Fronteras en los circuitos neuronales

Introducción

La vía auditiva ascendente es un importante sistema que transmite la información sonora a la corteza auditiva (CA) en los mamíferos. La vía que se origina en el oído se denomina vía lemniscal, que pasa, entre otros, por el núcleo central (ICc) del colículo inferior (IC) en el mesencéfalo, y la división ventral (MGv) del cuerpo geniculado medial (MGB) en el tálamo, de camino a la CA (Lee y Sherman, 2010; Lee et al., 2011; Winer y Schreiner, 2011). Para entender la audición de los mamíferos, es crucial revelar uno a uno los papeles funcionales de estos núcleos auditivos y las subregiones del CA. Por ejemplo, se ha revelado una función distinta del CI: detectar la localización del sonido por referencia a las diferencias temporales interaurales (Fujita y Konishi, 1991; Grothe et al., 2010). Este éxito en el CI se consiguió gracias a los estudios realizados con un modelo animal apropiado, la lechuza común, que tiene una capacidad extraordinaria para la localización del sonido. Sin embargo, se sabe poco sobre el tálamo auditivo y la CA, probablemente porque tienen funciones y mecanismos de trabajo muy complejos. Para investigar el MGv y el CA, se necesita un modelo animal adecuado en el que se disponga de varias herramientas experimentales para observar los múltiples aspectos del sistema auditivo central.

En los últimos 10 años, el ratón ha surgido como un modelo animal que se presta a la investigación auditiva. Se han utilizado ratones para realizar análisis fisiológicos de la tonotopía (Bandyopadhyay et al., 2010; Rothschild et al., 2010; Guo et al., 2012; Winkowski y Kanold, 2013; Issa et al., 2014; Barnstedt et al., 2015), el desarrollo (Barkat et al, 2011), la plasticidad relacionada con la recompensa (Ohshima et al., 2010; Kato et al., 2015), las relaciones con las hormonas (Marlin et al., 2015) y el comportamiento (Schneider et al., 2014), las interacciones multimodales (Lesicko et al., 2016) y el envejecimiento (Brewton et al., 2016). Sin embargo, el uso de ratones en la investigación del sistema auditivo central sigue siendo limitado a pesar de sus ventajas, que incluyen una sofisticada trazabilidad genética (Yang et al., 2013). La investigación con otras regiones de la corteza, especialmente la corteza visual (CV), ha delineado mapas de superficie cortical cada vez más finos en ratones (Garrett et al., 2014), lo que, a su vez, ha revelado propiedades funcionales regionales distintas (Juavinett y Callaway, 2015) y conectividad (D’Souza et al., 2016). En consecuencia, el ratón se ha convertido en una plataforma esencial para la investigación de la visión. Por lo tanto, delinear una figura anatómicamente precisa del sistema auditivo del ratón es esencial para permitir una mayor investigación fisiológica con respecto a la función del sistema auditivo central. En este mini artículo de revisión, describimos brevemente las estructuras talamocorticales auditivas macroscópicas que se han descubierto hasta ahora en el ratón.

Múltiples regiones tonotópicas en la corteza auditiva del ratón

Los estudios de neurociencia se realizan hoy en día según la teoría de la especialización funcional; el cerebro de los mamíferos se divide en módulos funcionales por localización (Kanwisher, 2010; Zilles y Amunts, 2010). Teniendo en cuenta este principio, el CA se divide a su vez en varias subregiones, cada una de las cuales debería tener una función regional distinta para el procesamiento del sonido. La disposición espacial de estas subregiones suele representarse e ilustrarse como un mapa cortical auditivo. Por lo tanto, un mapa AC más detallado proporciona una mejor plataforma para investigar la función regional diferenciada, ya que todas las investigaciones fisiológicas se realizan sobre la base de este mapa.

El mapa AC del ratón se describió por primera vez hace unas dos décadas (Stiebler et al., 1997). Este logro es digno de elogio porque los investigadores identificaron múltiples regiones auditivas sin ningún conocimiento previo mediante la investigación de la distribución de una frecuencia característica (FC), una frecuencia para la que una neurona tiene su umbral de excitación más bajo, utilizando el registro unitario. Este mapa representaba la CA con cinco subregiones; dos regiones tonotópicas, el campo auditivo anterior (AAF) y la corteza auditiva primaria (A1), y tres regiones no tonotópicas, el campo auditivo secundario (A2), el campo ultrasónico (UF) y el campo dorsoposterior (DP; Figura 1). Sorprendentemente, el «UF» se estableció como una región en la esquina dorsorostral del CA donde se localizaban las neuronas con una FC superior a 40 kHz, mientras que la tonotopía del AAF y el A1 se limitaba a menos de unos 40 kHz. La presencia de la «UF» segregada podría considerarse como una característica o símbolo de la CA en ratones que utilizan sonidos ultrasónicos de más de 40 kHz en la comunicación vocal (Ehret, 1987; Holy y Guo, 2005; Asaba et al., 2014).

Las imágenes ópticas que permiten la observación uniforme de la superficie del cerebro (Hishida et al., 2014; Matsui et al., 2016) probablemente se convertirán en una herramienta adicional o alternativa para visualizar los mapas finos de CA del ratón. Aquí, discutimos las ventajas y desventajas del mapeo utilizando imágenes ópticas frente a la electrofisiología. La imagen óptica no requiere operaciones invasivas, como la penetración densa de electrodos en el cerebro, ya que permite la visualización de las respuestas neuronales en la superficie cortical de un vistazo. Cabe destacar que las imágenes de fluorescencia de flavoproteínas (FFI; Shibuki et al., 2003) y las imágenes mediante ratones que expresan GCaMP dependientes de Cre (Zariwala et al., 2012), que observan las respuestas neuronales a través de fluoróforos originalmente expresados de forma homogénea en el cerebro, no requieren ni una craneotomía ni la aplicación de un colorante sensible al calcio, lo que permite la observación transcraneal. De hecho, estos métodos se han utilizado para visualizar respuestas finas en la superficie cortical de las áreas visuales primarias (Yoshitake et al., 2013) y de orden superior (Tohmi et al., 2009, 2014; Andermann et al., 2011). Sin embargo, las imágenes ópticas tienen varias desventajas en comparación con la electrofisiología. En primer lugar, con la excepción de las imágenes de colorantes sensibles al voltaje, las imágenes ópticas tienen una pobre resolución temporal. En segundo lugar, no está claro de qué capas se detectan las señales. Se supone que las imágenes ópticas visualizan las respuestas en las capas 2/3 en los ratones: esto se debe a que las propiedades fisiológicas observadas utilizando imágenes ópticas son consistentes con las de las neuronas de la capa 2/3 observadas utilizando imágenes de dos fotones (Tohmi et al., 2014), y porque la permeabilidad de la luz de excitación azul es relativamente baja. En tercer lugar, la electrofisiología es útil para investigar regiones cerebrales profundas como el tálamo (Hackett et al., 2011). Por último, la imagen óptica no está disponible para los análisis a escala de una sola neurona. Después de entender los méritos y deméritos, está claro que la selección de una técnica apropiada depende del propósito de las investigaciones.

Aprovechando los méritos mencionados, la imagen óptica ha permitido la visualización de respuestas finas en pequeñas regiones auditivas, permitiéndonos proponer un nuevo mapa de la CA del ratón. Los mapas de la CA de ratón generados mediante FFI e imágenes con ratones que expresan GCaMP3 se diferencian de los mapas clásicos en los siguientes aspectos (1) El tamaño y la ubicación de las regiones auditivas son simétricos en ambos hemisferios, al menos en los ratones C57BL/6 (Tsukano et al., 2016) aunque tradicionalmente se ha considerado que la CA izquierda es más grande que la derecha (Stiebler et al., 1997). (2) La región que clásicamente se anotaba como A1 se divide en dos regiones tonotópicas, A1 y el campo dorsomedial (DM; Tsukano et al., 2013a, 2015, 2017). En realidad, el mapeo electrofisiológico denso de alta calidad logró distinguir estas dos regiones (Guo et al., 2012), como se muestra en la Figura 7 de Issa et al. (2014). (3) El A2 tiene una disposición tonotópica que discurre dorsoventralmente (Kubota et al., 2008; Issa et al., 2014; Tsukano et al., 2015, 2016). (4) La dirección tonotópica del AAF viaja dorsoventralmente (Tsukano et al., 2015, 2016; Issa et al., 2014). (5) En general, existen al menos seis subregiones en el CA del ratón (Figura 1). Cuatro regiones, la AAF, la A1, la A2 y la DM, están dispuestas tonotópicamente. Dos regiones, el campo dorsoanterior (DA) y DP, son regiones no tonotópicas. Los análisis a escala de una sola neurona mostraron que las neuronas de estas regiones no tonotópicas tienen un CF distinto (Guo et al., 2012) pero su distribución espacial es aleatoria (Stiebler et al., 1997; Honma et al., 2013). El nuevo mapa cortical auditivo está respaldado por investigaciones anatómicas que muestran diferencias regionales en los patrones citoarquitectónicos visualizados mediante el inmunoetiquetado de neurofilamentos no fosforilados (NNF). Las regiones auditivas tienen distintos patrones de tinción de NNF en términos de arborización dendrítica y distribución por capas en ratones (Horie et al., 2015), como se muestra en otro estudio de roedores (Budinger et al., 2000). Además, las regiones auditivas tienen orígenes talámicos distintos (Horie et al., 2013; Takemoto et al., 2014; Tsukano et al., 2015). (6) El último punto es el más importante de acentuar; es poco probable que la UF independiente esté presente en la CA del ratón. Esta afirmación se ve respaldada por el hecho de que las cuatro regiones tonotópicas (el AAF, el A1, el A2 y el DM) incluyen bandas de frecuencias ultrasónicas distintas por encima de los 40 kHz (Figura 1; Issa et al., 2014; Tsukano et al., 2015, 2016). Por lo tanto, el término UF puede considerarse obsoleto. Suponemos que la región que se anotó por primera vez como UF era una mezcla de las bandas de DA y de alta frecuencia del DM. Una frase clave en Stiebler et al. (1997) apoya esta idea: «Las mejores frecuencias1 de las neuronas en la UF eran a menudo difíciles de determinar porque -especialmente en su parte rostral- las neuronas respondían preferentemente a tonos de frecuencia modulada». (p. 561, línea 14 del final). Las imágenes ópticas también indicaron que existe una región no tonotópica, la DA, que responde bien a los sonidos de frecuencia modulada cerca de la UF (Honma et al., 2013; Tsukano et al., 2015). Aunque el mapeo de electrodos densos no apoya claramente la presencia de la DA (Guo et al., 2012), es probable que nuevas investigaciones resuelvan esta discrepancia mediante el estudio de otro parámetro, ya que la electrofisiología tiene la ventaja de investigar las propiedades a nivel de una sola neurona (Joachimsthaler et al., 2014). En general, la presencia de la región UF ha sido un obstáculo importante a la hora de comparar la CA del ratón con las de otros roedores, ya que una región similar a la UF está ausente incluso en la rata, un roedor muy similar al ratón. Al abandonar la UF tenemos ahora la posibilidad de homologar o analogar las cortezas auditivas de diferentes roedores, facilitando la investigación fisiológica basada en la información espacial cortical (Baba et al., 2016).

Múltiples compartimentos en el MGv del ratón y procesamiento paralelo en el sistema auditivo lemniscal central

Es bien sabido que la tonotopía se origina en la cóclea. Los sonidos entran en los oídos y las vibraciones se transmiten a la membrana basilar de la cóclea. Las frecuencias de los tonos se convierten en una disposición espacial unidimensional en la membrana basilar y se disponen como una gradación única de frecuencias bajas a altas (Békésy, 1960). El gradiente tonotópico se transmite a través de la vía ascendente auditiva central, el ICc y el MGv, de camino al A1 (Lee y Sherman, 2010; Lee et al., 2011), donde los núcleos están conectados topológicamente. Por lo tanto, prevalece el concepto de que solo existe un único gradiente tonotópico en el ICc (Portfors et al., 2011; Cheung et al., 2012) y el MGv (Cetas et al., 2001; Hackett et al., 2011; Moerel et al., 2015) en todas las especies, aunque puede divergir o duplicarse al entrar en el AC.

Sin embargo, investigaciones recientes revelaron nuevas estructuras en el tálamo auditivo que pueden estar involucradas en el procesamiento auditivo esencial: El MGv del ratón no está dispuesto como una única estructura monótona, sino que se compone de múltiples compartimentos, cada uno de los cuales da lugar a proyecciones topológicas relacionadas con la frecuencia hacia objetivos corticales distintos (Figura 2). Horie et al. (2013) y Takemoto et al. (2014) inyectaron trazadores retrógrados a lo largo de ejes tonotópicos en regiones corticales auditivas identificadas mediante imágenes ópticas, y encontraron compartimentos que se proyectaban al AAF, A1 o al campo auditivo insular (IAF) en el centro del MGv. Aunque estudios anteriores con gatos sugirieron la presencia de proyecciones paralelas en las vías talamocorticales lemniscales (Huang y Winer, 2000; Lee et al., 2004; Lee y Winer, 2008), no se informó de compartimentos múltiples claros con una tonotopía distinta en el MGv. Aquí, debemos señalar que la topografía en el MGv del ratón no puede ser equiparada actualmente con la tonotopía. Mientras que los gradientes tonotópicos en el CA se han estudiado en detalle, los del MGv no, y pocos estudios han investigado si bandas de frecuencia idénticas en el MGv y el CA están topológicamente conectadas (aunque un estudio en gatos lo ha confirmado (Lee et al., 2004)). Estos resultados fueron recientemente cuestionados en ratones, utilizando una combinación de trazado y electrofisiología, para confirmar que dos gradientes tonotópicos en el MGv y el AC están conectados a través de proyecciones topológicas (Hackett et al., 2011). Los autores mostraron claramente que la tonotopía en al menos una región cortical y la del compartimento MGv correspondiente están conectadas de forma topológica. Además, sus datos mostraron la distribución de CF de forma media-media-alta-baja en el MGv medio en el eje lateromedial, lo que es coherente con la disposición sugerida por los experimentos de trazado (Horie et al., 2013; Takemoto et al., 2014), aunque este estudio se llevó a cabo con el supuesto de que la tonotopía del MGv sería monótona. Ahora que se ha descubierto que el compartimento rostral se proyecta al DM (Tsukano et al., 2015), se han revelado en ratones al menos tres conexiones topológicas paralelas entre el MGv y el AC y una conexión topológica entre el MGv y el IAF (Figura 2). Por lo tanto, son necesarios futuros estudios fisiológicos para confirmar que toda la organización topográfica en el MGv, que está relacionada con los gradientes de frecuencia cortical, es consistente con el gradiente «de bajo a alto» de la distribución de CF de las neuronas del MGv.

La presencia de tales vías paralelas basadas en la estructura macroscópica en la vía lemniscal indica fuertemente que la tonotopía múltiple cortical podría ser establecida por múltiples entradas talamocorticales topológicas (Figura 2). Nótese que la formación corticocortical y la formación talamocortical de la tonotopía en la corteza no son mutuamente excluyentes. En el concepto predominante de que la información auditiva se transmite a través de la corriente jerárquica intracortical a partir de A1, se considera que la organización tonotópica múltiple refleja la tonotopía de A1: esto se debe, sin duda, a que las bandas de isofrecuencia en la tonotopía cortical están conectadas entre sí (Schreiner y Winer, 2007; Lee y Winer, 2008). En cambio, los compartimentos MGv envían proyecciones topológicas hacia las capas 3b/4 en las subregiones corticales auditivas. Allí, las entradas talamocorticales y corticocorticales pueden converger en los árboles de dendritas de las neuronas talamorecipientes (Richardson et al., 2009). La organización tonotópica en las capas 3b/4 se transmite a la capa 2/3, manteniendo en gran medida la forma original (Guo et al., 2012), aunque la complejidad a microescala aumenta (Bandyopadhyay et al., 2010; Rothschild et al., 2010; Winkowski y Kanold, 2013). En general, los mapas corticales auditivos observados mediante imágenes ópticas se establecen como resultado de la integración de la formación talamocortical y corticocortical.

Es importante destacar que la presencia de vías paralelas lemniscales sugiere la posibilidad de que se transmita información auditiva distinta a regiones corticales distintas de A1 directamente desde el MGv. En el concepto predominante, la información auditiva entra primero en las regiones centrales y luego se transmite a campos auditivos de orden superior (Kaas y Hackett, 2000). Sin embargo, incluso la DA, que se considera una región de orden superior porque carece de tonotopía, recibe densas proyecciones directamente desde la MGv (Hofstetter y Ehret, 1992; Honma et al., 2013; Tsukano et al., 2013b, 2015), aunque las ubicaciones precisas de las neuronas de proyección aún no se han analizado cuantitativamente. El MGv debe tener una función de gating para decidir qué información sonora se envía a cada objetivo cortical. Es bien sabido que el tálamo sensorial tiene una estrecha relación con el núcleo reticular talámico (TRN), que está ocupado por neuronas GABAérgicas y está implicado en el control de puerta de las entradas auditivas ascendentes (Cotillon-Williams et al., 2008; Kimura et al., 2009). Cada vez es más probable que el MGv actúe no sólo como punto de relevo sino como filtro de selección de la información auditiva (Blundon y Zakharenko, 2013).

Una vía paralela talamocortical basada en estructuras macroscópicas puede ser ubicua en los sistemas sensoriales de los roedores. Se ha informado de que el sistema auditivo de las ratas tiene vías paralelas talamocorticales. El CA de la rata incluye múltiples regiones tonotópicas (Kalatsky et al., 2005; Polley et al., 2007), similares a las del ratón, y los orígenes talámicos de estas regiones tonotópicas: A1 y la parte ventral del CA, son rostrocaudales diferentes en el MGv (Storace et al., 2011, 2012; Shiramatsu et al., 2016). Así, las relaciones espaciales entre los orígenes talámicos y las dianas corticales son similares entre ratones y ratas. Además, experimentos de rastreo más antiguos insinuaban la existencia de vías talamocorticales auditivas paralelas en otra especie de roedor, el conejillo de indias (Redies et al., 1989). En la CV del ratón, se han revelado regiones detalladas de orden superior utilizando imágenes ópticas (Tohmi et al., 2009, 2014; Andermann et al., 2011; Marshel et al., 2011) y sus orígenes talámicos desde el tálamo visual eran diferentes, lo que sugiere la presencia de corrientes paralelas en el sistema visual de orden superior (Tohmi et al., 2014). Los futuros estudios fisiológicos deberían considerar qué aspectos de la información sensorial se introducen en las subregiones corticales a través del tálamo, y examinar cómo los aferentes talámicos paralelos cooperan con el procesamiento jerárquico corticocortical.

El origen de las proyecciones tectotalámicas lemniscales al MGv es el ICc. Como se ha mencionado anteriormente, el ICc se considera una estructura única y monótona (Figura 2). Sin embargo, el ICc también puede estar compuesto por múltiples compartimentos con una tonotopía distinta, cada uno de los cuales envía proyecciones a un compartimento del MGv. De lo contrario, la tonotopía en el ICc puede ser única, pero la tonotopía diverge cuando se transmite al MGv, de manera que una sola neurona da lugar a ramas proyectivas hacia varios compartimentos en el MGv. Es importante saber en qué núcleo lemniscal se produce la divergencia tonotópica en términos de gating o de selección de características sonoras por vía. Al menos, debemos admitir que la audición se realiza por vías más complejas de lo que se pensaba.

Conclusiones

Un mapa detallado de la CA y un nuevo esquema de proyecciones talamocorticales paralelas desde el MGv y la CA han sido revelados gradualmente en ratones, lo que lleva al concepto de que la tonotopía múltiple cortical representa «núcleos múltiples» en roedores (Storace et al., 2012). Será necesaria una nueva teoría o modelo que combine las múltiples entradas periféricas paralelas en las múltiples regiones corticales con el procesamiento jerárquico corticocortical existente en los mamíferos (Felleman y Van Essen, 1991; Kaas y Hackett, 2000). Dado que el significado funcional de la presencia de la tonotopía es controvertido en la actualidad (Hackett et al., 2011; Aschauer y Rumpel, 2014), son necesarios más estudios para determinar por qué tanto el tálamo como la corteza auditiva requieren múltiples compartimentos y regiones con una tonotopía distinta. Basándose en la teoría de la especialización funcional, cada subregión y compartimento cortical auditivo puede tener un papel distinto para procesar un factor sonoro distinto. Estas cuestiones son esenciales para la futura investigación del sistema auditivo central para revelar los mecanismos de trabajo.

Contribuciones de los autores

HTsukano, MH, SO, KT y YK realizaron experimentos y obtuvieron conocimientos básicos para escribir esta revisión. RH y HTakebayashi aportaron ideas y comentarios críticos a este trabajo. HTsukano obtuvo financiación para este trabajo. HTsukano redactó el manuscrito, y HTsukano y KS lo revisaron. Todos los autores aprobaron la publicación de este manuscrito.

Financiación

Este trabajo fue apoyado por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS) KAKENHI Grant No. 26830008 (a HTsukano), una subvención para la Promoción de la Ciencia Médica y la Atención Médica No. 15KI149 de la Fundación Ichiro Kanehara (a HTsukano), y una subvención para Proyectos de Investigación de Ciencia Básica No. 140254 de la Fundación Sumitomo (a HTsukano).

Declaración de conflicto de intereses

Los autores declaran que la investigación se llevó a cabo en ausencia de cualquier relación comercial o financiera que pudiera interpretarse como un potencial conflicto de intereses.

Agradecimientos

Damos las gracias a S. Maruyama por la asistencia técnica en los experimentos histológicos, y a A. Matsushima y M. Isogai por la cría y el mantenimiento de los animales.

Abreviaturas

AAF, campo auditivo anterior; AC, corteza auditiva; A1, campo auditivo primario; A2, campo auditivo secundario; CF, frecuencia característica; DA, campo dorsoanterior; DM, campo dorsomedial; DP, campo dorsoposterior; FFI: imagen de fluorescencia de flavoproteína; IAF: campo auditivo insular; IC: colículo inferior; ICc: núcleo central del colículo inferior; MGB: cuerpo geniculado medial; MGv: división ventral del cuerpo geniculado medial; TRN: núcleo reticular talámico; UF: campo ultrasónico.

Notas al pie

1. ^ En la actualidad, la mejor frecuencia (BF) en el sistema auditivo suele definirse como la frecuencia a la que una neurona es la más sensible bajo la condición de que la intensidad tonal sea constante. Aunque el término BF se utilizó en su artículo, se puede considerar como una frecuencia característica (CF) precisamente.