonotopia si manifesta anche nelle proprietà elettrofisiche della trasduzione. L'energia sonora viene tradotta in segnali neurali attraverso la trasduzione meccanoelettrica. L'entità della corrente di trasduzione di picco varia con la posizione tonotopica. Ad esempio, le correnti sono maggiori in posizioni ad alta frequenza come la base della coclea. Come notato sopra, le cellule ciliate cocleari basali hanno più stereociglia, fornendo così più canali e correnti più grandi. La posizione tonotopica determina anche la conduttanza dei singoli canali di trasduzione. I singoli canali delle cellule ciliate basali conducono più corrente rispetto a quelli delle cellule ciliate apicali.
Infine, l'amplificazione del suono è maggiore nelle regioni basali rispetto alle regioni cocleari apicali perché le cellule ciliate esterne esprimono la proteina motoria prestin, che amplifica le vibrazioni e aumenta la sensibilità delle cellule ciliate esterne ai suoni più bassi.
Sistema nervoso centrale
Corteccia
La frequenza audio, altrimenti nota come altezza, è attualmente l'unica caratteristica del suono che è nota con certezza per essere mappata topograficamente nel sistema nervoso centrale. Tuttavia, altre caratteristiche possono formare mappe simili nella corteccia come l'intensità del suono, la larghezza di banda di sintonizzazione o la velocità di modulazione, ma queste non sono state studiate altrettanto bene.
Nel mesencefalo esistono due vie uditive primarie alla corteccia uditiva: la via uditiva classica lemniscale e la via uditiva non classica extralemniscale. La via uditiva classica lemniscale è organizzata tonotopicamente e consiste nel nucleo centrale del collicolo inferiore e nel corpo genicolato mediale ventrale che si proietta nelle aree primarie della corteccia uditiva. La corteccia uditiva non primaria riceve input dalla via uditiva extralemniscale non classica, che mostra un'organizzazione di frequenza diffusa.
L'organizzazione tonotopica della corteccia uditiva è stata ampiamente esaminata ed è quindi meglio compresa rispetto ad altre aree della via uditiva. La tonotopia della corteccia uditiva è stata osservata in molte specie animali tra cui uccelli, roditori, primati e altri mammiferi. Nei topi, è stato scoperto che quattro sottoregioni della corteccia uditiva mostrano un'organizzazione tonotopica. È stato scoperto che la sottoregione A1 divisa in modo classico è in realtà due regioni tonopiche distinte: A1 e il campo dorsomediale (DM). La regione della corteccia uditiva A2 e il campo dell'audiotria anteriore (AAF) hanno entrambi mappe tonotopiche che decorrono dorsoventralmente. Le altre due regioni della corteccia uditiva del topo, il campo dorsoanteriore (DA) e il campo dorsoposteriore (DP) sono non tonotopiche. Sebbene i neuroni in queste regioni non tonotopiche abbiano una frequenza caratteristica, sono disposti in modo casuale.
Gli studi che utilizzano primati non umani hanno generato un modello gerarchico di organizzazione corticale uditiva costituito da un nucleo allungato costituito da tre campi tonotopici back-to-back: il campo uditivo primario A1, il campo rostrale R e il campo temporale rostrale RT. Queste regioni sono circondate da regioni di cintura (secondarie) e da campi di parabelt di ordine superiore. A1 mostra un gradiente di frequenza da alto a basso nella direzione posteriore-anteriore; R mostra un gradiente inverso con frequenze caratteristiche dal basso all'alto nella direzione posteriore-anteriore. RT ha un gradiente meno chiaramente organizzato dalle alte frequenze alle basse frequenze. Questi modelli tonotopici primari si estendono continuamente nelle aree di cintura circostanti.
L'organizzazione tonotopica nella corteccia uditiva umana è stata studiata utilizzando una varietà di tecniche di imaging non invasive tra cui magneto ed elettroencefalografia ( MEG / EEG ), tomografia a emissione di positroni ( PET ) e risonanza magnetica funzionale ( fMRI ). La mappa tonotopica primaria nella corteccia uditiva umana è lungo il giro di Heschl (HG). Tuttavia, vari ricercatori hanno raggiunto conclusioni contrastanti sulla direzione del gradiente di frequenza lungo HG. Alcuni esperimenti hanno scoperto che la progressione tonotopica correva parallela lungo HG, mentre altri hanno scoperto che il gradiente di frequenza correva perpendicolarmente attraverso HG in direzione diagonale, formando una coppia di gradienti a forma di V angolata.
nei topi
Uno dei metodi consolidati per studiare il pattern tonotopico nella corteccia uditiva durante lo sviluppo è l'aumento del tono. Nella corteccia uditiva primaria del topo (A1), diversi neuroni rispondono a diverse gamme di frequenze con una particolare frequenza che suscita la risposta più ampia - questa è nota come la "frequenza migliore" per un dato neurone. L'esposizione dei cuccioli di topo a una particolare frequenza durante il periodo critico uditivo (dal 12 al 15 giorno postnatale) sposterà le "frequenze migliori" dei neuroni in A1 verso il tono di frequenza esposto.
Questi cambiamenti di frequenza in risposta a stimoli ambientali hanno dimostrato di migliorare le prestazioni nei compiti di comportamento percettivo nei topi adulti che sono stati allevati durante il periodo critico uditivo. L'apprendimento degli adulti e le manipolazioni sensoriali del periodo critico inducono cambiamenti comparabili nelle topografie corticali e, per definizione, l'apprendimento degli adulti si traduce in un aumento delle capacità percettive. Lo sviluppo tonotopico di A1 nei cuccioli di topo è quindi un fattore importante per comprendere le basi neurologiche dell'apprendimento uditivo.
Anche altre specie mostrano uno sviluppo tonotopico simile durante i periodi critici. Lo sviluppo tonotopico del ratto è quasi identico al topo, ma il periodo critico viene spostato leggermente prima e i barbagianni mostrano uno sviluppo uditivo analogo nelle differenze di tempo interaurali (ITD).
Plasticità del periodo critico uditivo
Il periodo critico uditivo dei ratti, che dura dal giorno 11 postnatale (P11) al P13, può essere esteso attraverso esperimenti di privazione come l'allevamento del rumore bianco. È stato dimostrato che sottoinsiemi della mappa tonotopica in A1 possono essere mantenuti in uno stato plastico indefinitamente esponendo i ratti a rumore bianco costituito da frequenze all'interno di un particolare intervallo determinato dallo sperimentatore. Ad esempio, l'esposizione di un ratto durante il periodo critico uditivo a rumore bianco che include frequenze di tono comprese tra 7 kHz e 10 kHz manterrà i neuroni corrispondenti in uno stato plastico ben oltre il tipico periodo critico: uno studio ha mantenuto questo stato plastico fino a quando i ratti non sono stati 90 giorni di vita. Recenti studi hanno anche scoperto che il rilascio del neurotrasmettitore noradrenalina è necessario per la plasticità del periodo critico nella corteccia uditiva, tuttavia lo schema tonotopico intrinseco dei circuiti corticali uditivi si verifica indipendentemente dal rilascio di noradrenalina. Un recente studio sulla tossicità ha mostrato che l'esposizione in utero e postnatale al policlorobifenile (PCB) alterava l'organizzazione complessiva della corteccia uditiva primaria (A1), inclusa la tonotopia e la topografia A1. L'esposizione precoce al PCB ha anche modificato l'equilibrio degli input eccitatori e inibitori, che hanno alterato la capacità della corteccia uditiva di riorganizzarsi plasticamente dopo i cambiamenti nell'ambiente acustico, alterando così il periodo critico della plasticità uditiva.
Plasticità adulta
Gli studi sull'A1 maturo si sono concentrati sulle influenze neuromodulatorie e hanno scoperto che la stimolazione diretta e indiretta del nervo vago, che innesca il rilascio del neuromodulatore, promuove la plasticità uditiva degli adulti. È stato dimostrato che la segnalazione colinergica coinvolge l'attività delle cellule 5-HT3AR attraverso le aree corticali e facilita la plasticità uditiva degli adulti. Inoltre, è stato dimostrato che l'allenamento comportamentale che utilizza stimoli gratificanti o avversi, comunemente noti per coinvolgere afferenti colinergici e cellule 5-HT3AR, altera e sposta le mappe tonotopiche degli adulti.