Wissenschaftler verstehen näher, wie das „Hörzentrum“des Gehirns Reaktionen auf Geräusche auslöst

Wissenschaftler verstehen näher, wie das „Hörzentrum“des Gehirns Reaktionen auf Geräusche auslöst
Wissenschaftler verstehen näher, wie das „Hörzentrum“des Gehirns Reaktionen auf Geräusche auslöst
Anonim

So wie wir einen Raum visuell kartieren, indem wir die Objekte darin räumlich identifizieren, kartieren wir unsere akustische Welt basierend auf den Frequenzen von Geräuschen. Die Neuronen im „Hörzentrum“des Gehirns – dem Hörkortex – sind in Modulen organisiert, die jeweils auf Geräusche innerhalb eines bestimmten Frequenzbands reagieren. Aber wie Antworten tatsächlich von diesem komplexen Netzwerk von Neuronen ausgehen, ist immer noch ein Rätsel.

Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Anthony Zador, M.D., Ph.D., Professor und Vorsitzender des Neurowissenschaftsprogramms am Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL), ist der Lösung dieses Rätsels einen Schritt näher gekommen.Die Wissenschaftler untersuchten, wie die funktionelle Konnektivität zwischen Neuronen innerhalb des Hörkortex zu einer „Karte“des akustischen Raums führt.

"Was wir aus diesem Ansatz gelernt haben, hat uns in die Lage versetzt, zu untersuchen und zu verstehen, wie die Klangempfindlichkeit aus den zugrunde liegenden Sch altkreisen des auditiven Kortex entsteht", sagt Zador. Die Ergebnisse seines Teams erscheinen vor dem Druck am 17. Oktober online in Nature Neuroscience.

Die neuronale Organisation innerhalb des auditiven Kortex unterscheidet sich grundlegend von der Organisation innerhalb von Gehirnregionen, die sensorische Eingaben wie Sehen und Empfinden verarbeiten. Beispielsweise wird die relative räumliche Anordnung der Sehrezeptoren in der Netzhaut (der lichtempfindlichen Innenfläche der Augen) direkt als zweidimensionale „retinotopische“Karte im visuellen Kortex des Gehirns dargestellt.

Im Hörsystem hingegen ist die Organisation der Schallrezeptoren in der Cochlea - dem schneckenartigen Gebilde im Ohr - eindimensional.Cochlea-Rezeptoren in der Nähe des äußeren Randes erkennen niederfrequente Töne, während diejenigen in der Nähe der Innenseite der Cochlea auf höhere Frequenzen abgestimmt sind. Diese als „Tonotopie“bezeichnete Verteilung von niedrig nach hoch bleibt entlang einer Dimension im Hörkortex erh alten, wobei Neuronen auf hohe und niedrige Frequenzen abgestimmt sind und in einem Kopf-Schwanz-Gefälle angeordnet sind.

"Da Geräusche von Natur aus ein eindimensionales Signal sind, im Gegensatz zu Signalen für andere Sinne wie Sehen und Empfinden, die von Natur aus zweidimensional sind, ist die Schallkarte im Hörkortex ebenfalls von Natur aus eindimensional", erklärt Zador. „Das bedeutet, dass es einen funktionellen Unterschied in der kortikalen Karte zwischen der Richtung von niedrig nach hoch und der Richtung senkrecht dazu gibt. Allerdings konnte niemand verstehen, wie dieser Unterschied aus den zugrunde liegenden neuronalen Sch altkreisen entsteht.“

Um diese Frage zu beantworten, verglichen Zador und der Postdoktorand Hysell Oviedo die neuronale Aktivität in Gehirnschnitten von Mäusen, die geschnitten wurden, um die Konnektivität entlang der tonotopischen Achse zu erh alten, mit der Aktivität in Schnitten, die senkrecht dazu geschnitten wurden.

Um ein einzelnes Neuron innerhalb eines Schnitts präzise zu stimulieren und davon aufzuzeichnen, verwendeten Oviedo und Zador in Zusammenarbeit mit den ehemaligen CSHL-Wissenschaftlern Karel Svoboda und Ingrid Bureau ein leistungsstarkes Werkzeug namens Laser-Scanning-Photostimulation. Diese Methode ermöglicht die Konstruktion eines detaillierten, hochauflösenden Bildes, das die Position, Stärke und Anzahl der Eingänge zeigt, die auf ein einzelnes Neuron innerhalb eines Schnitts zusammenlaufen.

"Wenn Sie dieses Experiment im visuellen Kortex durchführen würden, würden Sie sehen, dass die Konnektivität gleich ist, unabhängig davon, wie Sie die Scheibe schneiden", erklärt Oviedo. "Aber in unseren Experimenten in den Gehörrindenschnitten fanden wir heraus, dass es einen qualitativen Unterschied in der Konnektivität zwischen Schnitten entlang der tonotopischen Achse und denen gab, die senkrecht dazu geschnitten wurden."

Es gab eine noch auffälligere Abweichung vom visuellen Kortex - und vermutlich den anderen kortikalen Regionen. Wie eine mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Entdeckung aus dem Jahr 1962 zeigt, sind im visuellen Kortex die Neuronen, die dieselbe Eingangsquelle teilen (oder auf dasselbe Signal reagieren), in Sp alten organisiert.Wie Oviedo es ausdrückt, „sind alle Neuronen innerhalb einer Sp alte im vertikalen Kortex auf die gleiche Position im Raum abgestimmt und kommunizieren eher mit anderen Neuronen innerhalb derselben Sp alte.“

Analog wird im Hörkortex erwartet, dass Neuronen innerhalb einer Sp alte auf die gleiche Frequenz abgestimmt sind. Daher waren die Wissenschaftler besonders überrascht, als sie feststellten, dass für ein bestimmtes Neuron in dieser Region das dominante Eingangssignal nicht von innerhalb seiner Säule, sondern von außerhalb kam.

"Es kommt von Neuronen, von denen wir glauben, dass sie auf höhere Frequenzen eingestellt sind", erläutert Zador. "Dies ist das erste Beispiel dafür, dass das neuronale Organisationsprinzip nicht dem Säulenmuster folgt, sondern einem Out-of-Column-Muster." Die Entdeckung dieser unerwarteten Informationsquelle außerhalb der Sp alte für ein Neuron im Hörkomplex verleiht ihrer Forschung eine neue Wendung, die sich auf das Verständnis der Hörfunktion in Bezug auf die zugrunde liegenden Sch altkreise und darauf konzentriert, wie diese bei Störungen wie Autismus verändert werden.

"Mit dieser Studie sind wir über eine konzeptionelle Vorstellung des funktionellen Unterschieds zwischen den beiden Achsen hinausgegangen, indem wir tatsächlich Korrelate für diesen Unterschied auf der Ebene der neuronalen Mikrosch altkreise in dieser Region gefunden haben", erklärt er.

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