Так же, как мы визуально отображаем комнату, пространственно идентифицируя в ней объекты, мы картируем наш слуховой мир на основе частот звуков. Нейроны в головном мозге "слуховой центр" — слуховая кора – организована в модули, каждый из которых реагирует на звуки в определенной полосе частот. Но как на самом деле реакции исходят от этой сложной сети нейронов, все еще остается загадкой.
Команда ученых под руководством Энтони Задора, М.D., Ph.D., Профессор и председатель программы неврологии в лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL) подошли на шаг ближе к разгадке этой загадки. Ученые выяснили, как функциональная связь между нейронами в слуховой коре приводит к возникновению "карта" акустического пространства.
"То, что мы узнали из этого подхода, позволило нам изучить и понять, как звуковая реакция возникает из основных цепей слуховой коры," говорит Задор. Результаты его команды появятся в Интернете перед печатью 17 октября в журнале Nature Neuroscience.
Нейронная организация в слуховой коре принципиально отличается от организации в областях мозга, которые обрабатывают сенсорные данные, такие как зрение и ощущения. Например, относительное пространственное расположение рецепторов зрения в сетчатке (светочувствительной внутренней поверхности глаза) непосредственно представлено как двумерное "ретинотопный" карта в зрительной коре головного мозга.
Однако в слуховой системе организация звуковых рецепторов в улитке ?? структура улитки в ухе ?? одномерный. Рецепторы улитки около внешнего края распознают низкочастотные звуки, тогда как рецепторы около внутренней части улитки настроены на более высокие частоты. Это распределение от низкого к высокому, называемое тонотопией, сохраняется вдоль одного измерения в слуховой коре, при этом нейроны настроены на высокие и низкие частоты, расположенные в градиенте от головы к хвосту.
"Поскольку звук по своей сути является одномерным сигналом, в отличие от сигналов для других органов чувств, таких как зрение и ощущение, которые по своей сути двумерны, звуковая карта в слуховой коре также по своей сути одномерна," объясняет Задор. "Это означает, что существует функциональная разница в кортикальной карте между направлением от низкого к высокому и направлением, перпендикулярным ему. Однако никто не смог понять, как это различие возникает из-за лежащих в основе нейронных цепей."
Чтобы ответить на этот вопрос, Задор и доктор наук Хизелл Овьедо сравнили активность нейронов в срезах мозга мышей, которые были разрезаны для сохранения связности вдоль тонотопической оси, с нейронной активностью. активность в срезах, разрезанных перпендикулярно к нему.
Чтобы точно стимулировать отдельный нейрон в срезе и записывать с него данные, Овьедо и Задор, работая в сотрудничестве с бывшими учеными CSHL Карелом Свободой и Ингрид Бюро, использовали мощный инструмент, называемый фотостимуляцией с лазерным сканированием. Этот метод позволяет построить подробное изображение с высоким разрешением, которое показывает положение, силу и количество входов, сходящихся на одном нейроне в пределах среза.
"Если бы вы провели этот эксперимент в зрительной коре, вы бы увидели, что связь одинакова, независимо от того, каким образом вы разрезаете срез," объясняет Овьедо. "Но в наших экспериментах на срезах слуховой коры мы обнаружили качественную разницу в связности между срезами, разрезанными вдоль тонотопической оси, и. те, разрезанные перпендикулярно к нему."
Было еще более поразительное отклонение от зрительной коры головного мозга и, предположительно, от других областей коры. Как продемонстрировало открытие, получившее Нобелевскую премию в 1962 году, в зрительной коре нейроны, которые имеют один и тот же источник ввода (или реагируют на один и тот же сигнал), организованы в столбцы. Как выразился Овьедо, "все нейроны в пределах столбца в вертикальной коре головного мозга настроены на одно и то же положение в пространстве и с большей вероятностью будут общаться с другими нейронами из того же столбца."
Аналогичным образом ожидается, что в слуховой коре нейроны внутри столбца будут настроены на одну и ту же частоту. Поэтому ученые были особенно удивлены, обнаружив, что для данного нейрона в этой области доминирующий входной сигнал исходит не изнутри его столбца, а извне.
"Он исходит от нейронов, которые, как мы думаем, настроены на более высокие частоты," уточняет Задор. "Это первый пример принципа организации нейронов, который не следует столбчатому шаблону, а скорее шаблону вне столбцов." Обнаружение этого неожиданного источника информации вне столбца для нейрона в слуховом комплексе добавляет новый поворот в их исследования, которые сосредоточены на понимании слуховой функции с точки зрения основных схем и того, как она изменяется при таких расстройствах, как аутизм.
"В этом исследовании мы вышли за рамки концептуального представления о функциональной разнице между двумя осями и фактически нашли корреляты для этой разницы на уровне нейронных микросхем в этой области," он объясняет.