3.3.1.1(2). Inleiding en oriëntatie

In Hfdst.3.1.1(2) werd opgemerkt dat de auditieve banen vanaf de cochlea’s naar de hersenschors een zeer complex verloop hebben en dat zich op allerlei plaatsen in dit uitgebreide netwerk ‘kernen’ bevinden waarin bepaalde vormen van informatieverwerking plaatsvinden zijn. Om een eerste inzicht te geven in de ruimtelijke organisatie van het centrale auditieve systeem werden in dat hoofdstuk twee figuren getoond.

De afgelopen tien jaar is de kennis over de banen en kernen die bij de verwerking van de auditieve informatie een rol spelen sterk toegenomen. Daarnaast wordt er meer en meer onderzoek verricht naar de verwerking van spraak en taal, waarbij men gebruik maakt van functioneel hersenonderzoek, zoals fMRI.Kennis van de anatomische structuren en verbindingen (de ‘bouw’) vormt de basis voor het beschrijven en begrijpen van de processen (de ‘functies’). De anatomische structuren en verbindingen vormen het onderwerp van het voorliggend hoofdstuk. Net zoals in Hfdst.3.1.1(2) worden enkele algemene, ‘oriënterende’, figuren ingevoerd. Deze kunnen behulpzaam zijn om de verschillende locaties (stadia) van de verwerking van de informatie gemakkelijker te onthouden. De lezer wordt geadviseerd de overlap in de afbeeldingen te benutten en de verschillen in perspectief en detaillering te gebruiken om zich de samenhang tussen de verschillende structuren ruimtelijk voor te stellen.

Fig.1   geeft een schematisch overzicht van de verschillende auditieve kernen (alleen hoofdstructuren). De achtste hersenzenuw (N.VIII), de combinatie van de nervus vestibularis en de nervus acusticus, komt, van beide zijden vanuit de meatus acusticus interna, de hersenstam binnen juist beneden de pons, ter hoogte van de ‘brughoek’. De eerste kernen (‘nuclei’, plaatsen waar neuronen synapsen vormen) in de afferente banen bevinden zich – op die hoogte – in de buitenrand van de hersenstam (‘medulla’   ). Dit zijn de olijfcomplexen.

De omgeving van de medulla is schematisch afgebeeld in Fig.2 . Het cerebellum ligt op (rond) de ‘rug’ van de hersenstam. In plaats van ‘medulla oblongata’ wordt meestal de term ‘medulla’ gebruikt. De gehele structuur van medulla en pons wordt het ‘rhombencephalon’ genoemd.

Vanaf de olijfcomplexen (Fig.1) gaan de afferente gehoorbanen omhoog, verder de hersensenstam in en ook een beetje naar de buitenzijde (lateraal) daarvan. De twee directe banen (links en rechts, elk ‘laterale lemniscus’ genoemd) bereiken de ‘kernen van de laterale lemniscus’. We bevinden ons dan juist boven de pons, dus in het mesencephalon. Het volgende ‘station’ (links en rechts) direct dáárboven heet ‘colliculus inferior’ (nog steeds mesencephalon). Daarboven bevindt zich, meer naar lateraal, aan twee kanten het ‘corpus geniculatum mediale’, precies onder de ‘thalamus’. Deze laatste is een structuur die zich als een brede ringvormige dop op het mesencephalon bevindt (zie verder).

Een overzicht van de anatomische omgeving ter hoogte van het mesencephalon en hoger en tevens een inzicht in de verhoudingen aldaar is te zien in Fig.3. Het betreft aan de linkerzijde een preparaat van een menselijke hersenstam gezien vanaf de achterkant (‘posterior’ – ‘dorsaal’), waarbij het cerebellum is verwijderd. De dikke structuur boven de nummers (1) en (2) is de pons. De nummers geven de plaats aan waar zich (in de hersenstam) de verschillende structuren bevinden. Aan de rechterzijde is eenzelfde structuur schematisch weergegeven.

De auditieve banen, dus de verbindingen tussen de verschillende kernen, worden in de volgende paragraaf besproken.

3.3.1.2(2). Kernen en verbindingen (afferente systeem)

Nervus cochlearis, cochleaire kernen en verbindingen
Aan de basis van elke haarcel bevinden zich de synapsen van één of meer vezels van de nervus cochlearis (N.VIII). De cellichamen (ganglioncellen) van deze zenuwvezels bevinden zich als ganglion spirale in de lamina spiralis. Dit is de benige uitloper, in de richting van het basilaire membraan, van de modiolus, de holle as van de cochlea. Het is de ‘wenteltrap’ rond de modiolus zoals die in Hfdst.3.3.3(2), Par.3 werd beschreven. De (primaire) zenuwvezels in de modiolus vormen samen de gehoorzenuw (N.VIII).

Er zijn ongeveer 30.000 spirale ganglia in de modiolus. De perifere axonen van de (bipolaire) spirale ganglia ontvangen door de haarcellen opgewekte elektrische potentiaalveranderingen. Aan de centrale kant treden de vezels, als onderdeel van de N.VIII, uit de modiolus en gaan dóór de meatus acusticus interna naar de hersenstam. De bundel gaat na het verlaten van de meatus interna enigszins omhoog, zoals te zien is in Fig.3.

De eerste ‘stations’ in de hersenstam die (ipsilateraal) bereikt worden (Fig.4) zijn de dorsale cochleaire nucleus (‘nucleus cochlearis dorsalis’) en de ventrale cochleaire nucleus (‘nucleus cochlearis ventralis’). Deze bevinden zich aan de buitenzijde van de hersenstam, min of meer posterior, dus aan de kant van het cerebellum. De ventrale cochleaire nucleus wordt onderverdeeld in een ‘nucleus cochlearis ventralis anterior’ en een nucleus cochlearis ventralis posterior’, respectievelijk genoteerd als ‘AVCN’ en ‘PVCN’.

Fig.5. laat dezelfde horizontale doorsnede door de hersenstam zien als Fig.4. De cochleaire kernen en de kernen van het olijfcomplex zijn weer donker gemarkeerd de. De getrokken lijnen zijn de neurale bundels, respectievelijk de ‘stria acustica dorsalis‘ (DAS), de ‘stria acustica intermedialis’ (IAS) en de ‘stria acustica ventralis’ (VAS).

De zenuwbundel bereikt beide kernen, de dorsale zowel als de ventrale, zoals te zien is in het schema in Fig.6.

Nucleus cochlearis
In de cochleaire nuclei onderscheidt men, op basis van het responsiepatroon (‘Peri Stimulus Time Histogram’ -PST) en spectrale gevoeligheid (‘tuning curve’, zie 6.3.3(2)), vijf verschillende typen cellen. Eén type bevindt zich alleen in de dorsale kern, een tweede alleen in de anteroventrale kern (AVCN) en de overige drie in de posteroventrale kern (PVCN). Een en ander geeft aan dat de drie kernen verschillende functies hebben in de verwerking van de auditieve informatie. Deze functie komen verder aan de orde in Hfdst.6.2.2. Verder hebben de dorsale en de ventrale kern elk afzonderlijk een tonotopische organisatie, zoals geïllustreerd in Fig.4 en Fig.5. De cochleaire kernen zijn gesitueerd rond het in Fig.6 van Hfdst.3.1.1(2) aangegeven ‘restiforme lichaam’ (‘corpus restiformus’).

Uit onderzoek is gebleken dat een beschadiging in de cochlea ertoe kan leiden dat delen van de cochleaire kernen gaan degenereren. Kennelijk leidt een ontbreken van invoer van informatie en dus een functieverlies tot een onttakeling van de cel. Vanuit de hersenstam beïnvloeden acusticus neuromen, als gevolg van de posterolaterale ligging op de hersenstam, het functioneren van de cellen in de cochleaire nuclei. Hetzelfde geldt voor brughoektumoren.

Vanuit de cochleaire kernen vertrekken de tweede orde neuronen. Er zijn drie hoofdbundels (Fig.5), de dorsale bundel (DAS), de intermediaire bundel (IAS) en de ventrale bundel (VAS). Deze gaan voor het merendeel naar de contralaterale zijde van de medulla. De dorsale bundel gaat langs beide olijfcomplexen heen direct door naar de kern van de contralaterale lemniscus. De intermediaire bundel, afkomstig van de posteroventrale cochleaire nucleus, ‘doet beide olijfcomplexen aan’ (ipsilateraal en contralateraal), maar gaat er ook voor een deel aan voorbij. De dikste bundel, de ventrale, afkomstig van de anteroventrale cochleaire nucleus, gaat naar de cochleaire kernen, namelijk de ipsilaterale en contralaterale olijfcomplexen (niet naar het ipsilaterale corpus trapezoïdum), het contralaterale corpus trapezoïdum en – direct door – naar de contralaterale kernen van de laterale lemniscus.

Het olijfcomplex
Het olijfcomplex bestaat uit een laterale S-vormige hoofdkern (‘oliva superior laterale’), een mediale kern (‘oliva superior mediale’) en – verder mediaal – het ‘corpus trapezoïdum’ (Fig.4). Opvallend is – zoals reeds opgemerkt in de vorige alinea – dat het olijfcomplex op geen enkele wijze aangedaan wordt door de dorsale bundel, noch vanuit ipsi- noch vanuit de contralaterale zijde. De laterale kernen worden vanuit zowel vanuit de PVCN als de AVCN bilateraal geïnnerveerd. De innervatie van het corpus trapezoïdum is minder duidelijk, maar men neemt aan dat hier alleen van een contralaterale innervatie sprake is, vanuit de AVCN via de VAS.

In de kernen van het olijfcomplex is, op dezelfde wijze als in de cochleaire kernen, een tonotopische organisatie aanwezig, zoals aangeduid in Fig.4 en Fig.5. Daarbij worden in de mediale kernen vooral lage frequenties gerepresenteerd, terwijl in de laterale kernen en in het corpus trapezoïdum het hele frequentiegebied vertegenwoordigd is. De cellen in de olijfkernen laten hoofdzakelijk scherpe tuning curves zien, maar de responsiepatronen (PST’s) kunnen verschillen. Vanuit de olijfkernen gaan derde orde neuronen op weg naar de kernen van de laterale lemniscus (LL) en wel vanuit de laterale (S-vormige) kern naar de ipsi- én contralaterale en vanuit de mediale olijfkern alleen naar de ipsilaterale kernen van de LL. De verschillende verbindingen zijn schematisch weergegeven in Fig.6. Het corpus trapezoïdum heeft geen eigen verbindingen met de kernen van de LL.

De laterale en mediale olijfkernen ontvangen dus van beide oren input. Op dit niveau kunnen dus signalen van beide cochlea’s elkaar beïnvloeden of met elkaar worden vergeleken. De kernen bevatten cellen die gevoelig zijn voor tijd- en intensiteitverschillen tussen de stimuli van de twee oren. Sommige cellen zijn excitatoir (vuren bij een bepaald tijdverschil) en andere inhibitoir (verminderen in activiteit) bij een bepaald tijd- of intensiteitverschil. Deze eigenschappen van de mediale olijfkernen maken het mogelijk de richting van een geluidsbron te bepalen. Vanaf het niveau van de olijfkernen tot en met dat van de hersenschors is er een representatie vanuit de beide cochlea’s.

De kernen van de laterale lemniscus
In de laterale lemniscus bevinden zich twee groepen van cellen, de dorsale kernen en de ventrale kernen. Ze zijn gelokaliseerd ter hoogte van de bovenzijde van de ‘pons’. Er zijn in hoofdzaak vier afferente inputs:

1. De tweede orde neuronen van de ‘stria acusticus direct vanaf de contralaterale dorsale cochleaire nucleus (zie ook hiervoor, onder ‘nucleus cochlearis’)
2. Een bundel afkomstig van de laterale olijfkern – ipsilateraal
3. Een bundel afkomsig van laterale olijfkern – contralateraal
4. Een bundel van de mediale olijfkern – ipsilateraal

Naast deze ‘opstijgende’ bundels is er op dit niveau ook een dwarsverbinding tussen de twee dorsale kernen van de LL, de ‘commissuur van Probst’ geheten. De meeste neuronen van de dorsale kernen kunnen bilateraal geactiveerd worden, maar die in de ventrale kern alleen contralateraal. Over de mate waarin er in deze kernen een tonotopisch organisatie aanwezig is verschilt men van opvatting.

Colliculus inferior
De kernen van de colliculus inferior (Fig.1 en Fig.6) behoren tot de grootste structuren in het centrale auditieve systeem. Ze liggen aan de dorsale zijde van het mesencephalon, 3 tot 3½ cm boven de bovenzijde van de pons (rostraal daarvan, zie Fig.2 en Fig.3). De twee kernen, links en rechts, liggen vrij dicht bij elkaar in die zin dat hun onderlinge afstand kleiner is dan hun omvangen. Ze bestaan elk uit een centrale kern met specifiek auditieve neuronen en een ringvormige structuur daaromheen met cellen die, behalve voor auditieve stimulatie, ook gevoelig zijn voor somatosensorische stimulatie (spiergevoel). Input komt hoofdzakelijk van de ipsilaterale (in meerderheid), maar ook van de contralaterale kernen van de laterale lemniscus.

De colliculus inferior vertoont een duidelijke tonotopische organisatie, met de neuronen die gevoelig zijn voor de hoge frequenties aan de ventrale zijde en de laagfrequentgevoelige aan de dorsale zijde. Er bevinden zich neuronen die responderen bij binaurale stimulatie, neuronen die activiteit vertonen bij temporele variaties in een geluid en neuronen die gevoelig zijn voor spatiële veranderingen.

In de colliculus inferior bevinden zich drie verschillende typen cellen met verschillende responsie-eigenschappen, dezelfde typen als in de cochleaire nucleus, maar in geringer aantal. Verder bevinden er zich een groot aantal neuronen met uiterst scherpe tuning curves.

Op het niveau van de colliculus inferior bevindt zich, op dezelfde manier als bij de kernen van de laterale lemniscus een commissuur, een verbinding tussen links en rechts. In de kernen van de colliculus inferior bevinden zich een groot aantal ‘interneuronen’. Dit zijn schakels tussen de derde orde neuronen onderling. Afferente output gaat naar het ipsilaterale corpus geniculatum mediale via een dikke zenuwbundel, het ‘brachium’ van de colliculus inferior geheten. Deze bundel ligt op het dorsolaterale oppervlak van het mesencephalon. Ook de direct boven de colliculus inferior gelegen ‘colliculus superior’, welke geassocieerd is met het visuele systeem, ontvangt (auditieve) input vanuit de colliculus inferior.

Het grote aantal neurale (dwars)verbindingen en de grote diversiteit in celeigenschappen geeft aan dat de colliculus inferior een belangrijke schakel is in de overdracht van auditieve informatie naar de cortex.

Corpus geniculatum mediale
De kernen van het corpus geniculatum mediale liggen in de thalamus (aan de onderzijde), slechts 1 cm boven het niveau van de colliculus inferior (mesencephalon), maar wel meer lateraal, zoals te zien is in Fig.1 en Fig.3. Input komt van de ipsilaterale colliculus inferior via het bijbehorende brachium. Elk corpus geniculatum mediale bevat drie deelkernen, een ventrale, een mediale en een dorsale. Deze hebben verschillende functies. De ventrale deelkern draagt specifieke auditieve informatie (spraak) over naar de auditieve cortex. De dorsale deelkern projecteert axonen op de ‘auditieve associatiegebieden’ (zie verder) van de cortex. Van de mediale deelkern denkt men dat deze deel uitmaakt van een multisensorisch ‘wek’ (‘arousal’) systeem.

In de ventrale deelkern is een tonotopische organisatie aanwezig. De cellen in deze deelkern hebben van de drie deelkernen de beste temporele resolutie, maar deze is veel minder dan die gevonden wordt in de cochleaire nucleus. De scherpte van de tuningcurves in het corpus geniculatum mediale als geheel varieert, maar in het algemeen zijn ze minder scherp dan die in de colliculus inferior. Verschillende typen cellen zijn gevonden, met verschillende responsiepatronen. Er zijn ook veel neuronen gevonden die gevoelig zijn voor binaurale stimulatie en die reageren op interaurale tijdverschillen.

De auditieve cortex
De afferente output van het corpus geniculatum mediale gaat (verder opzij – Fig.1) naar de cortex. Dit is de buitenste laag (‘schors’- ‘grijze stof’) van de hersenen (het ‘cerebrum’). Inzicht in de lokalisatie van de auditieve cortex kan worden verkregen door Fig.1 te combineren met de hierna te presenteren Fig.7.

Het gedeelte van de hersenen buiten-onder in Fig.1 en midden-onder in Fig.7 heet de ‘temporaal kwab’ (‘lobus temporalis’). De bovenkant van de temporaalkwab bij 41 en 42 die bekend staat als de ‘winding (gyrus) van Heschl’ (men kijkt hier naar binnen via een ‘kier’ – Fig.1) is de auditieve cortex. De ‘kier’ heet de ‘groeve van Silvius’ (Silvian fissure). Van de twee gebieden is het buitenste (42) de ‘primaire auditieve cortex’ en het binnenste (41) het ‘auditieveassociatiegebied’. Het auditieve associatiegebied is behalve voor auditieve stimulatie ook gevoelig voor visuele en talige stimulatie, zoals lezen en schrijven. Verder naar binnen in de hersenen, dus ver de groeve van Silvius in, bevinden zich nog twee gebiedjes die gevoelig zijn voor auditieve stimulatie, de ‘insula’ en het ‘claustrum’ De functie van deze gebiedjes is nog onvoldoende bekend. De twee auditieve cortices links en rechts zijn met elkaar verbonden via het ‘corpus callosum’ (Fig.6).

Er is gevonden dat de gemiddelde lengte van de winding (gyrus) van Heschl’s in de linker hersenhelft groter is dan in de rechter. Dit geldt echter pas voor grotere groepen (N=30). Voor ‘individuele’ hersenen kunnen geen conclusie getrokken worden.

Overige structuren –‘formatio reticularis’
Het auditieve systeem is op een ingewikkelde manier gekoppeld aan de ‘formatio reticularis’. Dit is een diffuse cellenstructuur in de kern van de hersenstam, met verbindingen naar het ruggemerg en naar de hersenen. Ook de andere zintuigsystemen en het motorische systeem zijn gekoppeld aan de formatio reticularis. Er zijn twee subsystemen, een sensorisch ‘ascending reticular activating system’ (ARAS) en een motorisch ‘activating system’. De functie van ARAS is het actief en alert maken van de cortex voor alle vormen van stimulatie.

3.3.1.3(2). De dalende gehoorbanen (efferente systeem)

Net zoals er stijgende (afferente) gehoorbanen zijn, bestaan er ook neergaande (efferente) banen. Deze zenuwbanen dalen af vanuit hogere hoorcentra naar de cochlea. Deze neuronen maken direct contact met de buitenste haarcellen. Ook met de binnenste haarcellen wordt contact gemaakt maar dat verloopt via synaptische verbindingen met de afferente vezels van de desbetreffende binnenste haarcel. Fig.8   laat dit zien.

Het systeem van efferente banen fungeert als ‘feedback circuit’. Men heeft gevonden dat het efferente systeem bijdraagt aan het selectief luisteren door het onderdrukken van storende en niet interessante geluiden.

Het best onderzochte deel van het efferente systeem is de ‘olivocochleaire bundel’, ook wel de ‘bundel van Rasmussen’ genoemd. Het algemene overzicht is getekend in Fig.9. De olivocochleaire bundel bestaat uit vier bundels neuronen die afdalen vanuit de mediale en laterale olijfkernen aan beide kanten. Ze komen in het binnenoor via de gehoorzenuw en verdelen zich binnen de cochlea over de binnenste en buitenste haarcellen.

Fig.9 laat zien dat de olivocochleaire bundel uit twee deelsystemen bestaat, een ‘ongekruist’ deelsysteem wat ipsilateraal projecteert (bundels I en II in Fig.9) en een ‘gekruist’ systeem wat contralateraal projecteert (bundels III en IV). In totaal zijn er rond de 1600 efferente neuronen. Bundel I (van het eerste deelsysteem) bevat een relatief groot aantal (800) neuronen welke afkomstig zijn uit de laterale oliva superior. Het zijn ongemyeliniseerde fibers met een kleine diameter. Ze projecteren op de ipsilaterale cochlea, waar zij een synaps hebben met de afferente dendrieten van de binnenste haarcellen. Een relatief klein aantal gemyeliniseerde fibers, afkomstig van de ipsilaterale mediale olijfkern (bundel II), gaan naar de ipsilaterale buitenstehaarcellen.

Het tweede deelsysteem (de gekruiste bundels) bestaat in hoofdzaak uit gemyeliniseerde neuronen met een grote diameter (bundel III) startend vanuit de omgeving van de mediale superiore olijf. Deze bundel kruist de middenlijn van de hersenstam ter hoogte van de vierde ventrikel eindigt op de contralaterale buitenste haarcellen.

Daarnaast is er nog een realief klein aantal ongemyeliniseerde neuronen (bundel IV), afkomstig van de laterale olijfkern, dat eindigt op de binnenste haarcellen.

De ongekruiste olivocochleaire bundel leidt dus in de eerste plaats het laterale olijfcomplex naar de afferenten van de binnenste haarcellen terwijl de gekruiste olivocochleaire bundel het mediale olijfcomplex laat eindigen direct op de buitenste haarcellen. Dit impliceert essentieel verschillende functies.

Behalve de gekruiste en ongekruiste olivo-cochleaire bundel zijn er andere efferente verbindingen gevonden, komend uit de colliculus inferior, de kernen van de laterale lemniscus en mogelijk ook uit het cerebellum. Evenzogoed als de hiervoor besproken efferente neuronen kunnen die ook een corticale controle bewerkstelligen op lagere centra.

3.3.1.4(2). Samenvatting en besluit

In de voorafgaande paragraaf zal duidelijk geworden zijn dat tonotopie, dat wil zeggen de ruimtelijke onderscheiding (tonotopische representatie) van frequenties, door de hele auditieve route naar de cortex vastgehouden wordt. Men kan hier spreken van ‘sequentiële verwerking’. Deze sequentiële verwerking laat echter – althans volgens de huidige kennis – geen consequente opbouw of ontwikkeling zien, bijvoorbeeld van een steeds nauwkeuriger afbeelding of van steeds scherpere tuning curves.

De grote diversiteit in typen cellen, responsiepatronen en neurale verbindingen,vooral wanneer men ‘hoger’ komt in het systeem, maakt duidelijk dat er ook verschillende vormen van verwerking naast elkaar aanwezig zijn. Dit noemt men ‘parallelle verwerking’.

Bij het bestuderen van de voorafgaande paragraaf dient men te bedenken dat in een aantal gevallen de informatie over structuren en functies is verkregen van proefdieren. Het is algemeen bekend dat er soms aanzienlijke anatomische verschillen zijn tussen de auditieve systemen van proefdieren (‘species differences’). Dit ondergraaft het voorafgaande niet, maar er dient wel rekening mee gehouden te worden.

Literatuur

1. Beatty J. Principles of behavioral neuroscience. Brown & Benchmark, 1995.
2. Durrant JD, Lovrinic JH. Bases of Hearing Science. The Williams & Wilkins Company, Baltimore, 1995.
3. Roeser RJ. Audiology Desk Reference. Thieme New York – Stuttgart, 1996.
4. Musiek FE, Oxholm VB. Anatomy and physiology of the central auditory nervous system: A clinical perspective. In: Audiology: Diagnosis (Roeser RJ, Valente M, Hosford-Dunn H, eds.), Thieme New York etc., 2000.
5. Spoendlin H. Structural basis of peripheral frequency analysis. In: Frequency analysis and periodicity detection in hearing (Plomp R, Smoorenburg GF, eds.) Sijthoff Leiden, 1970.
6. Warr WB. Olivocochlear and vestibular efferent neurons of the feline brainstem, their location, morphology and number determined by retrograde axonal transport and acetylcholinesterase histochemistry. J Comp Neurol 1975;161:159-182.
7. Warr WB. The olivocochlear bundle: Its origins and terminations in the cat. In: Evoked Electrical Activity in the Auditory Nervous System (Naunton RF, Fernández C, eds.) Academic Press New York, 1978.

Algemeen:
‘Springer Handbook of Auditory Research’. Webster DB, Popper AN. Fay RR (Eds.).: Deel ‘The mammalian Auditory Pathway: Neuroanatomy’,. Springer NY, 1992.

Auteurs

Kapteyn, Lamoré

Revisie

2007