A. A fundamental property of hearing is the decomposition of complex sounds
into perceptually distinct frequency components. Each receptor cell in the
cochlea and most centrally located neurons respond only to a limited range of
frequencies. The individual frequency channels are spatially organized on the
cortical surface. This consistent topographical pattern provides a framework for
the investigation of other functional organization principles, e.g., the functional
properties of neurons in the six cortical layers and the responsiveness of
neurons to complex sounds. The frequency specific features of inhibition should
play an important role in shaping a neuron’s response to complex behaviorally
relevant stimuli.
Physiological and immunocytochemical evidence indicates a layer-dependent
organization of inhibitory circuits in the neocortex. To investigate the
contribution of GABAergic inhibition to frequency tuning in the different cortical
layers, single and multi units were recorded in near-radial penetrations before
and during iontophoretic application of the GABAA-receptor antagonist
bicuculline in the auditory cortex of the lightly anaesthetized gerbil (Meriones
unguiculatus). Bicuculline generally increased the spontaneous neuronal activity
and enhanced and prolonged onset responses to sound. Application of
bicuculline often resulted in a shift of the most sensitive frequency of the
neurons’ receptive fields and a decrease of threshold (5.5 dB). A broadening of
the frequency tuning evident by lower Q40dB values was observed in 63% of the
units. In units with several peaks in their tuning curve or clearly separated
response areas, bicuculline application removed inhibitory gaps in the receptive
fields and created single-peaked tuning curves. The influence of bicuculline on
the receptive field size was not significantly layer-specific but tended to be most
pronounced in layers V and VI. In layer VI, "silent" neurons were frequently
found that responded to sound only when GABAergic inhibition was
antagonized. From the analysis of postembedding GABA immunocytochemistry,
the proportion of GABAergic neurons was found to be maximal in layers I and
V, and the number of GABAergic perisomatic puncta (axon terminals) on cell
somata peaked in layer V. The influence of bicuculline was compared with the effects of two-tone
suppression. It was found that in some units, the effects of suppression could
be partially mediated by intracortical GABAergic inhibition.
In some units in layers IV, V, and VI, additionally to the initial excitatory activity
in response to stimulus onset, a second, long-lasting excitatory response
occurred several hundred milliseconds after the stimulus. This late response
was not dependent on stimulus duration and could be enhanced or elicited by
GABAA blockade. The fact that several, rhythmically occurring late responses
were elicited by the application of bicuculline suggests that recurrent excitatory
networks can become entrained by small modifications of inhibition.
B. In the natural environment, acoustic signals like animals’ communication
sound or human speech is often masked by background noise. Amplitude
fluctuations are often superimposed upon environmental sounds on their path of
transmission which can lead to a distinct temporal structure of the sound.
Furthermore, many natural background sounds are often temporally structured.
Vertebrates have evolved mechanisms to exploit amplitude modulations in
background noise to improve signal detection. Psychophysical and behavioral
experiments have shown that amplitude-modulated background noise
(comodulated noise) is less effective as a masker than unmodulated noise
bands of the same bandwidth, a phenomenon called comodulation masking
release (CMR). This phenomenon has been extensively studied in human
psychoacoustics. However, the underlying neural mechanisms are still debated.
Animal models in which a direct comparison of the neuronal response and the
behaviorally measured performance is possible could increase our
understanding of the underlying mechanisms. CMR could be demonstrated
behaviorally and neurophysiologically in a songbird, however, models for
mammals are still lacking. In behavioral experiments, Kittel et al. (2000)
demonstrated CMR in the gerbil. In the present study, using acoustic stimuli that
were identical with those of a behavioral experiment, a neural correlate of CMR
was described in the auditory cortex of the gerbil and compared with the
behavioral data.
In this study of neural mechanisms of masking release in the primary auditory
cortex of the anaesthetized gerbil, I determined neural detection thresholds for 200-ms test tones presented in a background of band-pass amplitude
modulated (50 Hz) noise maskers of different bandwidth (between 50 and 3200
Hz). Neural release from masking caused by comodulated band-pass noise was
evident at the level of the gerbil’s primary auditory cortex. On average, the
largest masking release (median 6.9 dB) was found for a masker bandwidth of
3200 Hz. This is less than the median masking release of 15.7 dB observed in
the behavioral study in the gerbil. For most masker bandwidths, however, a
small fraction of the neurons exhibited a masking release that was close to or
even larger than the behavioral masking release. The observation that the
release from masking increased as a function of the masker bandwidth
indicates that spectral components remote from the signal frequency enhance
the signal detection. However, there was no correlation between the neurons’
filter bandwidths and the amount of masking release. Thus, neuronal masking
release in the gerbil primary auditory cortex could be attributed to both signalmasker
interactions across different frequency channels and also to
mechanisms that act within a single frequency channel. The gerbil appears to
be a suitable animal model for additional studies comparing behavioral and
physiological performance in the same species. These studies could increase
our understanding of the perceptual mechanisms that are useful for the analysis
of auditory scenes.A. Eine grundlegende Aufgabe des Hörsystems besteht darin, den
Frequenzgehalt komplexer Geräusche zu analysieren. Jede Sinneszelle in der
Hörschnecke (Cochlea) und die meisten Neurone im zentralen Hörsystem
antworten nur auf einen bestimmten Frequenzbereich. Diese individuellen
Frequenzkanäle sind auf der Kortexoberfläche räumlich geordnet repräsentiert
(Topographie). Das topographische Muster des Hörkortex bietet die
Möglichkeit, andere funktionelle Organisationsprinzipien des Kortex, wie
beispielsweise die funktionellen Eigenschaften von Neuronen in den sechs
kortikalen Schichten oder die Antworteigenschaften von Neuronen auf
komplexe akustische Reize, zu untersuchen. Frequenzspezifische hemmende
neuronale Mechanismen sollten eine entscheidende Rolle bei der Modulation
der neuronalen Antworten auf komplexe verhaltensrelevante akustische Reize
spielen.
Erkenntnisse aus physiologischen und immunocytochemischen Studien deuten
auf eine schichtenspezifische Organisation der inhibitorischen neuronalen
Schaltkreise im Neokortex hin. In der vorliegenden Studie wurde der Einfluss
von GABAerger Inhibition auf die Frequenzabstimmung der Neurone in den
sechs Kortexschichten untersucht. Dazu wurden im Hörkortex von leicht
betäubten Wüstenrennmäusen (Meriones unguiculatus) Einzel- und
Mehrzellableitungen in Elektrodenpenetrationen senkrecht zur Kortexoberfläche
durchgeführt. Die Antworteigenschaften der Neurone wurden vor und während
der iontophoretischen Applikation des GABAA-Rezeptorantagonists Bicucullin
gemessen.
Ein Vergleich der neuronalen Antworteigenschaften vor und während der
Blockierung der GABAA-Rezeptoren zeigte, dass Bicucullin zu einer Erhöhung
der spontanen neuronalen Aktivität und zu einer länger andauernden
neuronalen Aktivität in Antwort auf den akustischen Reiz führte. Die Blockierung
von GABAA-Rezeptoren resultierte oftmals in einer Verschiebung der besten
Frequenz (die Frequenz für die das Neuron am sensitivsten ist) und in einer
Abnahme der Schwelle an der besten Frequenz (5.5 dB). Eine Abnahme der Q40dB-Werte und damit eine Verbreiterung der rezeptiven Felder wurde in 63%
der Neurone beobachtet. In Neuronen mit vielgipfligen Abstimmkurven oder mit
mehreren separaten Antwortbereichen wurden inhibitorische Bereiche
aufgehoben was zu eingipfligen Abstimmkurven führte. In einigen Neuronen
konnte exemplarisch die Auswirkung intrakortikaler Inhibition mit den Effekten
von Zwei-Ton-Maskierung verglichen werden. Es wurde festgestellt, dass in
einzelnen Neuronen intrakortikale GABAerge Inhibition ausreicht, um einen
Grossteil der Maskierungseffekte zu erklären.
Ein signifikanter Unterschied im Einfluss der GABAA-Rezeptorblockierung in
Neuronen verschiedener Kortexschichten war nicht festzustellen. Jedoch wurde
eine Tendenz zu stärkerem inhibitorischen Einfluss in den tiefen Schichten V
und VI beobachtet. In Schicht VI wurden „silent” Neurone gefunden, die nur
unter Blockierung der GABAergen Inhibition auf Reintöne antworteten. Die
immunocytochemischen Färbungen zeigten, dass der Prozentsatz der
GABAergen Neurone in den Schichten I und V maximal war. Des weiteren war
die Zahl der GABAergen Axonterminalien auf Neurone in der Schicht V am
höchsten. Dies deutet darauf hin, dass die kortikalen Ausgangsneurone einer
besonderen Kontrolle durch GABAerge inhibitorische Prozesse unterliegen.
In Neuronen in den Schichten IV, V, und VI wurde zusätzlich zu der
exzitatorischen Antwort auf den Beginn des akustischen Reizes eine zweite
exzitatorische, langandauernde Antwort beobachtet, die mehrere Hundert
Millisekunden nach dem akustischen Reiz auftrat. Diese späte Antwort war
unabhängig von der Reizdauer und konnte durch eine Blockierung der GABAARezeptoren
verstärkt oder sogar ausgelöst werden. Mittels GABAA-Rezeptorblockierung
konnten auch rhythmisch auftretende späte Antworten induziert
werden. Dies deutet an, dass geringe Veränderungen in der neuronalen
Inhibition exzitatorische neuronale Netzwerkschleifen anregen können.
B. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird ein neuronales Korrelat eines
psychoakustischen Phänomens im Hörkortex der Wüstenrennmaus
beschrieben. Die Wahrnehmung von akustischen Signalen in der Umwelt erfolgt
immer vor dem Hintergrund von Störgeräuschen. Akustisch relevante Signale
wie z.B. Kommunikationslaute von Tieren oder die menschliche Sprache
werden meist von Hintergrundgeräuschen maskiert. Aufgrund von atmosphärischen Turbulenzen werden natürlichen Geräuschen auf ihrem
Übertragungsweg oft Amplitudenmodulationen aufgeprägt. Außerdem sind viele
natürliche Hintergrundgeräusche zeitlich strukturiert, z.B. ein Vogelchor in der
Dämmerung oder das Stimmengewirr von Menschen in einem Restaurant. Das
Hörsystem der Vertebraten hat Mechanismen entwickelt, die zu einer
Verbesserung der Signaldetektion in störenden Hintergrundgeräuschen führen.
Psychoakustische Experimente am Menschen und Verhaltensversuche mit
Tieren konnten zeigen, dass amplitudenmodulierte Hintergrundgeräusche ein
Signal weniger effektiv maskieren als ein unmoduliertes Hintergrundgeräusch
derselben spektralen Bandbreite. Dieses Phänomen wird als „comodulation
masking release” (CMR) bezeichnet. Ins Deutsche übertragen bedeutet dieser
Begriff soviel wie „verminderte Maskierung durch kohärente Modulation”. In
psychoakustischen Untersuchungen beim Menschen ist CMR detailliert
untersucht, die zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen werden jedoch
noch kontrovers diskutiert. Zu einem besseren Verständnis der beteiligten
Mechanismen können Tiermodelle beitragen, bei denen ein direkter Vergleich
der neuronalen Antworten von Tieren mit der im Verhalten gemessenen
Leistung derselben Spezies möglich ist. Auf Verhaltensebene und neuronal
konnte CMR bisher beim Vogel Star nachgewiesen werden, für Säugetiere
fehlen jedoch bisher Modelle. In einer Verhaltensstudie konnten Kittel et al.
(2000) CMR bei der Wüstenrennmaus nachweisen. In der vorliegenden Arbeit
wurden zu den Verhaltensversuchen identische akustische Reize verwendet,
um ein neuronales Korrelat von CMR im Hörkortex der Wüstenrennmaus zu
beschreiben und mit den Verhaltensdaten zu vergleichen.
Hierzu wurden Testsignale (Reintöne der Dauer 200 ms) in Bandpass-
Rauschen (Bandbreiten zwischen 50 und 3200 Hz) geboten. Das Bandpass-
Rauschen war entweder unmoduliert oder mit einem Tiefpass-Rauschen (0-50
Hz) amplitudenmoduliert (comoduliertes Rauschen). Neuronale Wahrnehmungsschwellen
der Testsignale wurden in unmoduliertem und comoduliertem
Rauschen bestimmt. Eine Abnahme der Signalmaskierung durch das
comodulierte Rauschen konnte auf der Ebene des Hörkortex gezeigt werden.
Das größte CMR wurde für eine Rauschbandbreite von 3200 Hz gefunden
(Medianwert 6.9 dB). Dies ist zwar geringer als der in den Verhaltensversuchen gefundene Medianwert von 15.7 dB, für die meisten Maskiererbandbreiten
zeigte jedoch ein Teil der Neurone ein dem Verhalten vergleichbares oder
sogar größeres CMR. Das neuronale CMR war umso ausgeprägter je größer
die Bandbreite des maskierenden Rauschens war. Dies zeigt, dass spektrale
Komponenten außerhalb des Signalfilters die Signalentdeckung verstärken.
Eine Korrelation zwischen der Filterbandbreite der Neurone und dem Ausmaß
des CMR konnte jedoch nicht festgestellt werden. Ein Vergleich des CMR vor
und während der Blockierung der GABAergen Inhibition ergab keine
signifikanten Unterschiede. Aus diesen Ergebnissen kann gefolgert werden,
dass das neuronale CMR im Hörkortex der Wüstenrennmaus sowohl durch
Verrechnungen zwischen mehreren auditorischen Filtern als auch durch Signal-
Maskierer-Interaktionen innerhalb eines Filters bedingt wird. Mit dem Nachweis
des neuronalen CMR wurde die Wüstenrennmaus als geeigneter
Modellorganismus für weiterführende Studien etabliert, in denen die
Verhaltensleistung mit der neuronalen Leistung in derselben Spezies untersucht
werden kann. Diese Studien könnten zum genaueren Verständnis der
Wahrnehmungsmechanismen bei der Analyse von auditorischen Bildern
dienen