Frontiers | Reconsidering Tonotopic Maps in the Auditory Cortex and Lemniscal Auditory Thalamus in Mice | Frontiers in Neural Circuits

Introduction

Kuuloaistiin nouseva rata on tärkeä järjestelmä, joka välittää äänitietoa nisäkkäiden kuuloaivokuoreen (AC). Korvasta lähtevää reittiä kutsutaan lemniskaaliseksi reitiksi, joka kulkee muun muassa keskiaivoissa sijaitsevan inferior colliculuksen (ICc) keskimmäisen ytimen (ICc) ja talamuksessa sijaitsevan mediaalisen genikulaarirungon (MGB) ventraalisen jaon (MGv) kautta matkalla AC:hen (Lee ja Sherman, 2010; Lee ym., 2011; Winer ja Schreiner, 2011). Nisäkkäiden kuulon ymmärtämiseksi on ratkaisevan tärkeää paljastaa yksi kerrallaan näiden kuuloydinten ja AC:n osa-alueiden toiminnalliset tehtävät. Esimerkiksi IC:n erillinen tehtävä on paljastunut: äänen lokalisoinnin havaitseminen viittaamalla interauraalisiin aikaeroihin (Fujita ja Konishi, 1991; Grothe et al., 2010). Tämä IC:n menestys saavutettiin tutkimuksissa, joissa käytettiin sopivaa eläinmallia, pöllöä, jolla on erinomainen kyky äänen paikallistamiseen. Silti auditiivisesta talamuksesta ja AC:stä tiedetään vain vähän, luultavasti siksi, että niiden toiminnot ja toimintamekanismit ovat hyvin monimutkaisia. MGv:n ja AC:n tutkimiseksi tarvitaan sopiva eläinmalli, jossa on käytettävissä erilaisia kokeellisia välineitä, joiden avulla voidaan havainnoida keskeisen kuulojärjestelmän monipuolista puolta.

Viimeisen kymmenen vuoden aikana hiiri on noussut kuulontutkimukseen soveltuvaksi eläinmalliksi. Hiiriä on käytetty tonotopian fysiologisiin analyyseihin (Bandyopadhyay ym., 2010; Rothschild ym., 2010; Guo ym., 2012; Winkowski ja Kanold, 2013; Issa ym., 2014; Barnstedt ym., 2015), kehitykseen (Barkat ym, 2011), palkitsemiseen liittyvä plastisuus (Ohshima et al., 2010; Kato et al., 2015), suhteet hormoneihin (Marlin et al., 2015) ja käyttäytymiseen (Schneider et al., 2014), multimodaaliset vuorovaikutukset (Lesicko et al., 2016) ja ikääntyminen (Brewton et al., 2016). Hiirten käyttö keskeisen kuulojärjestelmän tutkimuksessa on kuitenkin edelleen rajallista huolimatta sen eduista, joihin kuuluu hienostunut geneettinen käsiteltävyys (Yang et al., 2013). Tutkimukset, joissa on mukana muita aivokuoren alueita, erityisesti näköaivokuori (VC), ovat hahmottaneet yhä hienompia aivokuoren pintakarttoja hiirillä (Garrett ym., 2014), mikä puolestaan on paljastanut erillisiä alueellisia toiminnallisia ominaisuuksia (Juavinett ja Callaway, 2015) ja kytkeytyvyyttä (D’Souza ym., 2016). Näin ollen hiirestä on tullut olennainen alusta näöntutkimukselle. Siksi hiiren kuulojärjestelmän anatomisesti tarkan kuvion hahmottaminen on olennaista, jotta voidaan jatkaa fysiologista tutkimusta keskeisen kuulojärjestelmän toiminnasta. Tässä minikatsausartikkelissa kuvaamme lyhyesti makroskooppisia kuulon talamokortikaalisia rakenteita, jotka on toistaiseksi paljastettu hiirellä.

Multiple tonotopic Regions in the Mouse Auditory Cortex

Neurotieteelliset tutkimukset tehdään nykyään funktionaalisen erikoistumisen teorian mukaisesti; nisäkkäiden aivot jaetaan funktionaalisiin moduuleihin sijainnin mukaan (Kanwisher, 2010; Zilles ja Amunts, 2010). Tämän periaatteen huomioon ottaen AC jaetaan edelleen useisiin osa-alueisiin, joista jokaisella pitäisi olla erillinen alueellinen tehtävä äänen käsittelyssä. Näiden osa-alueiden alueellinen sijoittelu esitetään ja havainnollistetaan yleensä auditiivisena kortikaalisena karttana. Näin ollen yksityiskohtaisempi AC-kartta tarjoaa paremman alustan erillisten alueellisten toimintojen tutkimiseen, koska kaikki fysiologiset tutkimukset tehdään tämän kartan pohjalta.

Hiiren AC-kartta kuvattiin ensimmäisen kerran noin kaksi vuosikymmentä sitten (Stiebler et al., 1997). Tämä saavutus on kiitettävä, koska tutkijat tunnistivat useita kuuloalueita ilman ennakkotietoja tutkimalla yksikkötallenteiden avulla karakteristisen taajuuden (CF) jakaumaa, eli taajuuden, jolle neuronilla on matalin herätekynnys. Tämä kartta edusti AC:tä viidellä osa-alueella; kaksi tonotopista aluetta, anteriorinen kuulokenttä (AAF) ja primaarinen kuuloaivokuori (A1), ja kolme ei-tonotopista aluetta, sekundaarinen kuulokenttä (A2), ultraäänikenttä (UF) ja dorsoposteriorinen kenttä (DP; kuva 1). Huomionarvoista on, että ”UF” asetettiin alueeksi AC: n dorsorostraalisessa kulmassa, jossa neuronit, joiden CF oli yli 40 kHz, lokalisoitiin, kun taas AAF: n ja A1: n tonotopia oli rajoitettu alle noin 40 kHz: iin. Erillisen ”UF:n” läsnäoloa voidaan pitää AC:n ominaisuutena tai symbolina hiirillä, jotka käyttävät yli 40 kHz:n ultraääniä ääniviestinnässä (Ehret, 1987; Holy ja Guo, 2005; Asaba et al., 2014).

KUVIO 1

Kuvio 1. ”UF”. Hiiren kuuloaivokuoren uusi kartta visualisoituna flavoproteiinifluoresenssikuvauksella (FFI). (A) FFI:n avulla paljastettu kvantitatiivinen pintakartta hiiren AC:n kuudesta osa-alueesta. Nämä paneelit on muokattu lähteestä Tsukano et al. (2016). AC, kuuloaivokuori; Cb, pikkuaivot; MCA, mediaalinen aivovaltimo; OB, hajulohko; RF, rinaalihalkeama; SC, somatosensorinen aivokuori; VC, näköaivo. (B) Kuvitus alkuperäisestä kartasta (Stiebler ym., 1997) ja viimeaikaisten optisten kuvantamistutkimusten tuloksiin perustuvasta kartasta (Sawatari ym., 2011; Tsukano ym., 2015). Näiden AC-karttojen katsotaan heijastavan kerroksissa 2/3 sijaitsevaa karttaa. (C) Kuuden kuulon osa-alueen rajaus koronaalisessa näkymässä. Palkki, 1 mm. Nämä paneelit on muokattu lähteestä Tsukano et al. (2016).

Optinen kuvantaminen, joka mahdollistaa aivojen pinnan yhtenäisen havainnoinnin (Hishida et al., 2014; Matsui et al., 2016), tulee todennäköisesti olemaan lisä- tai vaihtoehtoinen työkalu hiiren hienojen AC-karttojen visualisointiin. Tässä keskustelemme optisen kuvantamisen avulla tapahtuvan kartoituksen eduista ja haitoista verrattuna elektrofysiologiaan. Optinen kuvantaminen ei vaadi invasiivisia toimenpiteitä, kuten elektrodien tiheää tunkeutumista aivoihin, koska se mahdollistaa hermovasteiden visualisoinnin aivokuoren pinnalla yhdellä silmäyksellä. Huomionarvoista on, että flavoproteiinifluoresenssikuvantaminen (FFI; Shibuki et al., 2003) ja kuvantaminen Cre-riippuvaisilla GCaMP-ekspressoivilla hiirillä (Zariwala et al., 2012), jotka molemmat havainnoivat neuraalisia vasteita aivoissa alunperin ja homogeenisesti ekspressoitujen fluorofoorien avulla, eivät vaadi kraniotomiaa eivätkä kalsiumherkkien väriaineiden levittämistä, mikä mahdollistaa transkraniaalisen tarkkailun. Näitä menetelmiä onkin käytetty hienovasteiden visualisointiin primaaristen (Yoshitake ym., 2013) ja korkeamman asteen näköalueiden (Tohmi ym., 2009, 2014; Andermann ym., 2011) aivokuoren pinnalla. Optisella kuvantamisella on kuitenkin useita haittoja verrattuna elektrofysiologiaan. Ensinnäkin, jänniteherkkää väriainekuvantamista lukuun ottamatta, optisella kuvantamisella on huono ajallinen resoluutio. Toiseksi on epäselvää, mistä kerroksista signaalit havaitaan. Oletetaan, että optinen kuvantaminen visualisoi vasteet kerroksissa 2/3 hiirissä: tämä johtuu siitä, että optisella kuvantamisella havaitut fysiologiset ominaisuudet ovat yhdenmukaisia niiden kerroksen 2/3 neuronien ominaisuuksien kanssa, jotka on havaittu käyttämällä kaksifotonikuvantamista (Tohmi et ai., 2014), ja koska sinisen herätevalon läpäisevyys on suhteellisen alhainen. Kolmanneksi elektrofysiologia on hyödyllinen syvien aivoalueiden, kuten talamuksen, tutkimisessa (Hackett et al., 2011). Lopuksi, optinen kuvantaminen ei ole käytettävissä yhden neuronin mittakaavan analyyseihin. Kun ansiot ja haitat on ymmärretty, on selvää, että sopivan tekniikan valinta riippuu tutkimusten tarkoituksesta.

Hyödyntämällä edellä mainittuja ansioita optinen kuvantaminen on mahdollistanut hienojen vasteiden visualisoinnin pienillä kuuloalueilla, minkä ansiosta olemme voineet ehdottaa uutta karttaa hiiren AC:stä. Hiiren AC-kartat, jotka on tuotettu käyttämällä FFI:tä ja kuvantamista, jossa on mukana GCaMP3:aa ilmentäviä hiiriä, eroavat klassisista kartoista seuraavilla tavoilla: (1) Kuuloalueiden koko ja sijainti ovat symmetrisiä molemmissa aivopuoliskoissa ainakin C57BL/6-hiirillä (Tsukano et al., 2016), vaikka vasemmanpuoleista AC:tä on perinteisesti pidetty suurempana kuin oikeanpuoleista (Stiebler et al., 1997). (2) Alue, joka klassisesti merkittiin A1:ksi, on jaettu kahteen tonotopiseen alueeseen, A1:een ja dorsomediaaliseen kenttään (DM; Tsukano et al., 2013a, 2015, 2017). Itse asiassa tiheä korkealaatuinen elektrofysiologinen kartoitus onnistui erottamaan nämä kaksi aluetta (Guo et ai., 2012), kuten kuvassa 7 on esitetty Issa et ai. (2014). (3) A2-alueella on tonotopinen järjestely, joka kulkee dorsoventriaalisesti (Kubota et ai., 2008; Issa et ai., 2014; Tsukano et ai., 2015, 2016). (4) AAF:n tonotopinen suunta kulkee dorsoventriaalisesti (Tsukano et al., 2015, 2016; Issa et al., 2014). (5) Kaiken kaikkiaan hiiren AC:ssä on ainakin kuusi osa-aluetta (kuva 1). Neljä aluetta, AAF, A1, A2 ja DM, on tonotopisesti järjestetty. Kaksi aluetta, dorsoanteriorikenttä (DA) ja DP, ovat ei-tonotopisia alueita. Yksittäisen neuronin mittakaava-analyysit osoittivat, että näiden ei-tonotopisten alueiden neuroneilla on erillinen CF (Guo et ai., 2012), mutta niiden alueellinen jakautuminen on satunnaista (Stiebler et ai., 1997; Honma et ai., 2013). Uutta kuuloaivokuoren karttaa tukevat anatomiset tutkimukset, jotka osoittavat alueellisia eroja sytoarkkitehtuurisissa kuvioissa, jotka visualisoidaan ei-fosforyloitujen neurofilamenttien (NNF) immunomerkinnällä. Kuuloalueilla on erilliset NNF-värjäytymismallit dendriittisen arborisaation ja kerroksittaisen jakautumisen suhteen hiirillä (Horie et al., 2015), kuten toisessa jyrsijätutkimuksessa osoitettiin (Budinger et al., 2000). Lisäksi kuuloalueilla on erilliset talamuksen alkuperät (Horie et al., 2013; Takemoto et al., 2014; Tsukano et al., 2015). (6) Viimeinen kohta on tärkein korostettava; riippumatonta UF:ää ei todennäköisesti ole hiiren AC:ssä. Tätä väitettä tukee se, että kaikki neljä tonotopista aluetta (AAF, A1, A2 ja DM) sisältävät erillisiä ultraäänitaajuuskaistoja yli 40 kHz: n taajuudella (kuva 1; Issa et ai., 2014; Tsukano et ai., 2015, 2016). Siksi termiä UF voidaan pitää vanhentuneena. Oletamme, että alue, joka ensin merkittiin UF:ksi, oli sekoitus DM:n DA- ja korkeataajuuskaistoja. Keskeinen lause Stiebler et al. (1997) tukee tätä ajatusta: ”UF: n neuronien parhaita taajuuksia1 oli usein vaikea määrittää, koska – erityisesti sen rostraalisessa osassa – neuronit vastasivat mieluiten taajuusmoduloituihin ääniin”. (s. 561, rivi 14 alhaalta). Optinen kuvantaminen osoitti myös, että UF:n lähellä on ei-tonotopinen alue, DA, joka reagoi hyvin taajuusmodulaatioääniin (Honma et al., 2013; Tsukano et al., 2015). Vaikka tiheä elektrodikartoitus ei selvästi tue DA:n läsnäoloa (Guo et al., 2012), jatkotutkimukset todennäköisesti ratkaisevat tämän ristiriidan kartoittamalla toisen parametrin, sillä elektrofysiologian etuna on tutkia yksittäisen neuronin tason ominaisuuksia (Joachimsthaler et al., 2014). Kaiken kaikkiaan UF-alueen läsnäolo on ollut suuri este verrattaessa hiiren AC:tä muiden jyrsijöiden AC:hen, koska UF:n kaltaista aluetta ei ole edes rotalla, joka on hyvin samanlainen jyrsijä kuin hiiri. Luopumalla UF:stä meillä on nyt mahdollisuus homologisoida tai analogisoida eri jyrsijöiden kuuloaivokuoria, mikä helpottaa aivokuoren paikkatietoon perustuvaa fysiologista tutkimusta (Baba ym., 2016).

Multiple Compartments in the Mouse MGv and Parallel Processing in the Central Lemniscal Auditory System

On hyvin tiedossa, että tonotopia saa alkunsa sisäkorvasta. Äänet tulevat korviin ja värähtelyt välittyvät sisäkorvan basilaarikalvoon. Äänten taajuudet muunnetaan yksiulotteiseksi avaruudelliseksi järjestelyksi basilaarikalvolla ja järjestetään yhdeksi asteikoksi matalista korkeisiin taajuuksiin (Békésy, 1960). Tonaalinen gradientti välittyy keskeisen nousevan kuuloradan, ICc:n ja MGv:n kautta matkalla A1:een (Lee ja Sherman, 2010; Lee ym., 2011), jossa ytimet ovat topologisesti yhteydessä toisiinsa. Siksi vallitsee käsitys, jonka mukaan ICc:ssä (Portfors et al., 2011; Cheung et al., 2012) ja MGv:ssä (Cetas et al., 2001; Hackett et al., 2011; Moerel et al., 2015) on lajeittain olemassa vain yksi ainoa tonotopinen gradientti, vaikka se voi poiketa toisistaan tai olla päällekkäinen, kun se saapuu AC:hen.

Viimeaikaiset tutkimukset paljastivat kuitenkin uusia rakenteita auditiivisessa talamuksessa, jotka voivat olla osallisina oleellisessa auditiivisessa käsittelyssä: Hiiren MGv ei ole järjestetty yhdeksi monotoniseksi rakenteeksi, vaan se koostuu useista osastoista, joista kukin synnyttää taajuuteen liittyviä topologisia projektioita erillisiin kortikaalisiin kohteisiin (kuva 2). Horie et al. (2013) ja Takemoto et al. (2014) ruiskuttivat retrogradisia merkkiaineita tonotopisia akseleita pitkin optisen kuvantamisen avulla tunnistetuilla kuulokuorialueilla ja löysivät lokeroita, jotka projisoivat AAF:ään, A1:een tai insulaariseen kuulokenttään (insular auditory field, IAF) MGv:n keskellä. Vaikka aiemmat tutkimukset, joissa käytettiin kissoja, viittasivat rinnakkaisten projektioiden läsnäoloon lemniskaalisissa talamokortikaaliradoissa (Huang ja Winer, 2000; Lee et al., 2004; Lee ja Winer, 2008), selkeitä moninkertaisia lokeroita, joilla on erilainen tonotopia MGv:ssä, ei raportoitu. Tässä yhteydessä on todettava, että hiiren MGv:n topografiaa ei voida tällä hetkellä rinnastaa tonotopiaan. Vaikka AC:n tonotopisia gradientteja on tutkittu yksityiskohtaisesti, MGv:n gradientteja ei ole tutkittu, ja muutamissa tutkimuksissa on tutkittu, ovatko identtiset taajuuskaistat MGv:ssä ja AC:ssä topologisesti yhteydessä toisiinsa (vaikkakin yksi kissoilla tehty tutkimus on vahvistanut tämän (Lee et ai., 2004)). Nämä tulokset kyseenalaistettiin hiljattain hiirillä käyttämällä jäljittämisen ja elektrofysiologian yhdistelmää, jotta voitiin vahvistaa, että MGv:n ja AC:n kaksi tonotopista gradienttia on yhdistetty topologisten projektioiden kautta (Hackett et ai., 2011). Kirjoittajat osoittivat selvästi, että ainakin yhden kortikaalisen alueen tonotopia ja vastaavan MGv-osaston tonotopia on yhdistetty topologisesti. Lisäksi heidän tietonsa osoittivat CF: n jakautumista keskellä-keskellä-korkealla-matalalla tavalla keskimmäisessä MGv: ssä lateromediaalisella akselilla, mikä on yhdenmukainen jäljityskokeiden ehdottaman järjestelyn kanssa (Horie et ai., 2013; Takemoto et ai., 2014), vaikka tämä tutkimus suoritettiin olettaen, että MGv: n tonotopia olisi monotoninen. Nyt kun rostraalisen lokeron on todettu projisoituvan DM:ään (Tsukano et al., 2015), hiirillä on paljastunut ainakin kolme rinnakkaista topologista yhteyttä MGv:n ja AC:n välillä ja yksi topologinen yhteys MGv:n ja IAF:n välillä (kuva 2). Siksi tulevat fysiologiset tutkimukset ovat välttämättömiä sen vahvistamiseksi, että kaikki MGv:n topografinen organisaatio, joka liittyy kortikaalisiin taajuusgradientteihin, on yhdenmukainen MGv-neuronien CF-jakautumisen ”matalasta korkeaan” gradientin kanssa.

KUVIO 2

Kuva 2. Uudelleenmuodostunut talamokortikaalinen kuulorata hiirillä. (A) Kaaviokuva talamokortikaalisesta kuuloradasta. AC saa talamuksen syötteitä mediaalisen genikulaarirungon (MGv) ventraalisesta osastosta. (B) MGv:n sisältä paljastuu useita lokeroita. Dorsomediaaliseen kenttään (DM) projisoivat neuronit ovat lokalisoituneet rostraaliseen osastoon (punainen; Tsukano et al., 2015). Primääriseen kuuloaivokuoreen (A1) projisoivat neuronit lokalisoituvat MGv:n keskimmäisen lateraaliseen lokeroon (vihreä; Horie ym., 2013; Takemoto ym., 2014). Neuronit, jotka projisoituvat anterioriseen kuulokenttään (AAF), lokalisoituvat keskimmäisen MGv:n mediaaliseen lokeroon (sininen; Horie et al., 2013; Takemoto et al., 2014). Neuronit, jotka projisoituvat insulaariseen kuulokenttään (IAF), lokalisoituvat keskimmäisen MGv:n inferomediaaliseen lokeroon (keltainen; Takemoto et al., 2014). Jokainen lokero synnyttää topologisia projektioita kortikaaliseen kohteeseensa. Lisäksi hiiren MGv:n kaudaalinen puolisko on nyt karakterisoimaton (Tsukano et al., 2015); siksi on hyvin mahdollista, että neuronit, jotka projisoituvat sekundaariseen kuulokenttään (A2), joka on jäljellä oleva tonotopinen alue AC: ssä, ovat lokalisoituneet kaudaaliseen MGv-lokeroon, kuten Ohga et al. (2015) ehdottivat. (C) Uusi malli talamokortikaalisesta kuuloradasta, joka koostuu useista rinnakkaisista virroista. Tulevat tutkimukset ovat tarpeen sen määrittämiseksi, koostuuko myös inferior colliculuksen keskusydin (ICc) useista lokeroista, joilla on erilainen taajuusorganisaatio, tai tapahtuuko tonotopian eroavaisuutta ICc:stä MGv:hen. Lisäksi ei ole selvää, onko MGv:n kaudaalinen lokero topografisesti järjestetty. Comp, compartment.

Tällaisten makroskooppiseen rakenteeseen perustuvien rinnakkaisten väylien läsnäolo lemniskaalisessa radassa osoittaa vahvasti, että kortikaalinen moninkertainen tonotopia voisi syntyä useiden topologisten talamokortikaalisten tulojen avulla (kuva 2). Huomaa, että aivokuoren tonotopian kortikokortikaalinen muodostuminen ja talamokortikaalinen muodostuminen eivät sulje toisiaan pois. Vallitsevassa käsityksessä, jonka mukaan auditiivinen informaatio välittyy A1:stä alkavan intrakortikaalisen hierarkkisen virran kautta, moninkertaisen tonotyyppisen organisaation katsotaan heijastavan A1:n tonotopiaa: tämä johtuu epäilemättä siitä, että kortikaalisen tonotopian isofrekvenssikaistat ovat yhteydessä toisiinsa (Schreiner ja Winer, 2007; Lee ja Winer, 2008). Sitä vastoin MGv-osastot lähettävät topologisia projektioita kuulokuorten osa-alueiden kerroksiin 3b/4. Siellä talamokortikaaliset ja kortikokortikaaliset tulot voivat konvergoitua talamoreseptoristen neuronien dendriittipuihin (Richardson ym., 2009). Kerrosten 3b/4 tonotopinen organisaatio välittyy edelleen kerrokseen 2/3 säilyttäen pitkälti alkuperäisen muodon (Guo ym., 2012), vaikka mikrotason monimutkaisuus lisääntyy (Bandyopadhyay ym., 2010; Rothschild ym., 2010; Winkowski ja Kanold, 2013). Kaiken kaikkiaan optisen kuvantamisen avulla havaitut auditiiviset kortikaaliset kartat muodostuvat talamokortikaalisen ja kortikokortikaalisen muodostuman integraation tuloksena.

Tärkeää on, että lemniskaalisten rinnakkaisten reittien läsnäolo viittaa mahdollisuuteen, että erillistä auditiivista tietoa välitetään muille kortikaalialueille kuin A1:lle suoraan MGv:stä. Vallitsevassa käsityksessä auditiivinen informaatio saapuu ensin ydinalueille ja välitetään sitten korkeamman asteen auditiivisiin kenttiin (Kaas ja Hackett, 2000). Kuitenkin jopa DA, jota pidetään korkeamman asteen alueena, koska siltä puuttuu tonotopia, saa tiheitä projektioita suoraan MGv:stä (Hofstetter ja Ehret, 1992; Honma et al., 2013; Tsukano et al., 2013b, 2015), vaikka projektioneuronien tarkkoja sijainteja ei ole vielä kvantitatiivisesti analysoitu. MGv:llä on oltava porttifunktio, joka päättää, mitä ääni-informaatiota lähetetään kuhunkin kortikaaliseen kohteeseen. On hyvin tiedossa, että sensorisella talamuksella on läheiset suhteet talamuksen verkkomaisen ytimen (TRN) kanssa, joka on miehitetty GABAergisilla neuroneilla ja joka osallistuu nousevien auditiivisten tulojen porttiohjaukseen (Cotillon-Williams et al., 2008; Kimura et al., 2009). On tullut todennäköisemmäksi, että MGv ei toimi vain relepisteenä vaan myös kuuloinformaation valintasuodattimena (Blundon ja Zakharenko, 2013).

Makroskooppiseen rakenteeseen perustuva talamokortikaalinen rinnakkaisreitti voi olla kaikkialla jyrsijöiden aistijärjestelmissä. On raportoitu, että rottien kuulojärjestelmässä on rinnakkaisia talamokortikaalisia ratoja. Rotan AC sisältää useita tonotopisia alueita (Kalatsky et al., 2005; Polley et al., 2007), jotka ovat samanlaisia kuin hiirellä, ja näiden tonotopisten alueiden talamuksen alkuperät: A1 ja AC:n ventraalinen osa, ovat rostrocaudaalisesti erilaiset MGv:ssä (Storace et al., 2011, 2012; Shiramatsu et al., 2016). Näin ollen talamuksen alkuperien ja kortikaalisten kohteiden spatiaaliset suhteet ovat samanlaisia hiirien ja rottien välillä. Lisäksi vanhemmat jäljityskokeet viittasivat rinnakkaisten auditiivisten talamokortikaalisten ratojen olemassaoloon toisessa jyrsijälajissa, marsussa (Redies et al., 1989). Hiiren VC:ssä on paljastettu yksityiskohtaisia korkeamman asteen alueita optisen kuvantamisen avulla (Tohmi et al., 2009, 2014; Andermann et al., 2011; Marshel et al., 2011), ja niiden talamuksen alkuperät visuaalisesta talamuksesta olivat erilaiset, mikä viittaa rinnakkaisten virtojen olemassaoloon korkeamman asteen visuaalisessa järjestelmässä (Tohmi et al., 2014). Tulevissa fysiologisissa tutkimuksissa olisi pohdittava, mitkä aistitiedon näkökohdat syötetään kortikaalisiin osa-alueisiin talamuksen kautta, ja tutkittava, miten rinnakkaiset talamuksen afferentit tekevät yhteistyötä kortikokortikaalisen hierarkkisen prosessoinnin kanssa.

MGv:hen suuntautuvien lemniskaalisten tektotalamisten projisointien alkulähde on ICc. Kuten edellä mainittiin, ICc:tä pidetään monotonisena, yhtenäisenä rakenteena (kuva 2). ICc voi kuitenkin koostua myös useista lokeroista, joilla on erilainen tonotopia ja joista kukin lähettää projektioita MGv:n lokeroon. Muussa tapauksessa ICc:n tonotopia voi olla yhtenäinen, mutta tonotopia eroaa, kun se välittyy MGv:hen, niin että yksittäinen neuroni synnyttää projektiohaaroja useisiin MGv:n osastoihin. On tärkeää tietää, missä lemniskaalisessa ytimessä tonotopian eroavaisuus tapahtuu gatingin tai ääniominaisuuksien valikoitumisen kannalta. Ainakin meidän on myönnettävä, että kuulo toteutuu monimutkaisempien reittien kautta kuin aiemmin on ajateltu.

Johtopäätökset

Hiirillä on vähitellen paljastettu AC:n yksityiskohtainen kartta ja uusi järjestelmä rinnakkaisten talamokortikaalisten projektioiden rinnakkaisuudesta MGv:stä ja AC:stä, mikä on johtanut käsitykseen, jonka mukaan kortikaalinen moninkertainen tonotopia edustaa jyrsijöillä ”useita ydinkeskustoja” (”multiple cores”) (”multiple cores”), (Storace ym. ym., 2012). Tarvitaan uusi teoria tai malli, jolla yhdistetään useat rinnakkaiset perifeeriset tulot useisiin kortikaalialueisiin olemassa olevaan nisäkkäiden kortikokortikaaliseen hierarkkiseen prosessointiin (Felleman ja Van Essen, 1991; Kaas ja Hackett, 2000). Koska tonotopian läsnäolon toiminnallinen merkitys on nykyään kiistanalainen (Hackett et ai., 2011; Aschauer ja Rumpel, 2014), tarvitaan lisätutkimuksia sen selvittämiseksi, miksi sekä auditiivinen talamus että aivokuori tarvitsevat useita lokeroita ja alueita, joilla on erilainen tonotopia. Toiminnallisen erikoistumisen teorian perusteella kullakin kuuloaivokuoren osa-alueella ja lokerolla voi olla erillinen tehtävä käsitellä erillistä äänitekijää. Nämä kysymykset ovat välttämättömiä tulevan keskeisen kuulojärjestelmän tutkimuksen kannalta toimivien mekanismien paljastamiseksi.

Author Contributions

HTsukano, MH, SO, KT ja YK suorittivat kokeita ja saivat perustiedot tämän katsauksen kirjoittamiseksi. RH ja HTakebayashi antoivat kriittisen idean ja kommentteja tähän työhön. HTsukano hankki rahoitusta tähän työhön. HTsukano kirjoitti käsikirjoituksen, ja HTsukano ja KS tarkistivat sen. Kaikki kirjoittajat hyväksyivät tämän käsikirjoituksen julkaisemisen.

Rahoitus

Tätä työtä ovat tukeneet Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI-apuraha nro 26830008 (HTsukanolle), apuraha lääketieteellisen tieteen ja sairaanhoidon edistämiseen nro 15KI149 Ichiro Kanehara -säätiöltä (HTsukanolle) ja apuraha luonnontieteellisiin tutkimushankkeisiin nro 15KI149 (HTsukanolle). 140254 Sumitomo-säätiöltä (HTsukanolle).

Conflict of Interest Statement

Tekijät ilmoittavat, että tutkimus suoritettiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, jotka voitaisiin tulkita mahdolliseksi eturistiriidaksi.

Kiitokset

Kiitämme S. Maruyamaa teknisestä avusta histologisissa kokeissa sekä A. Matsushimaa ja M. Isogaita eläinten kasvatuksesta ja ylläpidosta.

Lyhenteet

AAF, anteriorinen kuulokenttä; AC, kuuloaivokuori; A1, ensisijainen kuulokenttä; A2, toissijainen kuulokenttä; CF, ominaistaajuus; DA, dorsoanteriorinen kenttä; DM, dorsomediaalinen kenttä; DP, dorsoposteriorinen kenttä; FFI, flavoproteiinifluoresenssikuvaus; IAF, insulaarinen kuulokenttä; IC, colliculus inferior; ICc, colliculus inferiorin keskusydin; MGB, mediaalinen genikulaarinen runko; MGv, mediaalisen genikulaarisen rungon ventraalinen jako; TRN, talamuksen retikulaarinen ydin (thalamic reticular nucleus); UF, ultraäänikenttä.

Footnotes

^ Nykyään kuulojärjestelmän paras taajuus (BF) määritellään yleensä taajuudeksi, jolle neuroni on herkin sillä edellytyksellä, että äänen voimakkuus on vakio. Vaikka heidän artikkelissaan käytettiin termiä BF, sitä voidaan pitää nimenomaan ominaistaajuutena (CF).

Andermann, M. L., Kerlin, A. M., Roumis, D. K., Glickfeld, L. L., ja Reid, R. C. (2011). Hiiren korkeampien visuaalisten aivokuorialueiden toiminnallinen erikoistuminen. Neuron 72, 1025-1039. doi: 10.1016/j.neuron.2011.11.013