Cuando se trata de escuchar, la precisión es importante. Debido a que los vertebrados, como las aves y los humanos, tienen dos oídos, y los sonidos de ambos lados viajan diferentes distancias para llegar a cada uno, localizar el sonido implica discernir diferencias sutiles en cuándo los sonidosllegar. El cerebro tiene que mantener el tiempo mejor que un reloj suizo para localizar de dónde viene el sonido.
De hecho, la calidad de esta precisión de procesamiento de sonido es un factor limitante en la forma en que uno detecta la ubicación del sonido y percibe el habla.
Un equipo de investigadores dirigido por R. Michael Burger, neurocientífico y profesor asociado en el Departamento de Ciencias Biológicas de la Universidad de Lehigh, ha identificado las características sinápticas y postsinápticas específicas que permiten a las neuronas auditivas computar con precisión temporal, revelando finalmente lo óptimodisposición de las propiedades eléctricas y de entrada necesarias para que las neuronas procesen su frecuencia "preferida" con la máxima precisión.
Para que las aves y los mamíferos escuchen, las células ciliadas de la cóclea, la parte auditiva del oído interno, vibran en respuesta a los sonidos y, por lo tanto, convierten el sonido en actividad eléctrica. Cada célula capilar se sintoniza con un tono de frecuencia único, que los humanos finalmente experimentan como tono.
Cada célula ciliada de la cóclea está asociada con varias neuronas que transmiten información desde el oído al cerebro de manera ordenada. Las respuestas de tono en la cóclea son, esencialmente, "reasignadas" al núcleo coclear, el primer centro cerebral paraproceso de sonidos.
Esta disposición espacial única de cómo se procesan los sonidos de diferentes frecuencias en el cerebro se llama tonotopía. Se puede visualizar como una especie de mapa de sonido: los tonos que están cercanos entre sí en términos de frecuencia están representados por las neuronas vecinas delnúcleo coclear.
La precisión de sincronización es importante para las neuronas del núcleo coclear porque su patrón de activación es específico para cada frecuencia de sonido. Es decir, su patrón de salida es similar a un código digital que es único para cada tono.
"En ausencia de sonido, las neuronas se disparan al azar y a una velocidad alta", dice Burger. "En presencia de sonido, las neuronas se disparan de una manera altamente estereotipada conocida como bloqueo de fase, que es la tendencia de una neuronadisparar en una fase particular de un estímulo periódico u onda de sonido "
Investigaciones anteriores de Burger y Stefan Oline, un ex candidato a doctorado en Lehigh, ahora becario postdoctoral en la Facultad de Medicina de la Universidad de Nueva York, demostraron por primera vez que las entradas sinápticas, los mensajes que se envían entre las células,- son distintas entre las frecuencias y que estos patrones de impulso diferentes se "mapean" en las células del núcleo coclear. Además establecieron los procesos computacionales por los cuales las neuronas "sintonizadas" para procesar el sonido de baja frecuencia en realidad mejoran la precisión de bloqueo de fase de los impulsossin embargo, los mecanismos que permiten que las neuronas respondan adecuadamente a estos mensajes entrantes específicos de frecuencia siguen siendo poco conocidos.
En una nueva investigación, publicada en un artículo en El diario de la neurociencia , Burger y Oline - junto con el Dr. Go Ashida de la Universidad de Oldenburg en Alemania - han investigado la selectividad auditiva de la membrana de las células cerebrales y han observado que las neuronas "sintonizadas" para recibir sonido de alta frecuencia seleccionan preferentemente una entrada más rápida que suhomólogos de procesamiento de baja frecuencia, y que esta preferencia es tolerante a los cambios en las entradas que se reciben.
"Una celda de baja frecuencia tolerará una entrada lenta y aún podrá disparar, pero una celda de alta frecuencia requiere una entrada muy rápida y rechaza la entrada lenta", dice Burger. "Las neuronas esencialmente exigen que la entrada de alta frecuenciaser más preciso "
"Lo que encuentro realmente sorprendente es que la sintonización de estas neuronas les ayuda a lidiar de manera única con las restricciones del oído", dice Oline. "Las neuronas que responden a la entrada de baja frecuencia pueden promediar sus entradas de las células ciliadas para mejorar su resolución. Perolas células ciliadas no son muy buenas para responder a los tonos de alta frecuencia, ya que introducen muchos errores de temporización. Debido a esto, y debido a que ocurren a una velocidad tan alta, promediar estas entradas es imposible y difuminaría la información a través de múltiples ondas de sonido.Entonces, en cambio, las celdas de procesamiento de alta frecuencia utilizan una estrategia completamente diferente: son lo más exigentes posible para evitar el promedio a toda costa ".
Burger y sus colegas construyeron una simulación por computadora de neuronas de baja frecuencia y alta frecuencia, basada en observaciones de actividad fisiológica. Luego utilizaron estos modelos computacionales para probar qué combinaciones de propiedades son cruciales para el bloqueo de fase. El modelo predijo que el óptimoLa disposición de las propiedades sinápticas y de la membrana celular para el bloqueo de fase es específica de la frecuencia de estímulo. Estas predicciones computacionales se probaron fisiológicamente en las neuronas.
El modelo del equipo no solo es útil para determinar cómo responde el cerebro a los sonidos, sino que también revela características generales de la optimización de entrada-salida que se aplican a cualquier célula cerebral que procesa información que varía en el tiempo.
Allanando el camino para una audición más precisa
Comprender los mecanismos que permiten que las células del núcleo coclear computen con precisión temporal tiene implicaciones para comprender la evolución del sistema auditivo.
"En realidad, las células de procesamiento de alta frecuencia han evolucionado de manera única en los mamíferos", explica Burger.
Comprender estos procesos también puede ser importante para avanzar en la tecnología utilizada para hacer implantes cocleares. Un implante coclear es un dispositivo médico electrónico que ayuda a proporcionar una sensación de sonido a alguien sordo o con pérdida auditiva severa. Reemplaza la función deel oído interno dañado al enviar impulsos eléctricos directamente al nervio auditivo. Estos impulsos, a su vez, son interpretados por el cerebro como sonido.
Aunque es un tratamiento establecido y efectivo para muchos, los implantes cocleares actualmente no pueden simular la precisión del sonido experimentado por aquellos con un sistema auditivo desarrollado de forma natural. El procesamiento del sonido carece de la claridad de la audición natural, especialmente a través de las frecuencias.
"Idealmente, lo que quiere, ya sea en su sistema auditivo natural o mediante un implante coclear, es la representación más precisa en el cerebro de las distintas frecuencias", dice Burger.
Burger y sus colegas han reunido lo que se sabe sobre las propiedades eléctricas óptimas y las entradas sinápticas en un solo modelo cohesivo, sentando las bases necesarias para investigar algunas de las grandes preguntas en el campo de la neurociencia auditiva. Resolver estas preguntas puede algún día llevar a los científicosy profesionales médicos para una mejor comprensión de cómo preservar la organización natural de las estructuras auditivas en el cerebro para aquellos que nacen con pérdida auditiva profunda.
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Materiales proporcionados por Universidad de Lehigh . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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