Tonotopia - Tonotopy
En fisiología , la tonotopía (del griego tono = frecuencia y topos = lugar) es la disposición espacial donde se procesan los sonidos de diferente frecuencia en el cerebro. Los tonos cercanos entre sí en términos de frecuencia se representan en regiones topológicamente vecinas del cerebro. Los mapas tonotópicos son un caso particular de organización topográfica , similar a la retinotopía en el sistema visual.
La tonotopía en el sistema auditivo comienza en la cóclea , la pequeña estructura parecida a un caracol en el oído interno que envía información sobre el sonido al cerebro. Diferentes regiones de la membrana basilar en el órgano de Corti , la porción sensible al sonido de la cóclea, vibran a diferentes frecuencias sinusoidales debido a variaciones de grosor y ancho a lo largo de la membrana. Los nervios que transmiten información desde diferentes regiones de la membrana basilar codifican la frecuencia tonotópicamente. Esta tonotopía luego se proyecta a través del nervio vestibulococlear y las estructuras del mesencéfalo asociadas a la corteza auditiva primaria a través de la vía de radiación auditiva. A lo largo de esta radiación, la organización es lineal con relación a la ubicación en el órgano de Corti, de acuerdo con la mejor respuesta de frecuencia (es decir, la frecuencia a la que esa neurona es más sensible) de cada neurona. Sin embargo, la fusión binaural en el complejo olivar superior en adelante agrega cantidades significativas de información codificada en la fuerza de la señal de cada ganglio. Así, el número de mapas tonotópicos varía entre especies y el grado de síntesis binaural y separación de intensidades de sonido; en humanos, se han identificado seis mapas tonotópicos en la corteza auditiva primaria.
Historia
La evidencia más temprana de organización tonotópica en la corteza auditiva fue indicada por Vladimir E. Larionov en un artículo de 1899 titulado "Sobre los centros musicales del cerebro", que sugirió que las lesiones en una trayectoria en forma de S resultaban en una falla para responder a tonos de diferentes frecuencias. En la década de 1920, se describió la anatomía coclear y se introdujo el concepto de tonotopicidad. En ese momento, el biofísico húngaro Georg von Békésy comenzó a explorar más a fondo la tonotopía en la corteza auditiva. Békésy midió la onda viajera coclear abriendo ampliamente la cóclea y usando una luz estroboscópica y un microscopio para observar visualmente el movimiento en una amplia variedad de animales, incluidos cobayas, pollos, ratones, ratas, vacas, elefantes y huesos temporales humanos. Es importante destacar que Békésy descubrió que diferentes frecuencias de sonido provocaban que ocurrieran amplitudes de onda máximas en diferentes lugares a lo largo de la membrana basilar a lo largo de la bobina de la cóclea, que es el principio fundamental de la tonotopía. Békésy fue galardonado con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por su trabajo. En 1946, tuvo lugar la primera demostración en vivo de la organización tonotópica en la corteza auditiva en el Hospital Johns Hopkins. Más recientemente, los avances en tecnología han permitido a los investigadores mapear la organización tonotópica en sujetos humanos sanos utilizando datos electroencefalográficos (EEG) y magnetoencefalográficos (MEG). Si bien la mayoría de los estudios en humanos coinciden en la existencia de un mapa de gradiente tonotópico en el que las bajas frecuencias se representan lateralmente y las altas frecuencias se representan medialmente alrededor de la circunvolución de Heschl , aún no se ha establecido firmemente un mapa más detallado de la corteza auditiva humana debido a limitaciones metodológicas.
Mecanismos sensoriales
Sistema nervioso periférico
Cóclea
La organización tonotópica en la cóclea se forma a lo largo del desarrollo pre y posnatal a través de una serie de cambios que ocurren en respuesta a estímulos auditivos. Las investigaciones sugieren que el establecimiento prenatal de la organización tonotópica está parcialmente guiado por la reorganización sináptica; sin embargo, estudios más recientes han demostrado que los primeros cambios y refinamientos ocurren tanto en el circuito como en el nivel subcelular. En los mamíferos, una vez que el oído interno está completamente desarrollado, el mapa tonotópico se reorganiza para adaptarse a frecuencias más altas y más específicas. La investigación ha sugerido que el receptor guanilil ciclasa Npr2 es vital para la organización precisa y específica de esta tonotopía. Otros experimentos han demostrado un papel conservado de Sonic Hedgehog que emana de la notocorda y la placa del piso en el establecimiento de la organización tonotópica durante el desarrollo temprano. Es esta organización tonotópica adecuada de las células ciliadas en la cóclea la que permite la percepción correcta de la frecuencia como el tono adecuado.
Organización estructural
En la cóclea , el sonido crea una onda viajera que se mueve desde la base hasta el ápice, aumentando en amplitud a medida que se mueve a lo largo de un eje tonotópico en la membrana basilar (BM). Esta onda de presión viaja a lo largo del BM de la cóclea hasta alcanzar un área que corresponde a su frecuencia máxima de vibración; esto luego se codifica como tono. Los sonidos de alta frecuencia estimulan las neuronas en la base de la estructura y los sonidos de baja frecuencia estimulan las neuronas en el ápice. Esto representa la organización tonotópica coclear. Esto ocurre porque las propiedades mecánicas del BM se clasifican a lo largo de un eje tonotópico; esto transmite distintas frecuencias a las células ciliadas (células mecanosensoriales que amplifican las vibraciones cocleares y envían información auditiva al cerebro), estableciendo potenciales receptores y, en consecuencia, sintonizando la frecuencia. Por ejemplo, el BM aumenta en rigidez hacia su base.
Mecanismos de tonotopia coclear
Se cree que los haces de pelo, o la “antena mecánica” de las células ciliadas , son particularmente importantes en la tonotopía coclear. Es probable que la morfología de los mechones de cabello contribuya al gradiente de BM. La posición tonotópica determina la estructura de los mechones de cabello en la cóclea. La altura de los haces de cabello aumenta desde la base hasta el ápice y el número de estereocilios disminuye (es decir, las células ciliadas ubicadas en la base de la cóclea contienen más estereocilios que las ubicadas en el ápice).
Además, en el complejo tip-link de las células ciliadas cocleares, la tonotopía se asocia con gradientes de propiedades mecánicas intrínsecas. En el mechón de cabello, los resortes de compuerta determinan la probabilidad de apertura de los canales de transducción de iones mecanoeléctricos: a frecuencias más altas, estos resortes elásticos están sujetos a una mayor rigidez y una mayor tensión mecánica en los enlaces de las puntas de las células ciliadas. Esto se enfatiza por la división del trabajo entre las células ciliadas externas e internas, en las que los gradientes mecánicos de las células ciliadas externas (responsables de la amplificación de los sonidos de baja frecuencia) tienen mayor rigidez y tensión.
La tonotopía también se manifiesta en las propiedades electrofísicas de la transducción. La energía del sonido se traduce en señales neuronales a través de la transducción mecanoeléctrica. La magnitud de la corriente de transducción máxima varía con la posición tonotópica. Por ejemplo, las corrientes son mayores en posiciones de alta frecuencia como la base de la cóclea. Como se señaló anteriormente, las células ciliadas cocleares basales tienen más estereocilios, lo que proporciona más canales y corrientes más grandes. La posición tonotópica también determina la conductancia de los canales de transducción individuales. Los canales individuales de las células ciliadas basales conducen más corriente que los de las células ciliadas apicales.
Por último, la amplificación del sonido es mayor en las regiones cocleares basales que en las apicales porque las células ciliadas externas expresan la proteína motora prestina, que amplifica las vibraciones y aumenta la sensibilidad de las células ciliadas externas a los sonidos más bajos.
Sistema nervioso central
Corteza
La frecuencia de audio, también conocida como tono, es actualmente la única característica del sonido que se sabe con certeza que está cartografiada topográficamente en el sistema nervioso central. Sin embargo, otras características pueden formar mapas similares en la corteza, como la intensidad del sonido, el ancho de banda de sintonización o la tasa de modulación, pero estos no han sido tan bien estudiados.
En el mesencéfalo, existen dos vías auditivas primarias hacia la corteza auditiva: la vía auditiva clásica lemniscal y la vía auditiva extralemniscal no clásica. La vía auditiva clásica lemniscal está organizada tonotópicamente y consta del núcleo central del colículo inferior y el cuerpo geniculado medial ventral que se proyecta hacia áreas primarias en la corteza auditiva. La corteza auditiva no primaria recibe entradas de la vía auditiva extralemniscal no clásica, que muestra una organización de frecuencia difusa.
La organización tonotópica de la corteza auditiva se ha examinado ampliamente y, por lo tanto, se comprende mejor en comparación con otras áreas de la vía auditiva. Se ha observado tonotopía de la corteza auditiva en muchas especies animales, incluidas aves, roedores, primates y otros mamíferos. En ratones, se ha encontrado que cuatro subregiones de la corteza auditiva exhiben organización tonotópica. Se ha descubierto que la subregión A1, dividida en forma clásica, consta de dos regiones tonoópicas distintas: A1 y el campo dorsomedial (DM). La región de la corteza auditiva A2 y el campo auditivo anterior (AAF) tienen mapas tonotópicos que se ejecutan dorsoventralmente. Las otras dos regiones de la corteza auditiva del ratón, el campo dorsoanterior (DA) y el campo dorsoposterior (DP) no son tonotópicas. Si bien las neuronas en estas regiones no tonotópicas tienen una frecuencia característica, están ordenadas al azar.
Los estudios que utilizaron primates no humanos han generado un modelo jerárquico de organización cortical auditiva que consta de un núcleo alargado que consta de tres campos tonotópicos consecutivos: el campo auditivo primario A1, el campo rostral R y el campo temporal rostral RT. Estas regiones están rodeadas por regiones de campos de cinturón (secundarias) y campos de parabelt de orden superior. A1 exhibe un gradiente de frecuencia de mayor a menor en la dirección posterior a anterior; R exhibe un gradiente inverso con frecuencias características de bajo a alto en la dirección posterior a anterior. RT tiene un gradiente menos claramente organizado desde las frecuencias altas hasta las bajas. Estos patrones tonotópicos primarios se extienden continuamente a las áreas circundantes del cinturón.
La organización tonotópica en la corteza auditiva humana se ha estudiado utilizando una variedad de técnicas de imágenes no invasivas que incluyen magneto y electroencefalografía ( MEG / EEG ), tomografía por emisión de positrones ( PET ) y resonancia magnética funcional ( fMRI ). El mapa tonotópico primario en la corteza auditiva humana se encuentra a lo largo de la circunvolución de Heschl (HG). Sin embargo, varios investigadores han llegado a conclusiones contradictorias sobre la dirección del gradiente de frecuencia a lo largo de HG. Algunos experimentos encontraron que la progresión tonotópica corría paralela a lo largo de HG, mientras que otros encontraron que el gradiente de frecuencia corría perpendicularmente a través de HG en una dirección diagonal, formando un par de gradientes en forma de V en ángulo.
En ratones
Uno de los métodos bien establecidos para estudiar los patrones tonotópicos en la corteza auditiva durante el desarrollo es la crianza del tono. En la corteza auditiva primaria (A1) de ratón , diferentes neuronas responden a diferentes rangos de frecuencias con una frecuencia particular que provoca la respuesta más grande; esto se conoce como la "mejor frecuencia" para una neurona determinada. La exposición de crías de ratón a una frecuencia particular durante el período crítico auditivo (día 12 a 15 postnatal) cambiará las "mejores frecuencias" de las neuronas en A1 hacia el tono de frecuencia expuesta.
Se ha demostrado que estos cambios de frecuencia en respuesta a estímulos ambientales mejoran el rendimiento en tareas de comportamiento perceptivo en ratones adultos que fueron criados por tonos durante el período crítico auditivo. El aprendizaje de los adultos y las manipulaciones sensoriales del período crítico inducen cambios comparables en las topografías corticales y, por definición, el aprendizaje de los adultos da como resultado una mayor capacidad de percepción. El desarrollo tonotópico de A1 en crías de ratón es, por tanto, un factor importante para comprender la base neurológica del aprendizaje auditivo.
Otras especies también muestran un desarrollo tonotópico similar durante períodos críticos. El desarrollo tonotópico de la rata es casi idéntico al del ratón, pero el período crítico se desplaza un poco antes, y las lechuzas comunes muestran un desarrollo auditivo análogo en las diferencias de tiempo interaurales (DTI).
Plasticidad del período crítico auditivo
El período crítico auditivo de las ratas, que dura desde el día 11 posnatal (P11) hasta P13, puede extenderse mediante experimentos de privación como la cría de ruido blanco. Se ha demostrado que los subconjuntos del mapa tonotópico en A1 pueden mantenerse en un estado plástico indefinidamente exponiendo a las ratas a ruido blanco que consiste en frecuencias dentro de un rango particular determinado por el experimentador. Por ejemplo, exponer una rata durante el período crítico auditivo a ruido blanco que incluye frecuencias de tono entre 7 kHz y 10 kHz mantendrá las neuronas correspondientes en un estado plástico mucho más allá del período crítico típico; un estudio ha retenido este estado plástico hasta que las ratas fueron 90 días de edad. Estudios recientes también han encontrado que la liberación del neurotransmisor norepinefrina es necesaria para la plasticidad del período crítico en la corteza auditiva, sin embargo, el patrón tonotópico intrínseco del circuito cortical auditivo ocurre independientemente de la liberación de norepinefrina. Un estudio de toxicidad reciente mostró que la exposición intrauterina y posnatal al bifenilo policlorado (PCB) alteró la organización general de la corteza auditiva primaria (A1), incluida la tonotopía y la topografía A1. La exposición temprana a PCB también cambió el equilibrio de las entradas excitadoras e inhibitorias, lo que alteró la capacidad de la corteza auditiva para reorganizarse plásticamente después de cambios en el ambiente acústico, alterando así el período crítico de plasticidad auditiva.
Plasticidad adulta
Los estudios en A1 maduro se han centrado en las influencias neuromoduladoras y han descubierto que la estimulación directa e indirecta del nervio vago, que desencadena la liberación del neuromodulador, promueve la plasticidad auditiva adulta. Se ha demostrado que la señalización colinérgica activa la actividad de las células 5-HT3AR en las áreas corticales y facilita la plasticidad auditiva de los adultos. Además, también se ha demostrado que el entrenamiento conductual que utiliza estímulos gratificantes o aversivos, comúnmente conocidos por involucrar a aferentes colinérgicos y células 5-HT3AR, altera y cambia los mapas tonotópicos adultos.