Análisis espectral en las neuronas del colículo inferior de la rata

ANÁLISIS ESPECTRAL EN LAS NEURONAS DEL COLÍCULO INFERIOR EN LA RATA Olga Hernández, Salvatore Cristaudo, David Pérez-González., Marco A. Izquierdo y Manuel S. Malmierca Unidad de Neurofisiología Auditiva. Laboratorio de Neurobiología de la Audición. Instituto de Neurociencias de Castilla y León. Universidad de Salamanca. Correspondencia a: Dr. Manuel S. Malmierca. ([email protected]) Unidad de neurofisiología Auditiva. Laboratorio de Neurobiología de la Audición. Instituto de Neurociencias de Castilla y León. Facultad de Medicina. Universidad de Salamanca. Campus 'Miguel de Unamuno' 37007 Salamanca RESUMEN. La mayoría de los sonidos, incluyendo los producidos por el lenguaje oral, poseen un espectro complejo en frecuencias e intensidades. El análisis espectral de un sonido es una de las tareas fundamentales del sistema auditivo para el procesamiento de la información acústica. Las neuronas auditivas poseen campos receptivos donde se puede observar la sensibilidad a diferentes rangos de frecuencias e intensidades. Una forma de estudiar estos campos receptivos es mediante el análisis de los mapas de frecuencias (MdFs). Los MdFs en el colículo inferior se han clasificado habitualmente siguiendo un criterio visual, en función de la forma del área de respuesta, como V y no-V. Mientras que los tipos V reflejan procesamiento a nivel del nervio auditivo, los de tipo no-V engloban respuestas de tipo estrecho, cerrado, desviado a bajas y a altas frecuencias, de picos múltiples, forma de U, mosaico e inhibidor (Hernández et al. 2005). Estos resultados sugieren que la forma básica de los MdFs en V del nervio auditivo puede ser mantenida en algunos casos, pero en otros, se esculpe o modela en varios grados por la combinación de aferencias excitadoras e inhibidoras. INTRODUCCIÓN. El sistema nervioso auditivo procesa los estímulos sonoros mediante el análisis de las características temporales, biauriculares y espectrales de los sonidos. El resultado de este análisis multiparamétricoes la percepción e identificación de los sonidos que están en el ambiente, lo cual proporciona información del medio, y en algunas especies permite la comunicación oral. Una característica fundamental del sistema auditivo es su organización tonotópica (Irvine, 1992; Malmierca, 2003; Malmierca & Merchán, 2004; Malmierca & Irvine, 2005), que depende de la sensibilidad de cada neurona a un determinado rango de frecuencias del sonido. Esto es, en la mayoría de los núcleos del sistema auditivo la organización anatómica se corresponde con una organización funcional; las neuronas están ordenadas en función de la frecuencia a la que son más sensibles. El perfil espectral de una neurona auditiva (su respuesta a distintas frecuencias e intensidades) viene determinado por su campo receptivo, que consiste en las combinaciones de frecuencia e intensidad del sonido capaces de inducir una respuesta en la neurona, y que se representa gráficamente mediante un mapa bidimensional (Evans, 1979; Wang et al., 1996; Suga et al., 1997; Snyder et al., 2000; Sutter, 2000; LeBeau et al., 2001; Egorova et al., 2001; Hernández et al., 2005). Estos gráficos, denominados mapas de frecuencias (MdFs), se obtienen mediante el registro de las respuestas neuronales tras la presentación, de forma aleatoria, de sonidos de distintas frecuencias e intensidades, donde la frecuencia se representa en el eje de abscisas y la intensidad en el de ordenadas. Asimismo la magnitud de la respuesta neuronal en cada coordenada se representa mediante barras de distinta longitud, o bien mediante un código de colores (Figs. 1-3) que es proporcional al número de potenciales de acción evocados. Además de la forma que tome el campo receptivo de la neurona, en los MdFs también se pueden determinar otros parámetros característicos de la neurona, como el umbral (la menor intensidad de sonido a la que responde) o la frecuencia ideal (FI, la frecuencia del sonido a la que una neurona responde cuando la intensidad es menor, o sea en el nivel de umbral). CAMPOS RECEPTIVOS EN EL NERVIO AUDITIVO Y EN EL SISTEMA NERVIOSO CENTRAL AUDITIVO. Los MdFs de las fibras del nervio auditivo (NA) tienen forma de V (al aumentar la intensidad del sonido, la neurona responde a un rango de frecuencias mayor) independientemente de la gama de frecuencias (Liberman & Kiang, 1978; Møller, 1978; Carlier & Pujol, 1982), debido a que el NA transmite solamente impulsos excitatorios y sin inhibición al sistema nervioso central auditivo. Sin embargo, los MdFs de las neuronas del sistema central (Young & Brownell, 1976; Shofner & Young, 1985; Sutter & Schreiner, 1991; Sutter et al., 1999; Suga et al., 1997) presentan una gran variedad de formas (Wang et al., 1996; Ramachandran et al., 1999; Snyder et al., 2000; Snyder & Sinex, 2002, Hernández et al., 2005). Por ejemplo, los MdFs de las neuronas del colículo inferior (CI) varían en un rango que se extiende desde las V anchas, similares a los de las fibras del NA, hasta los mapas con áreas estrechas. Los MdFs de áreas de respuesta estrecha muestran una respuesta limitada a un rango de frecuencias muy reducido, que se mantiene de forma constante a altas intensidades del sonido. Estos MdFs se han denominado tolerantes al nivel (Suga, 1995) áreas en forma de I (Ramachandran et al., 1999), de tipo estrecho (Casseday & Covey, 1992; LeBeau et al., 2001) o de tipo I (Egorova et al., 2001). Otras neuronas presentan un área de respuesta muy reducida, no sólo para las frecuencias, sino también para las intensidades, y se han definido como de tipo O (Ramachandran et al., 1999) o cerrado(Casseday & Covey, 1992; LeBeau et al., 2001). Aproximadamente en un cuarto de los mapas registrados, el rango de frecuencias en el que la neurona responde se desplaza a medida que el nivel de intensidad aumenta (Hernández et al., 2005). Estos MdFs se denominan desviados a bajas frecuencias si el rango de frecuencias está desplazado hacia frecuencias más bajas que su FI, o desviados a altas frecuencias si el rango de frecuencias se desplaza hacia frecuencias más altas que su FI. Además, encontramos MdFs de tipo picos múltiples que tienen dos o más regiones excitadoras separadas por un área de poca o ausencia de respuesta y son la clase más común dentro de los noV. Dentro de la clase de MdFs de tipo no-V hay neuronas que responden a un amplio rango de frecuencias cerca del umbral. Este tipo de respuesta se denomina como MdF con forma de U. Unas pocas neuronas presentan un área de respuesta en forma de islas de inhibición y sin una FI clara. Estas respuestas se han denominado como MdFs de tipo mosaico. Finalmente también se han registrado MdF de tipo inhibido en los que se observa una reducción de la actividad espontánea, revelando un efecto inhibidor del estímulo. Los campos receptivos han sido estudiados cuantitativamente en el CI de la rata (Hernández et al., 2005), partiendo de un análisis de forma visual, como tipo V y tipo noV siguiendo los esquemas de clasificación establecidos por otros autores (Sutter & Schreiner, 1991, en la corteza auditiva del gato; LeBeau et al., 2001, en el CI de cobayo). Los MdFs en forma de V muestran un patrón de respuesta primario, similar al de las fibras del NA (Evans, 1972; Liberman & Kiang, 1978; Ruggero, 1992), cosa que no ocurre en los de tipo no-V. En función de estos criterios, alrededor de dos tercios de las neuronas del CI presentan MdFs con forma de V (Figs. 1A y 2A), y un tercio con forma de no-V (Fig. 3A). El análisis cuantitativo del estudio de la inversa de las pendientes obtenidas a partir de los bordes que delimitan el MdF a bajas y altas frecuencias, ha demostrado que los tipos de MdFs no están distribuidos en categorías discretas, sino que forman una serie continua en cuanto a la forma y la anchura, con una gran variabilidad a través de todo el rango de frecuencias (Hernández et al., 2005). La forma básica en V de los MdFs encontrada en las fibras del NA puede en algunos casos ser mantenida; sin embargo, en la mayoría de los casos es esculpida en diferentes grados por la combinación de aferencias excitadoras e inhibidoras, como muestran varios trabajos (Yang et al., 1992; LeBeau et al., 2001; Hernández et al.,2005). SIMILITUDES Y DIFERENCIAS INTERESPECÍFICAS. Los tipos de MdF que se encuentran en la rata son muy similares a aquellos descritos en el CI de cobayo (LeBeau et al., 2001), ratón (Egorova et al., 2001), y gato (Ehret & Merzenich, 1988; Ramachandran et al., 1999), aunque el porcentaje entre los diferentes tipos varía según el modelo animal empleado en los experimentos (tipo V: 69% en rata, 84 % en cobayo, 66% en ratón, 12% en gato; tipo no-V: 29% en rata, 16% en cobayo, 34% en ratón y 88% en gato). Estas diferencias pueden ser explicadas, al menos en parte, por los criterios de clasificación diferentes empleados en los distintos estudios. Por lo tanto, no está claro si estas diferencias representan variaciones genuinas y específicas de cada especie, o reflejan procedimientos quirúrgicos diferentes empleados en la preparación experimental (animal intacto vs. descerebrado), un sesgo en el muestreo dentro del CI u otros factores tales como los efectos de la anestesia (Evans & Nelson, 1973). IMPORTANCIA DE LA INHIBICIÓN. En muchos casos las neuronas del CI no tienen una cantidad de actividad espontánea suficiente para revelar las áreas de inhibición. Además, en otros casos, el uso de algunos anestésicos tiende a reducir dicha actividad espontánea. Sin embargo, es fundamental conocer cómo actúa la inhibición, ya que ésta parece moldear las áreas de respuesta excitatorias, dando lugar a algunos de los tipos de MdFs mencionados anteriormente. Para poder estudiar las áreas inhibidas en aquellas neuronas sin actividad espontánea o muy escasa, se emplea un método de estimulación conocido como ‘supresión con dos tonos’. Este método consiste en la construcción de un MdF con la presentación simultánea de dos tonos. Uno de los tonos es siempre el mismo, de una intensidad y una frecuencia determinadas previamente, y ha de ser capaz de provocar una respuesta excitatoria moderada en la neurona. Habitualmente la frecuencia de este tono es la FI de la neurona, y la intensidad es baja (en torno a 15 ó 20 dB por encima del umbral de la neurona). El segundo tono varía aleatoriamente en frecuencia e intensidad en cada presentación del estímulo, tal como se hace en la construcción rutinaria de un MdF. De esta forma, si alguna combinación de frecuencia e intensidad tiene un efecto supresor/inhibitorio en la neurona, la respuesta al primer tono será suprimida en esa zona del MdF (Figs. 2B y 3B, asteriscos). Gracias a este método se puede observar que una gran cantidad de neuronas del CI (~75 %) presentan áreas de supresión/inhibición en su respuesta, muchas de las cuales son muy amplias en frecuencia y otras son compatibles con bandas de inhibición lateral (~ 50 %). Esta inhibición afecta principalmente a los MdFs tipo no-V, aunque también son evidentes en algunos casos de MdFs de tipo V. Como se puede observar en la figura 2, es muy probable que las dos zonas de inhibición (bandas laterales) que flanquean la zona de respuesta excitatoria resulten de la interacción de dos MdFs, uno excitador y otro inhibidor, cuya FI es similar (ver línea punteada). Por ello, podemos concluir que el análisis espectral en el CI se produce, al menos en parte, gracias a procesos inhibitorios generados a nivel local. ORIGEN DE LA INHIBICIÓN. Los experimentos llevados a cabo con el paradigma de supresión con dos tonos permiten identificar áreas de inhibición, tanto en los mapas de tipo no-V (Fig. 3) como en los tipo V (Fig. 2). Aunque algunas de las zonas de supresión/inhibición podrían representar fenómenos de la dinámica coclear (p.e., Fig. 2B; Sutter et al., 1999), conviene subrayar que muchos de los patrones de supresión observados poseen umbrales muy bajos de inhibición, así como extremadamente amplios (p.e., Fig. 3B), que en ningún caso podrían ser un mero reflejo de fenómenos puramente mecánicos y los podemos interpretar sin género de dudas como procesos neuronales inhibitorios. Ello además es compatible con estudios de bloqueo de la inhibición GABAérgica y glicinérgica, en los que se ha demostrado que la frecuencia de descarga de las neuronas con MdFs de tipo V se incrementa dentro del campo receptivo, pero no se observó cambio en la forma (Palombi & Caspary, 1996; LeBeau et al., 2001). Por el contrario, en el caso de los MdFs de tipo no-V, las áreas de respuesta se agrandan convirtiéndose en forma de V, o al menos sufren una clara expansión (murciélago: Yang et al., 1992; chinchilla: Wang et al., 1996; cobayo: LeBeau et al., 2001). Estos experimentos apoyan la idea de que los procesos inhibitorios, dentro del CI, juegan un papel muy importante en la formación de los MdFs de tipo no-V. Por otra parte, es difícil concretar el origen de las aferencias responsables de moldear los MdFs. Si bien una de las posibilidades consiste en que se trate de proyecciones intracoliculares, no se puede obviar la posible implicación de los centros localizados en el tronco del encéfalo. Entre los candidatos de estos últimos se encontrarían el complejo olivar superior, y los núcleos del lemnisco lateral (Oliver, 2000; Malmierca, 2003; Malmierca & Merchán, 2004). La interacción y el balance entre estas aferencias inhibidoras y excitadoras hacia el CI determinarían los diferentes subtipos de MdF. AGRADECIMIENTOS. El trabajo de los autores mencionado en el artículo fue financiado por DGES (BFI2003-09147-02-01) y JCYL-UE (SA040/04) para MSM, por una beca predoctoral del MCYT (FP-2000-1358). SC tiene una Beca de la USAL y MAI del MEC (BFI200309147). DPG está temporalmente en el Dpt Psychology, University of Washington y financiado por NIDCD DC-00607. BIBLIOGRAFÍA. -Bauer CA, Brozoski TJ, Holder TM, Caspary DM (2000) Effects of chronic salicylate on GABAergic activity in rat inferior colliculus. Hear Res 147:175–182. -Carlier E, Pujol R (1982) Sectioning the efferent bundle decreases cochlear frequency selectivity. Neurosci Lett 28:101–106. -Caspary DM, Holder TM, Hughes LF, Milbrandt JC, McKernan RM, Naritoku DK (1999) Age-related changes in GABA(A) receptor subunit composition and function in rat auditory system. Neuroscience 93:307–312. -Casseday JH, Covey E (1992) Frequency tuning properties of neurons in the inferior colliculus of an FM bat. J Comp Neurol 319:34–50. -Ehret G, Merzenich MM (1988) Complex sound analysis (frequency resolution filtering and spectral integration) by single units of the inferior colliculus of the cat. Brain Res Rev 489(1): 101-12 -Evans EF (1972) The frequency response and other properties of single fibres in the guinea-pig cochlear nerve. J Physiol 226:263–287. -Evans EF (1979) Single unit studies of the mammalian auditory nerve. In: Auditory investigations: the scientific and technological basis (Beagley HA, ed), pp 324– 336. Oxford University Press: Oxford. -Evans EF, Nelson PG (1973) The responses of single neurones in the cochlear nucleus of the cat as a function of their location and the anaesthetic state. Exp Brain Res 17:402–427. -Egorova M, Ehret G, Vartanian I, Esser KH (2001) Frequency response areas of neurons in the mouse inferior colliculus: I. Threshold and tuning characteristics. Exp Brain Res 140:145–161. -Faingold CL (2002) Role of GABA abnormalities in the inferior colliculus pathophysiology-audiogenic seizures. Hear Res 168:223–237. -Hernández O, Espinosa N, Perés-González D, Malmierca MS (2005) The inferior colliculus of the rat: a quantitative analysis of monaural frequency response areas. Neuroscience 132 203–217 -Irvine DRF (1992) Physiology of the auditory brainstem. In: Mammalian auditory pathway: neurophysiology, (Popper A, Fay RR, eds), pp 153–231. New York: Springer Verlag. -Kelly JB, Glenn SL, Beaver CJ (1991) Sound frequency and binaural response properties of single neurons in rat inferior colliculus. Hear Res 56:273–280. -LeBeau FE, Malmierca MS, Rees A (2001) Iontophoresis in vivo demonstrates a key role for GABA (A) and glycinergic inhibition in shaping frequency response areas in the inferior colliculus of guinea pig. J Neurosci 21:7303–7312. -Liberman MC, Kiang NYS (1978) Acoustic trauma in cats: cochlear pathology and auditory-nerve activity. Acta Otolaryngol Suppl 358:1–63. -Malmierca MS (2003) The structure and physiology of the rat auditory system: an overview. In: Int Rev Neurobiol, Vol. 58 (Bradley RJ, Harris RA, Jenner P, eds), pp 147–211. -Malmierca MS, Hernández O, Falconi A, Lopez-Poveda EA, Merchán MA, Rees A (2003) The commissure of the inferior colliculus shapes frequency response areas in rat: an in vivo study using reversible blockade with microinjection of kynurenic acid. Exp Brain Res 153:522–529. -Malmierca MS, Merchán M (2004) The auditory system. In: The rat nervous system (Paxinos G, ed), pp 995–1080. San Diego: Academia Press. -Malmierca MS, Irvine DRF (2005) Auditory spectral processing. Int. Rev Neurobiol vol. 70 (en prensa) -Møller AR (1978) Frequency selectivity of the peripheral auditory analyzer studied using broad band noise. Acta Physiol Scand 104:24–32. -Oliver DL (2000) Ascending efferent projections of the superior olivary complex. Microsc Res Tech 51:355–363. -Palombi PS, Caspary DM (1996) GABA inputs control discharge rate primarily within frequency receptive fields of inferior colliculus neurons. J Neurophysiol 75:2211– 2219. -Ramachandran R, Davis KA, May BJ (1999) Single-unit responses in the inferior colliculus of decerebrate cats: I. Classification based on frequency response maps. J Neurophysiol 82:152–163. -Ruggero MA (1992) Physiology and coding of sound in the auditory nerve. In: The mammalian auditory pathway: neurophysiology (Popper A, Fay RR, ed), pp 34– 93. New York: Springer Verlag. -Shofner WP, Young ED (1985) Excitatory/inhibitory response types in the cochlear nucleus: relationships to discharge patterns and responses to electrical stimulation of the auditory nerve. J Neurophysiol 54:917–939. -Snyder RL, Sinex DG, McGee JD, Walsh EW (2000) Acute spiral ganglion lesions change the tuning and tonotopic organization of cat inferior colliculus neurons. Hear Res 147:200–220. -Snyder RL, Sinex DG (2002) Immediate changes in tuning of inferior colliculus neurons following acute lesions of cat spiral ganglion. J Neurophysiol 87:434–452. -Suga N (1995) Sharpening of frequency tuning by inhibition in the central auditory system: tribute to Yasuji Katsuki. Neurosci Res 21:287–299. -Suga N, Zhang Y, Yan J (1997) Sharpening of frequency tuning by inhibition in the thalamic auditory nucleus of the mustached bat. J Neurophysiol 77:2098–2114. -Suneja SK, Potashner SJ, Benson CG (1998) Plastic changes in glycine and GABA release and uptake in adult brain stem auditory nuclei after unilateral middle ear ossicle removal and cochlear ablation. Exp Neurol 151:273–288. -Sutter ML, Schreiner CE (1991) Physiology and topography of neurons with multipeaked tuning curves in cat primary auditory cortex. J Neurophysiol 65:1207–1226. -Sutter ML, Schreiner CE, McLean M, O’Connor KN, Loftus WC (1999) Organization of inhibitory frequency receptive fields in cat primary auditory cortex. J Neurophysiol 82:2358–2371. -Sutter ML (2000) Shapes and level tolerances of frequency tuning curves in primary auditory cortex: quantitative measures and population codes. J Neurophysiol 84:1012–1025. -Wang J, Salvi RJ, Powers N (1996) Plasticity of response properties of inferior colliculus neurons following acute cochlear damage. J Neurophysiol 75:171–183. -Yang L, Pollak GD, Reisler C (1992) GABAergic circuits sharpen tuning curves and modify response properties in the mustache bat inferior colliculus. J Neurophysiol 68:1760–1774.