En fisiología , la tonotopía (del griego tono = frecuencia y topos = lugar) es la disposición espacial de los lugares 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 en el 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 con forma de 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 las variaciones en el grosor y el ancho a lo largo de la membrana. Por lo tanto, los nervios que transmiten información desde diferentes regiones de la membrana basilar codifican la frecuencia tonotópicamente.
Esta tonotopía se proyecta luego a través del nervio vestibulococlear y las estructuras asociadas del mesencéfalo hasta 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 intensidad de la señal de cada ganglio. Por lo tanto, 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. [1]
La evidencia más temprana de la 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 sugería que las lesiones en una trayectoria en forma de S resultaban en una incapacidad para responder a tonos de diferentes frecuencias. [2] En la década de 1920, se había descrito la anatomía coclear y se había introducido el concepto de tonotopicidad. [3] En esta época, 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 utilizando 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 el hueso temporal humano. [4] Es importante destacar que Békésy descubrió que las diferentes frecuencias de sonido causaban que las amplitudes de onda máximas se produjeran en diferentes lugares a lo largo de la membrana basilar a lo largo de la espiral de la cóclea, lo que constituye el principio fundamental de la tonotopía. Békésy recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por su trabajo.
En 1946, la primera demostración en vivo de la organización tonotópica en la corteza auditiva se produjo en el Hospital Johns Hopkins. [5] Más recientemente, los avances en la 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 frecuencias bajas se representan lateralmente y las frecuencias altas se representan medialmente alrededor del giro de Heschl , aún no se ha establecido firmemente un mapa más detallado en la corteza auditiva humana debido a limitaciones metodológicas [6].
La organización tonotópica en la cóclea se forma a lo largo del desarrollo pre y postnatal a través de una serie de cambios que ocurren en respuesta a estímulos auditivos. [7] La investigación sugiere que el establecimiento prenatal de la organización tonotópica está parcialmente guiado por la reorganización sináptica; sin embargo, estudios más recientes han demostrado que los cambios y refinamientos tempranos ocurren tanto a nivel de circuito como subcelular. [8] En los mamíferos, una vez que el oído interno está completamente desarrollado, el mapa tonotópico se reorganiza para acomodar frecuencias más altas y específicas. [9] La investigación ha sugerido que el receptor guanilil ciclasa Npr2 es vital para la organización precisa y específica de esta tonotopía. [10] Experimentos posteriores han demostrado un papel conservado del Sonic Hedgehog que emana de la notocorda y la placa del piso en el establecimiento de la organización tonotópica durante el desarrollo temprano. [11] Es esta organización tonotópica adecuada de las células ciliadas en la cóclea lo que permite la percepción correcta de la frecuencia como el tono adecuado. [12]
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 (MB). [13] Esta onda de presión viaja a lo largo de la MB de la cóclea hasta que alcanza un área que corresponde a su frecuencia máxima de vibración; esto luego se codifica como tono. [13] Los sonidos de alta frecuencia estimulan las neuronas en la base de la estructura y los sonidos de frecuencia más baja estimulan las neuronas en el ápice. [13] Esto representa la organización tonotópica coclear. Esto ocurre porque las propiedades mecánicas de la MB se gradúan a lo largo de un eje tonotópico; esto transmite frecuencias distintas a las células ciliadas (células mecanosensoriales que amplifican las vibraciones cocleares y envían información auditiva al cerebro), estableciendo potenciales receptores y, en consecuencia, sintonización de frecuencia. [13] Por ejemplo, la MB aumenta en rigidez hacia su base.
Se cree que los haces de pelos, o la “antena mecánica” de las células ciliadas , son particularmente importantes en la tonotopía coclear. [13] La morfología de los haces de pelos probablemente contribuye al gradiente de BM. La posición tonotópica determina la estructura de los haces de pelos en la cóclea. [14] La altura de los haces de pelos 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). [14]
Además, en el complejo de enlaces de punta de las células ciliadas cocleares, la tonotopía está asociada con gradientes de propiedades mecánicas intrínsecas. [15] En el haz de pelos, 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 mayor rigidez y mayor tensión mecánica en los enlaces de punta de las células ciliadas. [14] Esto se enfatiza por la división del trabajo entre las células ciliadas externas e internas, en las que los gradientes mecánicos para las células ciliadas externas (responsables de la amplificación de sonidos de frecuencia más baja) tienen mayor rigidez y tensión. [15]
La tonotopía también se manifiesta en las propiedades electrofísicas de la transducción. [15] La energía del sonido se traduce en señales neuronales a través de la transducción mecanoeléctrica. La magnitud de la corriente de transducción pico varía con la posición tonotópica. Por ejemplo, las corrientes son mayores en posiciones de alta frecuencia, como la base de la cóclea. [16] Como se señaló anteriormente, las células ciliadas cocleares basales tienen más estereocilios, lo que proporciona más canales y corrientes más grandes. [16] La posición tonotópica también determina la conductancia de los canales de transducción individuales. Los canales individuales en las células ciliadas basales conducen más corriente que los de las células ciliadas apicales. [17]
Finalmente, la amplificación del sonido es mayor en las regiones basales que en las apicales de la cóclea 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. [13]
La frecuencia de audio, también conocida como tono, es actualmente la única característica del sonido que se sabe con certeza que está topográficamente mapeada en el sistema nervioso central. Sin embargo, otras características pueden formar mapas similares en la corteza, como la intensidad del sonido, [18] [19] el ancho de banda de sintonización, [20] o la tasa de modulación, [21] [22] [23] pero estas no han sido tan bien estudiadas.
En el mesencéfalo existen dos vías auditivas primarias que llegan a la corteza auditiva: la vía auditiva clásica lemniscal y la vía auditiva no clásica extralemniscal. [24] 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 a áreas primarias en la corteza auditiva. La corteza auditiva no primaria recibe entradas de la vía auditiva no clásica extralemniscal, que muestra una organización de frecuencia difusa. [24]
La organización tonotópica de la corteza auditiva ha sido ampliamente estudiada y, por lo tanto, se comprende mejor en comparación con otras áreas de la vía auditiva. [24] La tonotopía de la corteza auditiva se ha observado en muchas especies animales, incluidas aves, roedores, primates y otros mamíferos. [24] En ratones, se ha descubierto que cuatro subregiones de la corteza auditiva exhiben una organización tonotópica. Se ha descubierto que la subregión A1, dividida clásicamente, es de hecho dos regiones tonotópicas distintas: A1 y el campo dorsomedial (DM). [25] La región A2 de la corteza auditiva y el campo auditivo anterior (AAF) tienen mapas tonotópicos que se extienden dorsoventralmente. [25] 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 dispuestas aleatoriamente. [26]
Estudios realizados con primates no humanos han generado un modelo jerárquico de la organización cortical auditiva que consiste en 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 (secundarios) y campos paracintos de orden superior. [27] A1 exhibe un gradiente de frecuencia de alto a bajo 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 de frecuencias altas posteriores a bajas. [24] Estos patrones tonotópicos primarios se extienden continuamente hacia las áreas de cinturón circundantes. [28]
La organización tonotópica en la corteza auditiva humana se ha estudiado utilizando una variedad de técnicas de imágenes no invasivas, incluyendo magneto- y electroencefalografía ( MEG / EEG ), tomografía por emisión de positrones ( PET ) e imágenes por resonancia magnética funcional ( fMRI ). [29] El mapa tonotópico primario en la corteza auditiva humana está a lo largo del giro de Heschl (HG). Sin embargo, varios investigadores han llegado a conclusiones contradictorias sobre la dirección del gradiente de frecuencia a lo largo del HG. Algunos experimentos encontraron que la progresión tonotópica corría paralela a lo largo del HG, mientras que otros encontraron que el gradiente de frecuencia corría perpendicularmente a través del HG en una dirección diagonal, formando un par de gradientes en forma de V en ángulo. [24]
Uno de los métodos bien establecidos para estudiar los patrones tonotópicos en la corteza auditiva durante el desarrollo es la crianza de tonos. [30] [31] En la corteza auditiva primaria (A1) del ratón, diferentes neuronas responden a diferentes rangos de frecuencias, y una frecuencia particular provoca la respuesta más grande; esto se conoce como la "mejor frecuencia" para una neurona dada. [30] Exponer a las crías de ratón a una frecuencia particular durante el período crítico auditivo (día postnatal 12 a 15) [30] cambiará las "mejores frecuencias" de las neuronas en A1 hacia el tono de frecuencia expuesto. [30]
Se ha demostrado que estos cambios de frecuencia en respuesta a estímulos ambientales mejoran el desempeño en tareas de comportamiento perceptivo en ratones adultos que fueron criados con tonos durante el período crítico auditivo. [32] [33] El aprendizaje de adultos y las manipulaciones sensoriales del período crítico inducen cambios comparables en las topografías corticales y, por definición, el aprendizaje de adultos da como resultado mayores capacidades perceptivas. [34] Por lo tanto, el desarrollo tonotópico de A1 en crías de ratón es un factor importante para comprender la base neurológica del aprendizaje auditivo.
Otras especies también muestran un desarrollo tonotópico similar durante los períodos críticos. El desarrollo tonotópico de la rata es casi idéntico al del ratón, pero el período crítico se adelanta un poco [31] , y las lechuzas comunes muestran un desarrollo auditivo análogo en las diferencias de tiempo interaurales (ITD). [35]
El período crítico auditivo de las ratas, que dura desde el día postnatal 11 (P11) hasta el P13 [31], se puede extender mediante experimentos de privación, como la crianza con ruido blanco. [36] Se ha demostrado que los subconjuntos del mapa tonotópico en A1 se pueden mantener en un estado plástico indefinidamente al exponer a las ratas a ruido blanco que consiste en frecuencias dentro de un rango particular determinado por el experimentador. [30] [31] Por ejemplo, exponer a 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 mantenido este estado plástico hasta que las ratas tenían 90 días de edad. [30] Estudios recientes también han descubierto que la liberación del neurotransmisor noradrenalina es necesaria para la plasticidad del período crítico en la corteza auditiva, sin embargo, la formación tonotópica intrínseca del circuito cortical auditivo ocurre independientemente de la liberación de noradrenalina. [37] Un estudio reciente de toxicidad mostró que la exposición intrauterina y postnatal al bifenilo policlorado (PCB) alteró la organización general de la corteza auditiva primaria (A1), incluida la tonotopía y la topografía A1. La exposición temprana al PCB también cambió el equilibrio de las entradas excitatorias e inhibitorias, lo que alteró la capacidad de la corteza auditiva para reorganizarse plásticamente después de los cambios en el entorno acústico, alterando así el período crítico de plasticidad auditiva. [38]
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 de neuromoduladores, promueve la plasticidad auditiva adulta. [39] Se ha demostrado que la señalización colinérgica activa la actividad de las células 5-HT3AR en las áreas corticales y facilita la plasticidad auditiva adulta. [40] Además, también se ha demostrado que el entrenamiento conductual que utiliza estímulos gratificantes o aversivos, que se sabe que activan las aferencias colinérgicas y las células 5-HT3AR, altera y cambia los mapas tonotópicos adultos. [41]
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