De auteurs van dit hoofdstuk zijn dr. Huib Versnel (senior onderzoeker UMC Utrecht, KNO) zeer erkentelijk voor de mogelijkheid, bij het schrijven van dit hoofdstuk, gebruik te maken van zijn college ‘Neuroscience and Cognition’.

6.2.2.1(2). Inleiding en indeling

Het auditieve systeem is een sensorisch systeem met als functie het verwerken van de informatie in geluid. Bij het beschrijven van die verwerking is het gebruikelijk het auditieve systeem op te splitsen in een ‘perifeer’ auditief systeem en een ‘centraal’ auditief systeem. Het perifere auditieve systeem omvat de bewerking van het geluid in het uitwendige oor en het middenoor, de analyse en omzetting van trillingen in elektrische activiteit in het binnenoor en het transport van de actiepotentialen in de gehoorzenuw. Alle verdere verwerking van deze informatie, die uiteindelijk leidt tot de herkenning van geluiden en het verstaan van spraak, vindt plaats in het ‘centrale’ auditieve systeem.

Het centrale auditieve systeem is een zeer complex systeem van zenuwbundels (ook zenuwbanen genoemd) dat begint vanuit de gehoorzenuw en eindigt in de auditieve cortex (de auditieve hersenschors). Op allerlei plaatsen in dit uitgebreide netwerk vormen de cellichamen van de zenuwvezels verdichtingen (‘kernen’ genoemd) waarin verschillende vormen van informatieverwerking aanwezig zijn.

Tijdens deze weg neemt het aantal cellen dat gerelateerd is aan het auditieve signaal enorm toe. Bij een resusaapje is dat van 30.000 eerste orde neuronen (in de gehoorzenuw) naar 10 miljoen in de auditieve cortex. Alle sensorische systemen, dus ook het auditieve systeem, worden in de hersenen gerepresenteerd in min of meer duidelijk anatomisch en functioneel te onderscheiden gebieden.

Het centrale zenuwstelsel kan ingedeeld worden volgens vier opeenvolgende niveaus van verwerking. De plaatsen van de auditieve banen en kernen binnen deze niveaus zijn schematisch afgebeeld in Fig.1. De hiërarchische indeling is samengevat in Tabel I. Fig.1 en Tabel 1 vormen het kader voor de bespreking van de informatieverwerking in de auditieve banen in het vervolg van dit hoofdstuk.

 

• Frequentie en frequentieresolutie
• Temporele structuur en temporele resolutie
• Intensiteit en dynamisch bereik
• Richting, binaurale interactie en lokalisatie
• Multimodale interactie .

Deze beschrijving van de codering van de stimulusparameters in de opeenvolgende kernen heeft als doel inzicht te geven in de voortgang van de verwerking van de auditieve signalen. In dat kader wordt ook aandacht besteed aan de op de verschillende niveaus voorkomende typen cellen, hun responsiepatronen en hun functies.

Hoewel de kennis over de elementaire structuren en verbindingen in het centrale auditieve systeem (het ‘neurale gehoor’) de laatste jaren enorm is toegenomen, bevindt veel onderzoek zich nog in het stadium van inventarisatie. De hoeveelheid gegevens is enorm, maar het ontbreekt nog aan voldoende testbare modellen en theorieën. Van toepassing hier is de triviale stelling dat wanneer een bepaald aspect van de verwerking bij de ene kern wordt vastgesteld en bij een andere niet wordt vermeld, dit laatste een gevolg kan zijn van het ontbreken van gegevens. Er is een veelheid van aspecten te bestuderen en in elk onderzoek worden slechts enkele gekozen. Het wachten is dan op de uitkomsten van verder onderzoek.

Veel van het onderzoek naar de neurale verwerking van auditieve informatie is gebaseerd op gegevens van proefdieren. Wat betreft de interpretatie van deze gegevens geldt dat uitkomsten van dieren met gespecialiseerde auditieve functies beperkte betekenis hebben voor het begrijpen van de auditieve verwerking bij de mens. Men neemt echter aan dat de uitkomsten voor cavia’s en katten tot op zekere hoogte wél generaliseerbaar zijn voor de mens. De anesthesie van de proefdieren speelt voor de te trekken conclusies wél een rol, maar niet een fundamentele.

In de volgende paragrafen wordt, voor de opeenvolgende kernen, de stand van zaken met betrekking tot de codering van de stimulusattributen besproken. Voor elk niveau wordt het besprokene afgesloten met een samenvatting. Daarin staan de belangrijkste aspecten van de neurale informatieverwerking op dat niveau. In de laatste paragraaf van dit hoofdstuk tenslotte wordt een algemene samenvatting gegeven. Begonnen wordt nu met het bespreken van de functies van de haarcellen en de gehoorzenuw, in aansluiting op het behandelde in Hfdst.6.2.1(2).

6.2.2.2(2). Niveau 0 – De haarcellen en de gehoorzenuw

Celtypen en responsiepatronen
De neurale informatie die de cochlea in de vorm van actiepotentialen aanlevert is hoofdzakelijk afkomstig van de binnenste haarcellen en niet van de in veel groter aantal aanwezige buitenste haarcellen. De meeste dendrieten van de 30.000 ganglioncellen (primaire neuronen) zijn verbonden met de binnenste haarcellen. Deze (afferente) neuronen heten ‘type I neuronen’. Het zijn gemyeliniseerde neuronen (meer dan 90% van het totaal) die meer of minder spontane activiteit vertonen. Elk type I neuron is via een dendriet met slechts één binnenste haarcel verbonden. Een binnenste haarcel op zijn beurt wordt geïnnerveerd door 10-20 verschillende type I neuronen. Naast deze type I neuronen is er een gering aantal (minder dan 10%) ongemyeliniseerde ‘type II neuronen’, die elk verbonden zijn met ca. tien buitenste haarcellen. De hierna te beschrijven eigenschappen gelden voor de type I neuronen. Hoewel er over de eigenschappen van type II neuronen niet zoveel bekend is beschouwt men de morfologische verschillen tussen de twee typen wel als een aanwijzing voor de aanwezigheid van twee parallelle stromen van informatie .

Een belangrijke karakterisering van het gedrag van een zenuwcel wordt gegeven door het patroon van de reeks actiepotentialen bij aanbieding van een toonstootje. Dit responsiepatroon (Fig.3) wordt ‘Post Stimulus Time Histogram’ (PSTH) genoemd. In de gehoorzenuw hebben alle PSTH’s deze vorm (‘primary like’ genoemd).

Frequentie en frequentieresolutie
Een geluid dat aan het oor wordt aangeboden brengt, afhankelijk van de frequentie van dat geluid, een bepaald stukje van het basilaire membraan maximaal in beweging. Wanneer een geluid wordt aangeboden dat meerdere frequentiecomponenten bevat, heeft elke component in het geluid een plaats van maximale uitbolling op het membraan. Dit leidt tot een ruimtelijke spreiding van de frequenties langs het basilaire membraan en dus tot een analyse van de geluidstrilling naar de samenstellende frequenties. De ruimtelijke scheiding naar frequentie wordt ‘tonotopie’ genoemd.

Op de plaatsen waar het basilaire membraan in beweging is gaan de stereocilia van de haarcellen heen en weer bewegen. Buiging van de stereocilia op de haarcellen naar de kant van de (afwezige) kinocilia veroorzaakt een depolarisatie van de haarcellen en leidt uiteindelijk tot een toename van het aantal actiepotentialen in de zenuwvezels die met de betreffende haarcellen contact maken. Als maat geldt hier het aantal actiepotentialen per seconde, ook ‘vuurkans’ en – in het Engels – ‘spike rate’ genoemd. Die toename wordt gerekend t.o.v. het niveau van ‘spontane activiteit’, d.w.z. het aantal actiepotentialen dat ook zonder stimulatie aanwezig is .

De meeste actiepotentialen worden gegenereerd rond de plaats waar de uitwijking van het basilaire membraan het grootst is. Natuurlijk worden niet alleen de stereocilia van de haarcellen op die top, maar ook die van de naburige haarcellen gestimuleerd, zij het in mindere mate. Doordat de haarcellen over de hele lengte van het basilaire membraan aansluitend naast elkaar gelegen zijn ontstaat er in de neuronale activiteit van de vezels van de gehoorzenuw een ruimtelijke weergave van de frequentiecomponenten uit het aangeboden geluidssignaal . Ook op het niveau van de gehoorzenuw is dus tonotopie aanwezig.

Hiervoor is uitgelegd dat elk van de afzonderlijke vezels van de gehoorzenuw afgestemd is op een bepaalde frequentie. De vraag is nu hoe nauwkeurig die afstemming is. Die afstemming blijkt zeer nauwkeurig te zijn. Er is altijd één frequentie waarvoor de vuurdrempel in een afzonderlijke vezel het laagst is en waarbij dus voor een zeer laag geluidsniveau al enkele actiepotentialen gegenereerd worden. Wanneer het geluidsniveau toeneemt, gaan naburige frequenties ook een bijdrage leveren. Voor deze – omringende – frequenties liggen de vuurdrempels hoger. In de zestiger jaren van de vorige eeuw is na systematisch onderzoek gebleken dat alle neuronen in de gehoorzenuw een V-vormig afstemmingspatroon hebben. Fig.4 illustreert dit. Deze curven heten ‘tuning curves’ . De stimulusfrequentie waarvoor de vuurdrempel het laagst is (en waarvoor het neuron het gevoeligst is) heet de ‘karakteristieke frequentie’ van het betreffende neuron. De ‘scherpte’ van deze afstemming is van de orde van grootte van 1/3 octaaf.

Temporele structuur en temporele resolutie
Het heen en weer bewegen van de stereocilia zoals hiervoor beschreven leidt, zolang de stimulusfrequenties niet al te hoog zijn, tot een periodieke depolarisatie (én hyperpolarisatie) van de betreffende haarcellen. Niet elke depolarisatie leidt tot de vorming van een actiepotentiaal. De kans is het grootst op het moment (in de fase) dat de uitwijking van het bewegende membraan maximaal is. De actiepotentialen worden dus gegenereerd in de ‘toppen’ van de golfvorm van de trilling. Men noemt deze koppeling ‘tijdcodering’, ‘synchronisatie’ of ‘phase-locking’.

De synchronisatie wordt gemeten door in een neuron de tijdstippen waarop de actiepotentialen optreden en de golfvorm van de stimulus gelijktijdig te registreren. Op deze wijze wordt vastgelegd op welke momenten binnen de golfvorm van de stimulus deze actiepotentialen het meest frequent gegenereerd worden. Door de bijdragen in de opeenvolgende golfvormen bij elkaar op te tellen ontstaat een resultaat dat ‘periodehistogram’ genoemd wordt. Een voorbeeld van een periodehistogram is te zien in Fig.5. Het is een weergave van de kans van voorkomen van de actiepotentialen binnen één periode van de stimulus.

Men vindt deze tijdcodering in alle vezels van de gehoorzenuw. Niet in elke ‘top’ van de trilling, wordt een actiepotentiaal gegenereerd. De zenuw kan even daarvóór al ‘gevuurd’ hebben , maar ook kan de depolarisatie in de dendriet te klein zijn voor de vorming van een actiepotentiaal. De gedachte is dat naast elkaar liggende vezels die gaten onderling opvullen en er door deze samenwerking een tijdpatroon ontstaat dat eveneens overeenkomt met de toppen van de golfvorm van de stimulus.

Intensiteit en dynamisch bereik
Verschillen in sterkte tussen aangeboden geluiden vertalen zich in de mate waarin de stereocilia heen en weer bewegen en dus in de mate waarin de haarcellen en vervolgens de dendrietuiteinden gedepolariseerd raken. Bij grotere intensiteiten van – bijvoorbeeld – een toon, zal het basilaire membraan sterker ‘uitbollen’ en zullen over een grotere afstand (in de lengterichting van het membraan) de stereocilia van de haarcellen gaan meebewegen. Dit leidt tot méér en sterkere depolarisaties in de uiteinden van de dendrieten. De kans op de vorming van actiepotentialen neemt dan toe en er komen méér actiepotentialen en in een groter aantal neuronen. De vorming van actiepotentialen is immers een statistisch proces, waarbij geldt dat hoe sterker de depolarisatie is hoe groter de kans is dat een actiepotentiaal wordt gegenereerd.

Het aantal actiepotentialen in een zenuwvezel, uitgezet tegen het geluidsniveau van de stimulus heet een ‘intensiteitsfunctie’ of ‘dynamische karakteristiek’. Het werkzame gebied van een zenuwvezel, van drempel tot het niveau waarbij het aantal vuringen niet meer toeneemt (‘verzadiging’), heet het ‘dynamisch bereik’ van die vezel. Het is niet groter dan 30 á 40 dB. Fig.6 laat twee gestileerde intensiteitsfuncties zien. Het dynamisch bereik is aangegeven door de pijlen. Omdat er vezels zijn met een relatief klein dynamisch bereik (de linker) en vezels met een groot dynamisch bereik (de rechter), kan men zich voorstellen dat, net zoals bij de tijdscodering, zenuwvezels elkaar aanvullen en het ‘vuren van elkaar overnemen’.

Gezamenlijk kunnen zij dan een groot bereik van geluidssterktes coderen. Dit bereik van het gehoor bedraagt 120 dB. Dit is een factor 10⁶. Het bereik is dus vergelijkbaar met een weegschaal waarmee men zowel grammen als tonnen kan wegen. Aan de realisatie van dit grote bereik levert overigens ook micromechanica van de buitenste haarcellen een bijdrage. Dit onderwerp wordt uitvoerig besproken in Hfdst.4.3.1.

Gehoorzenuw – samenvatting

De informatieverwerking op het niveau van de gehoorzenuw vertoont een zeer uniform beeld. Er is hoofdzakelijk één type (afferent) neuron en de belangrijkste karakteristieken van de stimulus, namelijk frequentie, tijd en intensiteit, worden in de vezels op dezelfde nauwkeurige wijze gecodeerd, respectievelijk in de vorm van een spatiële projectie van frequenties (tonotopie), ‘phase-locking’ en grootte van de vuurkans.

6.2.2.3(2). Niveau 1 – De cochleaire kernen (‘cochleaire nucleus’)

Celtypen en responsiepatronen
Het eerste belangrijke ‘station’ dat in het kader van de verwerking van de auditieve informatie wordt aangedaan is de ‘cochleaire nucleus’ (de ‘cochleaire kernen’ – links en rechts). De gehoorzenuw bereikt hier de hersenstam (zie ook Hfdst.3.3.1). Er vinden op dit niveau nog geen ‘kruisingen’ plaats. De signalen van het linker oor arriveren in de linker cochleaire nucleus en die van het rechter oor in de rechter nucleus. Elk van de ‘cochleaire nuclei’ bestaat uit een ‘dorsale cochleaire nucleus’ en een ventrale nucleus.

In deze cochleaire kernen onderscheidt men een tiental zeer verschillend gevormde typen zenuwcellen (tweede orde neuronen). Sommige cellen zijn bolvormig, andere stervormig, ‘ruig’ (‘bushy’) of ‘tentakelig’. Die benamingen zijn ontleend aan het patroon van de dendrieten van de verschillende typen cellen. Elk van deze celtypen wordt gekenmerkt door een specifiek responsiepatroon (bij stimulatie van het oor met een toon). We geven slechts enkele voorbeelden (Fig.7 ). In de eerste plaats zijn er de ‘primary like’ responsies (Fig.7A, hetzelfde als die in de gehoorzenuw). Bij andere patronen wordt het vuren gedurende het verloop van de stimulus geleidelijk opgebouwd (‘buildups’), soms na een korte ‘stilte’ na de ontlading aan het begin (‘pausers’ – Fig.7B). Sommige patronen weer bestaan uit een ontlading alleen bij het begin van de stimulus (‘onsets’ – Fig.7C) en tenslotte zijn er neuronen die pulserend vuren (‘choppers’ – Fig.7D). De diversiteit in responsiepatronen is niet een gevolg van het toepassen van verschillende typen stimuli, maar wordt bepaald door de anatomische organisatie (‘vorm’) van het type cel en vervolgens door de wijze waarop in die organisatie verschillende soorten input worden verwerkt.

Bepaalde typen cellen en hun bijbehorende vuurpatronen komen alleen voor in de ventrale cochleaire nucleus, andere alleen in de dorsale kern en een aantal vuurpatronen zijn in beide kernen aangetoond. De ventrale cochleaire nucleus wordt weer onderverdeeld in een anteroventrale en een posteroventrale nucleus

Wanneer een doorsnede gemaakt wordt door de cochleaire nucleus en men noteert in de afbeelding daarvan het voorkomen van de verschillende celtypen ontstaat er als het ware een landkaart met gebieden van verschillende vegetatie. De verdeling van de celtypen over de verschillende deelkernen vormt de basis voor de verschillende functies van deze deelkernen in de verwerking van de auditieve informatie.

Die verschillende functies van de deelkernen van de cochleaire nucleus komen ook tot uiting in de kernen waar de informatie naar toe gaat. De ‘bushy’ typen cellen in de anteroventrale nucleus bijvoorbeeld projecteren specifiek op zowel het contralaterale als het ipsilaterale olijfcomplex. Daar worden de aankomsttijden van de actiepotentialen vanuit de twee oren vergeleken. Omdat de tijdstippen waarop de actiepotentialen in deze ‘bushy’ cellen voorkomen nauwkeurig gekoppeld zijn aan de tijdstippen waarop die in de (innerverende) gehoorzenuw voorkomen is een nauwkeurige representatie van de richting van waaruit een geluid komt gewaarborgd.

Een tweede groep van projecties betreft de ‘piramidale’ cellen in de dorsale cochleaire nucleus. Dit zijn ‘pausers’ (zie het voorafgaande) die projecteren op de contralaterale laterale lemniscus en colliculus inferior. Hun responsiepatronen vertonen, afhankelijk van de stimuli zowel excitatie als inhibitie. De ‘pauze’ in het PSTH van Fig.7B is inhibitoir. Deze ‘stroom’ van projecties speelt een rol bij de identificatie van geluiden.

Frequentie en frequentieresolutie
De dorsale en de ventrale kernen van de cochleaire nucleus hebben elk afzonderlijk een tonotopische organisatie (zie Hfdst.3.3.1(2), Fig.4), maar in tegenstelling tot de situatie in de gehoorzenuw is er op het niveau van de cochleaire nucleus een aanzienlijke diversiteit in de vorm van de tuningcurven. Sommige, voornamelijk die in de anteroventrale kern, lijken sterk op die in de gehoorzenuw (Fig.8A). Het meest opvallend is echter de aanwezigheid – in de posteroventrale én dorsale kern – van tuningcurven (Fig.8B) waarbij het V-vormige excitatiegebied omringd wordt door een ‘inhibitiegebied’. Stimulatie dus met een toon waarvan de frequentie zich buiten het excitatiegebied bevindt heeft tot gevolg dat de aanwezige – spontane – activiteit in de cel wordt onderdrukt. Deze stimulatie kan ook onderdrukkend werken op de activiteit van een (tweede) toon die zich al in het midden van het excitatiegebied bevindt. De grootte van het effect is afhankelijk van het stimulusniveau. Deze tuning curven zien er soms heel complex uit, met meerdere excitatie- en inhibitiegebieden.

In feite leidt deze inhibitie tot een verbetering van het spectrale contrast, zoals voor een tonale stimulus in een achtergrond van ruis en voor stimuli met meerdere frequentiecomponenten. Het kan zelfs voorkomen dat een cel niet respondeert op ruis, maar wel op een tonale stimulus. Een voorbeeld van ‘spectrale opscherping’ voor de klinker e (de /e/ in ‘bed’) is te zien in Fig.9.

De dorsale kernen van de cochleaire nucleus dragen ook bij aan het tot stand komen van de lokalisatie van geluiden in het verticale vlak. Het is bekend dat de oorschelp het spectrum van geluiden beïnvloedt, afhankelijk van de (verticale) richting van waaruit het geluid komt. De aanwezigheid van de inhibitiegebieden is de basis voor de weergave van deze spectrale verschillen.

Temporele structuur en temporele resolutie
De (mate van) synchronisatie van de actiepotentialen met de tijdstructuur van de stimulus (phase-locking) is op het niveau van de cochleaire kernen eveneens sterk afhankelijk van het type zenuwcel. Verschillende typen neuronen vertonen dezelfde mate van synchronisatie als die in de gehoorzenuw (tot 3 á 4 kHz). Deze neuronen spelen waarschijnlijk een voorbereidende rol bij het bepalen van de richting – in het horizontale vlak – van waaruit een geluid komt. Andere typen kennen alleen synchronisatie bij frequenties lager dan 1 kHz of helemaal geen synchronisatie.

Behalve synchronie met de fijnstructuur van de stimulus is er ook – voor de ‘onsets’ en de ‘choppers’ – een duidelijke synchronie met de modulatiefrequentie (de amplitude van de stimulus wordt gemoduleerd – ‘Amplitude Modulatie’ – AM-signalen). De modulatie kan zelfs beter worden weergegeven dan in de gehoorzenuw (grotere modulatiediepte). Ze blijft aanwezig wanneer bij zeer hoogfrequente stimuli de phase-locking met de fijnstructuur aan het verdwijnen is.

Intensiteit en – dynamisch bereik
Een aantal intensiteitsfuncties die op het niveau van de cochleaire kernen gevonden worden wijken niet veel af van die in de gehoorzenuw. Het dynamisch bereik van de neuronen met deze ‘monotone’ intensiteitsfuncties is eveneens 30 á 40 dB (Fig.10A). . Daarnaast zijn er in de cochleaire nucleus ‘niet-monotone’ intensiteitsfuncties (Fig.10B). Deze twee typen zijn gekoppeld aan respectievelijk de afwezigheid (Fig.8A) en aanwezigheid (Fig.8B) van inhibiërende zijbanden in de tuningcurven.

Wanneer de intensiteit van een geluid toeneemt worden de neuronen over een groter gebied geactiveerd. Dit leidt er in (B) toe dat er inhibiërende gebieden worden aangesproken. Het aantal actiepotentialen in die neuronen wordt dan gereduceerd.

• De informatieverwerking in de cochleaire kernen kenmerkt zich door de aanwezigheid van een groot aantal zeer verschillende typen cellen, met elk specifieke anatomische vormen, dendrietenpatronen en responsiepatronen.
• Het voorkomen van deze typen is in veel gevallen gebonden aan één of meer deelkernen. De informatie uit de twee oren is op dit niveau nog gescheiden; de diversiteit en complexe organisatie op dit niveau kan beschouwd worden als een voorbereiding op de verdere verwerking.
• Eén informatiestroom (ventrale kernen) leidt tot de projectie van neuronen op de kernen van het contralaterale en ipsilaterale olijfcomplex; deze stroom speelt een rol bij de lokalisatie van geluiden in het horizontale vlak.
• Een tweede stroom van informatieverwerking (dorsale kernen) leidt tot spectrale opscherping, verbetering van de signaal ruisverhouding van geluiden en lokalisatie in het verticale vlak.
• Een derde informatiestroom (dorsale kernen), die naar de contralaterale colliculus inferior gaat, speelt een rol bij de herkenning van geluiden.
• Er zijn twee typen tuningcurven, één volledig excitatoir en één waarbij het excitatiegebied omgeven is door inhibiërende ‘zijbanden’.
• Er zijn ook twee typen intensiteitsfuncties, een die monotoon stijgt en een niet-monotone waarbij na een stijging een daling optreedt.
• De monotoon stijgende intensiteitsfuncties zijn gerelateerd aan de volledig excitatoire tuningcurven en de niet-monotone intensiteitsfuncties aan de tuningcurven met inhibiërende zijbanden.

6.2.2.4(2). Niveau 1 – Het olijfcomplex

Het olijfcomplex bestaat uit een laterale S-vormige hoofdkern, een mediale kern en het centrale ‘corpus trapezoïdum’ (zie Hfdst.3.3.1(2), Fig.4). Het olijfcomplex is het eerste station waar de informatie van de twee cochlea’s bij elkaar komt. Een groot deel van die informatie komt van de contralaterale cochleaire kernen (zie de schets hiernaast).

Celtypen – responsiepatronen
In de drie deelkernen worden verschillende typen cellen en verschillende – bijbehorende – responsiepatronen gevonden. In de laterale kernen (LSO – die het grootst zijn) hebben de meeste responsies een ‘chopper’ vorm (Fig.7D) en een minderheid dezelfde vorm als die in de gehoorzenuw (‘primary like’ – Fig.7A). De input voor de cellen in laterale kernen (LSO) is voornamelijk afkomstig van de contralaterale ventrale kernen van de cochleaire nucleus. Deze cellen spelen een belangrijke rol bij de vergelijking van interaurale verschillen in tijd en intensiteit (zie verder). In de mediale (kleine) kernen zijn de meeste patronen ‘primary like’ en ‘primary like with notch’(zoals in Fig.7A, maar dan met een ‘dipje’ aan het begin).

Frequentie en frequentieresolutie
De drie deelkernen hebben elk afzonderlijk een tonotopische projectie, in grijstinten aangegeven in het linker gedeelte van Fig.11 (dit is dezelfde figuur als Fig.4 van Hfdst.3.3.1(2) – een lichte tint duidt hoge frequenties aan en een donkere tint lage frequenties). De tonotopie in de laterale kern (LSO) is goed in kaart gebracht en ter illustratie weergegeven in het rechter gedeelte van Fig.11.

 

In de tonotopie van de mediale olijfkern (MSO) is een voorkeur voor lagere frequenties aanwezig. Bij de mens zijn, vergeleken met andere diersoorten, de mediale kernen groter en de laterale kernen kleiner. Dit heeft mogelijk te maken met het gebied van geluidsfrequenties waarvoor de mens gevoelig is. De mens hoort al frequenties vanaf 20 Hz, terwijl de meeste dieren pas geluid gaan horen wanneer de frequenties hoger worden dan 1000 Hz. De tonotopie in het corpus trapezoïdum wordt hier verder niet besproken.

De frequentieselectiviteit, zoals bepaald uit de scherpte van de tuningcurven, is van dezelfde orde van grootte als die in de gehoorzenuw en in de cochleaire kernen zolang de intensiteit van de stimuli laag is. Men blijft dan als het ware in de ‘punt’ van de V-vormige tuningcurve. Scherpe tuning curven kunnen onder dezelfde voorwaarden ook bij contralaterale stimulatie worden gevonden. Wanneer tweezijdig wordt gestimuleerd treedt inhibitie op, afhankelijk van de intensiteit en de ‘onset time’ van de contralaterale stimulus. Bij hogere stimulusniveaus gaat, net zoals in de cochleaire kernen, (ipsi)laterale inhibitie de breedte van het responsiegebied beperken.

Temporele structuur en temporele resolutie
De mate van synchronisatie wijkt niet veel af van die in de voorafgaande stations. De bovengrens voor ‘phase-locking’ ligt alleen wat lager (2-3 kHz) dan die in de cochleaire kernen.

Richting, binaurale interactie en lokalisatie
De meeste zenuwcellen in de olijfkernen zijn gevoelig voor stimulatie vanuit zowel het ipsilaterale als het contralaterale oor. In de responsies van deze cellen zijn bij binaurale stimulatie verschillende typen interacties te zien. Deze zijn geclassificeerd door middel van twee letters, waarbij de eerste letter betrekking heeft op het effect van stimulatie van het contralaterale oor op de responsie en de tweede op het effect van stimulatie van het ipsilaterale oor. De letter ‘E’ geeft een excitatoire responsie aan en de letter ‘I’ een inhibitoire responsie (‘excitatie-onderdrukkend’). De letter ‘O’ duidt op een afwezigheid van een responsie. Een ‘EE’ cel geeft dus toename van activiteit zowel bij contralaterale als ipsilaterale stimulatie en de afzonderlijke responsies worden versterkt bij binaurale stimulatie. Bij een ‘EI’ cel is er excitatie voor contralaterale stimulatie, maar deze vermindert wanneer een ipsilaterale stimulus wordt toegevoegd. De ‘EO’ cellen tenslotte zijn ‘monaurale’ cellen. In zowel de mediale als de laterale olijfkernen is de overgrote meerderheid (90% in de mediale kernen) van de zenuwcellen ‘bilateraal’ (dus EE, EI of IE).

Voor een goed inzicht in hoe deze binaurale interacties tot stand komen dienen we ons te realiseren dat, b.v. in het geval van een IE cel niet alleen de excitatoire ipsilaterale cel een gevoeligheidsgebied (een ‘tuning curve’ met een karakteristieke frequentie in het midden) heeft, maar ook de inhibitoire contralaterale cel. Men bepaalt dit gevoeligheidsgebied door in de ipsilaterale excitatoire cel te meten bij welke frequenties van de contralaterale stimulus een vermindering van het aantal actiepotentialen optreedt. Het is gebleken dat in deze IE cellen de excitatoire en inhibitoire gevoeligheidsgebieden dicht bij elkaar liggen en ze wat betreft vorm sterk op elkaar lijken. Binaurale interacties treden dus alleen op voor stimuli of voor componenten van stimuli die in hetzelfde frequentiegebied liggen.

Een tweede belangrijk aspect van de binaurale interactie is, weer met een IE cel als voorbeeld, dat contralaterale stimulatie de intensiteitsfunctie van de cel ( de ‘dynamische karakteristiek’) beïnvloedt. In aanwezigheid van een contralaterale stimulus van een bepaalde sterkte neemt het aantal actiepotentialen minder snel toe met de intensiteit van het geluid aan de ipsilaterale kant. Deze excitatoire intensiteitsfunctie (dynamische karakteristiek) wordt dus minder steil (Fig.12A). Omgekeerd kan er ook ‘facilitatie’ optreden. Dan neemt het aantal actiepotentialen extra snel toe wanneer de binaurale stimulus sterker wordt aangeboden (Fig.12B). Dit treedt overigens alleen op wanneer de tonen in de twee oren in fase zijn.

De vormen van binaurale interactie in de neuronen van de olijfkernen zoals hiervoor beschreven maken deze cellen zeer geschikt om een rol te spelen in het detecteren van de richting van geluidsbronnen (‘richtinghoren’ en ‘geluidslokalisatie’). Lokalisatie is gebaseerd op het detecteren van verschillen in intensiteit (‘Interaural Intensity Difference’ – IID) en verschillen in aankomsttijd (‘Interaural Time Difference’ – ITD) tussen de geluiden in de afzonderlijke oren bij stimulatie vanuit een bepaalde richting. Bij het detecteren van tijdverschillen wordt onderscheid gemaakt tussen lokalisatie van kortdurende geluiden (‘transients’) en lokalisatie van continu klinkende geluiden. Bij transients spelen hoofdzakelijk verschillen in tijd tussen de signalen in de afzonderlijke oren een rol. Bij continue geluiden is de lokalisatie gebaseerd op de verschillen in fase tussen de geluiden in de afzonderlijke oren. In het laatste geval, bij aanbieding van een toon vanuit een zijwaartse richting, zijn de signalen in de afzonderlijke oren ten opzichte van elkaar verschoven.

In de laterale olijfkernen wordt in de EI en IE cellen (de excitatie-inhibitie combinaties) het aantal afgegeven actiepotentialen sterk beïnvloed door verschillen in tijd (ITD) en intensiteit (IID) tussen de stimuli in de afzonderlijke oren. De EE cellen echter, die vooral in de MSO voorkomen, zijn gevoelig voor faseverschillen in continue geluiden. Een voorbeeld van de manier waarop in een neuron van de laatste categorie het aantal afgegeven actiepotentialen per seconde beïnvloed wordt door het faseverschil tussen de ‘linker’ en de ‘rechter’ toon is te zien in Fig.13.

Bij een bepaald tijdverschil (faseverschil) is de responsie maximaal. Dat is hier + 1.5 ms. Dit komt overeen met een richting aan de contralaterale zijde van de kern. Nu bedraagt de trillingstijd van de 444 Hz toon 2.2. ms. Als dus, met de stimuli in de oren, het tijdverschil ertussen een periode verkleind wordt ontstaat dezelfde (dichotische) stimulus en ontstaat er opnieuw een maximum in de responsie, nu dus bij + 1.5 – 2.2 = – 0.7 ms, dus aan de ipsilaterale zijde van de kern. Het feit dat het maximum in de curve niet bij 0 ms ligt (wanneer het geluid zich midden voor bevindt), maar bij 1.5 ms is een aanwijzing voor de aanwezigheid van een ‘projectie van richtingen’, op dezelfde manier als ‘tonotopie’ voor frequenties. Men spreekt hier van ‘karakteristieke delay’s’ (CD’s), in analogie aan het begrip karakteristieke frequentie (CF). Een neuron geeft een maximale respons bij een vast interauraal tijdverschil. Dit tijdverschil is onafhankelijk van de frequentie. Elk neuron heeft een eigen ‘karakteristiek tijdverschil’ (‘karakteristiek faseverschil’).

Fig.14 laat voor een dergelijk neuron in de mediale olijfkern het responsiegebied zien voor ‘richting’ (bij een vaste frequentie van de stimulus). Voor een bepaald gebied van tijdverschillen is de excitatie maximaal. Naarmate de frequentie hoger is wordt het patroon breder. Het betreffend neuron is dus in staat binnen het eigen responsiegebied een richting in het horizontale vlak te detecteren, ongeacht wat de frequentie is.

Het voorafgaande gedeelte over richtinghoren en binaurale interactie samenvattend wordt gesteld dat op het niveau van de olijfkernen het richtinghoren (EE cellen) gebaseerd is op een coïncidentie van reeksen actiepotentialen. Bij elk tijdverschil tussen de stimuli in de twee oren (dus bij elke richting) is er een cel die maximaal gevoelig is voor dat tijdverschil (die richting). Deze verwerking resulteert in een projectie van richtingen. Voorwaarde is dat de geluiden in de twee oren in hetzelfde frequentiegebied liggen.

Voor wat betreft de bijdrage van verschillen in intensiteit tussen de stimuli in de twee oren aan het richtinghoren is er op niveau van het olijfcomplex geen duidelijkheid. Afbeeldingen zoals Fig.14 zijn dan ook voor intensiteitsverschillen (nog) niet beschikbaar. Deze zijn wel aanwezig voor de colliculus inferior (zie verder).

Het model van Jeffress
Het model van Jeffress geeft een beschrijving van de wijze waarop het richtinghoren op basis van verschillen in aankomsttijd in de twee oren tot stand komt. Het eerste uitgangspunt van dat model is de aanwezigheid – in de mediale olijfcomplexen – van neuronen die een input ontvangen van beide cochlea’s en alleen vuren wanneer die inputs precies op hetzelfde tijdstip aankomen. Het tweede uitgangspunt is de aanwezigheid van neurale ‘vertraaglijnen’ die voor elke richting de verschillen in aankomsttijd gelijk maken zodat per richting slechts één neuron kan vuren. Het derde uitgangspunt is dat de vertraaglijn die bij de ipsilaterale input hoort in het contralaterale olijfcomplex ligt. Op deze wijze worden, bij een stimulus aan de ipsilaterale kant, de actiepotentialen zodanig vertraagd dat zij coïncideren met de actiepotentialen vanuit de contralaterale cochlea die later aankomen (dit is functioneel, omdat het geluid het contralaterale oor later bereikt. Het model is afgebeeld in Fig.15.

• Het olijfcomplex is het eerste station waar de informatie van de twee cochlea’s bij elkaar komt. Een groot deel van die informatie komt van de contralaterale cochleaire kernen
• In het olijfcomplex worden – net zoals in de cochleaire kernen – verschillende typen cellen met elk specifieke (anatomische) vormen en responsiepatronen gevonden.
• De frequentieselectiviteit en de mate van synchronisatie zijn niet verschillend van die in de cochleaire kernen.
• In de meeste cellen wordt het aantal afgegeven actiepotentialen beïnvloed door een combinatie van excitatie en inhibitie opgewekt door de stimulatie van de afzonderlijke oren.
• Zowel de excitatoire als de inhibitoire activiteit in een cel hebben in het frequentiedomein een overlappend V-vormig gevoeligheidsgebied.
• De mate van excitatie en inhibitie in een neuron, dus het aantal afgegeven actiepotentialen, hangt sterk af van verschillen in tijd en intensiteit tussen de stimuli in de afzonderlijke oren.
• In het olijfcomplex bevinden zich neuronen die alleen vuren wanneer de inputs vanuit de afzonderlijke oren gelijktijdig arriveren. Deze neuronen zijn via (neurale) ‘vertraaglijnen’ verbonden met de neuronen in de afzonderlijke cochlea’s (gekruist). De vertraaglijnen zorgen ervoor dat de verschillen in aankomsttijd die bij een bepaalde geluidsrichting optreden gelijk gemaakt worden zodat per richting slechts één neuron kan vuren. Elke vertraaglijn correspondeert dus met één bepaalde richting van waaruit een geluid komt (het model van Jeffress).
• Er zijn aanwijzingen voor de aanwezigheid van een ‘tonotopie’ voor richtingen, gebaseerd op de tijdverschillen tussen de stimulatie van de afzonderlijke oren. Er zijn ook karakteristieke ‘delays’ gevonden (onafhankelijk van de frequentie, binnen bepaalde grenzen).

6.2.2.5(2). Niveau 2 – De laterale lemniscus

In de laterale lemniscus bevinden zich twee groepen van cellen, de dorsale kernen en de ventrale kernen, aangegeven in Fig.2. We bevinden ons inmiddels in het mesencephalon (Fig.1) . De afferente inputs zijn beschreven in Hfdst.3.3.1(2). Naast deze ‘opstijgende’ bundels is er op dit niveau ook een dwarsverbinding tussen de twee dorsale kernen van de laterale lemniscus, de ‘commissuur van Probst’ geheten. De kennis met betrekking tot de functies van de neuronen van de laterale lemniscus is nog zeer onvolledig.

Celtypen en responsiepatronen
In de laterale lemniscus wordt (weer) een groot aantal celvormen aangetroffen, zoals ‘multipolaire’, ‘ronde’, ‘ovale’ cellen en ook conglomeraties van cellen. Deze spelen een rol in de selectie en organisatie van verschillende aspecten van het aangeboden geluid alvorens de resulterende informatie naar de colliculus inferior wordt doorgestuurd. De processen lijken vergelijkbaar met die in de voorafgaande stations. Niet alle celvormen zijn overal in de laterale lemniscus aanwezig.

De neuronen van de ventrale kernen kunnen alleen contralateraal geactiveerd worden (type EO) en projecteren op de ipsilaterale colliculus inferior. Dit verloop volgt dus de ‘hoofdstroom’. Het merendeel van deze projecties is inhibitoir. In de colliculus inferior worden deze projecties gecombineerd met directe projecties vanuit de kernen van de cochleaire nucleus en het olijfcomplex. De meeste neuronen van de dorsale kernen zijn gevoelig voor bilaterale stimulatie (type EI). Excitatie treedt dus op vanuit de contralaterale zijde en inhibitie vanuit de ipsilaterale zijde. Deze neuronen zijn ook gevoelig voor interaurale tijdverschillen

Frequentie en frequentieresolutie
Complete tonotopische projecties zijn in de ventrale kernen niet eenduidig vastgesteld en er is ook geen regelmatige projectie naar de colliculus inferior. Dit kan betekenen dat tonotopische rangorde hier geen prioriteit heeft. In de dorsale kernen echter is wél tonotopie aanwezig, namelijk – bij de rat – in de vorm van concentrische cirkels met de hoge frequenties in de buitenringen en de (relatief) lage in de binnenringen en bij de kat in stroken vanuit dorsaal in de richting van de ventrale kern. Deze tonotopie wordt (wél) geprojecteerd naar de colliculus inferior. Over de vorm van de tuningcurven in de laterale lemniscus is weinig bekend.

Temporele structuur en temporele resolutie
Synchronisatie in de vorm van ‘phase-locking’ is in de ventrale kernen niet gevonden. In de dorsale kernen is deze wel aanwezig voor frequenties beneden de 1 kHz. Deze ‘phase-locking’ is functioneel in het kader van de binaurale interactie (zie hierna). Bij hogere frequenties treden alleen fasische (‘onset’) responsies op.

Richting, binaurale interactie en lokalisatie
De belangrijkste functie van de – dorsale – kernen van de laterale lemniscus is de verbetering van lokalisatie van geluiden in het horizontale vlak. In deze dorsale kernen, met voornamelijk cellen van het type EI, is de contralaterale stimulus de exciterende en de ipsilaterale de inhibiërende. Deze cellen zijn ook gevoelig voor verschillen in tijd tussen de stimuli in de twee oren. Ze projecteren inhibitoir op zowel de ipsilaterale als op (gekruist) de contralaterale colliculus inferior. Deze ingewikkelde combinatie van excitatoire en inhibitoire verbindingen heeft een contrastverbetering voor de richting van geluidsbronnen in het horizontale vlak tot gevolg. Omdat de inhibitoire activiteit langzaam adapteert, werkt deze ook onderdrukkend op de responsies die een gevolg zijn van echo’s en achtergrondgeluid. De dorsale kernen van de laterale lemniscus dragen dus bij aan de verbetering de signaal ruisverhouding bij het bepalen van de richting van het geluid.

• De laterale lemniscus bestaat in hoofdzaak uit twee groepen van cellen, de dorsale kernen en de ventrale kernen.
• De ventrale kernen maken deel uit van de hoofdstroom naar de cortex, maar hebben geen functie in de binaurale interactie.
• Vanuit de dorsale kernen zijn er – naast excitatoire – zowel directe als kruisende inhibitoire projecties naar de colliculus inferior.
• De belangrijkste functie van de dorsale kernen van de laterale lemniscus is de verbetering van lokalisatie van geluiden in het horizontale vlak.
• De dorsale kernen dragen ook bij aan de contrastverbetering voor de richting van geluidsbronnen en de verbetering van de signaal ruisverhouding bij het bepalen van de richting van het geluid.

6.2.2.6(2). Niveau 2 – De colliculus inferior

De (meerdere) kernen van de colliculus inferior behoren tot de grootste structuren in het neurale auditieve systeem. Ze liggen aan de dorsale zijde van het mesencephalon, 3 tot 3½ cm boven de bovenzijde van de pons (rostraal daarvan, zie Hfdst.3.3.1(2), Fig.4 en Fig.5). Het merendeel van de neuronen uit de cochleaire kernen en olijfkernen en uit de laterale lemniscus eindigt in de colliculus inferior.

Daarnaast vindt men ‘interneuronen’, cellen die verbindingen vormen tussen zenuwcellen en die de colliculus niet verlaten. Men denkt dat zij de neurale activiteit van de ‘hoofdneuronen’ moduleren. Bij de projecties van de laterale olijfkernen naar de colliculi inferiores is sprake is van een symmetrische splitsing en kruising van neurale banen (‘akoestisch chiasme’). Neuronen die gevoelig zijn voor lage frequenties projecteren ipsilateraal (‘ongekruist’, inhibitoir) naar de colliculus en hoogfrequente neuronen naar de contralaterale zijde (‘gekruist’, excitatoir).

Celtypen – responsiepatronen
De typen zenuwcellen in de colliculus inferior zijn weer dezelfde als die in de eerdere stations, zoals hiervoor beschreven. In de meeste gevallen zijn de responsies van het type ‘buildup’ en ‘onset’. Het type responsie (en andere eigenschappen) is afhankelijk van de frequentie en van de intensiteit van de stimulus.

Frequentie en frequentieresolutie – ‘receptieve velden’
De frequentieresolutie van het merendeel van de neuronen in de colliculus inferior wordt gekenmerkt door soms zeer scherpe al dan niet V-vormige excitatiegebieden. De scherpte is gekoppeld aan het type neuron. De invloed van de stimulustonen beperkt zich echter niet tot excitatie binnen een bepaald ‘tuning-gebied’ maar is veel gevarieerder. Een veel voorkomende vorm van beïnvloeding is inhibitie of facilitatie van een toon die zich in het centrum van het excitatiegebied bevindt door een tweede toon buiten het excitatiegebied, afhankelijk van de frequentie en de intensiteit van die tweede toon. Die tweede toon kan ook van invloed zijn op de grootte van de spontane activiteit in het neuron , weer afhankelijk van de frequentie en de intensiteit van de tweede toon. Tenslotte kan het resultaat van de aanwezigheid van een tweede toon een ontlading ná de stimulus (‘off-responsie’) zijn. In Fig.16 zijn twee voorbeelden van deze ‘invloeden’ te zien. De vorm en grootte van de interactiegebieden variëren van neuron tot neuron. Meer dan 60% van de neuronen wijken wat betreft ‘tuning’ (excitatiegebied) af van die in de gehoorzenuw.

In beide onderdelen van Fig.16 betreft het niet-gearceerde smalle middendeel het feitelijke zeer scherpe excitatiegebied van het neuron. Daarbuiten bevinden zich gebieden met verschillende vormen van invloed op de responsie van het neuron – voor een toon bij de karakteristieke frequentie en voor van de spontane activiteit – door de aanwezigheid van een tweede toon buiten het excitatiegebied. Inhibitie, dus een volledige onderdrukking van de activiteit vindt in beide figuren plaats aan zowel de hoogfrequente als laagfrequente zijde van het excitatiegebied (arceringen naar rechts). In de linker figuur is de inhibitie aan de laagfrequente zijde minder sterk en is het gebied beperkter. Facilitatie, leidend tot een toename van de activiteit, treedt op aan de laagfrequente zijde (grijs getint). Dit is alleen in de linker figuur te zien. Off-responsies (alleen in de rechter figuur) worden opgewekt bij relatief hoge stimulusniveaus (arcering naar links). De complexe excitatie- en inhibitiepatronen komen tot stand zowel door inhibiërende en faciliterende inputs vanuit andere kernen als door de activering van collaterale inhibiërende verbindingen. Bij bepaalde frequenties en intensiteiten gaan deze invloed uitoefenen. Die invloed kan bij hogere intensiteiten zelfs tot een vernauwing van het excitatiegebied leiden.

Men kan zich afvragen wat de functie is van deze excitatiegebieden waarbij de vorm en de eigenschappen zo sterk afhangen van de frequentie en de intensiteit van de stimuli (zuivere tonen!). Er zijn op dit moment geen modellen die, uitgaande van de eigenschappen van deze cellen voor zuivere tonen, een voorspelling doen voor het responsiegedrag bij de aanbieding van complexe signalen, zowel spectraal als temporeel. De gedachte is dat dergelijke responsie-eigenschappen het mogelijk maken de spectrale en temporele contrasten in signalen over een groot dynamisch bereik bewaren. Een hiermee vergelijkbaar resultaat is te zien in Fig.9 van dit hoofdstuk, voor de cochleaire nucleus.

Wanneer gestimuleerd wordt met een tertsband brede ruis en de band wordt in frequentie verschoven over het responsiegebied van het neuron, kan een geheel andere vorm van excitatiegebied ontstaan (Fig.17). De ‘staarten verdwijnen en er ontstaat een ‘gevoeligheidskolom’ met zeer steile hellingen. Dit illustreert in ieder geval dat de vorm van de excitatiegebieden en de scherpte van de ‘tuning’ van neuronen, gemeten met behulp van zuivere tonen, niet bepalend zijn voor het spectrale gedrag bij stimulatie met complexe signalen. Dit gegeven wijkt dus duidelijk af van wat gevonden is in de gehoorzenuw. In verband met deze ‘complexe’ vorm van de excitatiegebieden voor frequentie wordt vaak gebruik gemaakt van de meer algemene term ‘receptief veld’. De breedte, in frequentie, van deze receptieve velden is evenredig met de karakteristieke frequentie van de neuronen, op dezelfde manier als in de psychofysica de kritieke band evenredig is met de centrale frequentie van die band (een bredere band bij een hogere frequentie).

Het is opvallend dat de breedte van deze receptieve velden – ongeveer één octaaf bij de kat -, niet afhangt van verschillen in responsie-eigenschappen tussen neuronen. Het is dus een stabiel kenmerk. Dat is opvallend, gezien de voortdurende toename in diversiteit van responsies vanaf het niveau van de gehoorzenuw.

Frequentie en frequentieresolutie – ‘maps’
Karakteristieke frequenties zijn in de colliculus inferior groepsgewijs geprojecteerd in opeenvolgende lagen (‘laminae’), van dorsaal/lateraal naar ventraal/mediaal , zoals schematisch weergegeven in Fig.18. De ordening is zodanig dat binnen één laag de karakteristieke frequenties van de neuronen onderling niet meer dan ruwweg één octaaf verschillen. Een dergelijke groep frequenties binnen één laag heet een ‘karakteristieke band’. De opeenvolgende karakteristieke banden – in de opeenvolgende lagen – bestrijken aaneensluitend het hele relevante frequentiegebied en hebben een breedte in de orde van grootte van één octaaf. Fig.18 geeft een geschematiseerd driedimensionaal beeld van enkele opeenvolgende ‘isofrequentievlakken’ (laminae). Het betreft hier data voor muizen, maar het principe is van toepassing op alle zoogdieren.

Binnen eenzelfde lamina (karakteristieke band) bevinden zich meerdere vormen van codering. Zo hebben de neuronen in het midden van een lamina de laagste drempels en de scherpste receptieve velden. Naar buiten toe, in concentrische ‘isothreshold’-lijnen, worden de drempels hoger en de excitatiegebieden breder.

Maakt men in Fig.18 een doorsnede in het dorsaal-laterale vlak, dus loodrecht op de getekende vlakken dan krijgt men een reeks onder elkaar liggende stroken of banden. Binnen elk van deze stroken verschillen de karakteristieke frequenties van de neuronen onderling niet meer dan één octaaf van de aangegeven waarden. Een voorbeeld is te zien in Fig.19 (dit voorbeeld heeft niet betrekking op Fig.18). De stroken bij de aangegeven frequenties heten isofrequentiecontouren of isofrequentielijnen.

Niet alleen frequenties worden in de colliculus inferior gerangschikt. Er zijn ook isocontouren aangetoond voor latentietijden en modulatiefrequenties. Om te visualiseren hoe deze verschillende rangschikkingen door elkaar heen lopen wordt gebruik gemaakt van een artists impression (Fig.20). Het gaat hier om een ‘weefsel’ van isofrequentiecontouren en isolatentiecontouren loodrecht op elkaar. De karakteristieke frequenties (de rode stroken) en de latentietijden (de zwarte stroken) zijn arbitraire waarden. Deze vorm van projectie in regelmatige patronen van stimuluskenmerken of responsie-eigenschappen wordt ‘mapping’ genoemd.

Een resultaat van deze verstrengeling van isofrequentiecontouren en isolatentiecontouren in de kat is te zien in Fig.21. Bij deze meting is gebruik gemaakt van ‘tracking’. Daarbij worden met één, of met meerdere elektroden tegelijk, in opschuivende posities, de eigenschappen van de opeenvolgende neuronen bepaald. Vervolgens worden de karakteristieke frequenties en de latentietijden in één isofrequentievlak systematisch weergegeven, met als resultaat isocontouren voor zowel frequentie als latentietijd.

Het hiervoor besprokene impliceert niet dat de laminae onafhankelijk van elkaar functioneren. In het kader van dit hoofdstuk voert het echter te ver hierop dieper in te gaan. Verder is het opvallend dat, na de voortdurend toenemende diversiteit in representatie van stimuluskenmerken in de ‘lagere’ kernen, de colliculus inferior een zo geavanceerde organisatie laat zien.

Temporele structuur en temporele resolutie
Synchronisatie van de actiepotentialen met de fase van de toonstimuli (‘phase-locking’) is bij lage frequenties wel aanwezig maar niet zo uitgebreid als in de eerdere stations en zelden voor toonfrequenties hoger dan 1000 Hz.

Wanneer een neuron in de colliculus inferior respondeert op een zuivere toon en de amplitude van die toon wordt gemoduleerd, is er in 70% van de gevallen één modulatiefrequentie waarvoor het aantal geproduceerde actiepotentialen maximaal is (‘karakteristieke modulatiefrequentie’ of ‘best modulation frequency’). Dit betekent dat er op het niveau van de colliculus inferior ook een vorm van afstemming is voor modulatiefrequenties (amplitudemodulaties en frequentiemodulaties). Deze gepiekte curven (modulatie overdrachtsfuncties ‘ Modulation transfer Functions’ – MTF’s) zijn te beschouwen als een maat voor de temporele resolutie van het auditieve systeem op dat niveau. De karakteristieke modulatiefrequenties liggen tussen 30 en 1000 Hz (bij katten) en de breedte van de curven verandert weinig.

Binnen elk isofrequentievlak bevindt zich, op dezelfde manier als voor de toonfrequenties, een organisatiepatroon (map) voor modulatiefrequenties. De karakteristieke frequenties voor modulaties liggen op concentrische ‘cirkels’ (‘isomodulatiefrequentiecontouren’) waarvan de omtrek van het midden van de lamina uit naar buiten geleidelijk groter wordt. De binnenste – kleinste – cirkels zijn gevoelig voor de hoogste modulatiefrequenties en de buitenste voor de laagste.

Intensiteit en – dynamisch bereik
De intensiteitsfuncties van de neuronen in de centrale kern van de colliculus inferior zijn hetzij monotoon, hetzij niet-monotoon (zie Fig.10 voor de cochleaire nucleus). Daarnaast hangt de vorm af van het type stimulus (tonen vs. ruis). De niet-monotone curven vertonen een maximale responsie in een bepaald, meer of minder beperkt, gebied van intensiteiten. Het is daarom mogelijk dat er een ‘tuning’ voor intensiteit bestaat.

Richting, binaurale interactie en lokalisatie
In een groot aantal neuronen van de colliculus inferior is het aantal geproduceerde actiepotentialen bij aanbieding van toonstootjes afhankelijk van de richting van de geluidsbron in het horizontale vlak (azimut). Er zijn ook neuronen die alleen vuren als er vanuit de contralaterale zijkant wordt gestimuleerd. Een voorbeeld van het responsiegedrag van deze laatste is te zien in Fig.22A. De vuurkans is maximaal bij contralaterale stimulatie en neemt geleidelijk af wanneer de geluidsbron naar ipsilateraal wordt gedraaid (EI neuron). De breedte van het gebied waarin de vuurkans maximaal is verschilt van neuron tot neuron. In Fig.22B is er voor elk neuron één richting, hetzij contralateraal, hetzij ipsilateraal in het horizontale vlak, waarvoor de vuurkans maximaal is. Er is dus voor deze neuronen een ‘karakteristieke delay’. Wordt de geluidsbron van daar uit naar links of naar rechts gedraaid dan neemt de vuurkans af.

Hiervoor werd de invloed van de richting (in het horizontale vlak – azimut) van een geluidsbron op de vuurkans van de neuronen in de colliculus inferior besproken . Voor intensiteitverschillen geldt iets vergelijkbaars. Fig.23 geeft een vergelijking van een spatiële gevoeligheidscurve voor richting in het horizontale vlak (azimutgevoeligheid – vergelijkbaar met die in Fig.22B) en een spatiële gevoeligheidscurve voor intensiteitsverschillen. De deelfiguren (A) en (B) hebben betrekking op ‘gewone’ richtinggevoelige neuronen. De uitkomsten voor ‘zijkantgevoelige’ neuronen zijn hier weggelaten.

Multimodale interactie
In de laterale kern van de colliculus inferior bevindt zich een projectie van het somatosensorische systeem. Het is dus te begrijpen dat de neuronen daar (schatting 55 % van het totaal), niet alleen bij stimulatie met geluid responsies geven, maar ook bij tactiele stimulatie.

Omgekeerd genereren auditieve stimuli via de colliculi superiores (de bovenste twee van de vier heuveltjes – zie Fig.3. in Hfdst.3.3.1(2) – die een onderdeel zijn van het visuele systeem) visuele reflexen als pupilreacties, maar ook vitale reflexen als veranderingen in bloeddruk, huiddoorbloeding en polsslag.

In het algemeen geldt dat de verwerking van auditieve informatie in de colliculus inferior wel in een bepaalde mate beïnvloed wordt door de mate van ‘wakkerheid’ van het proefdier en door het type anesthesie. Experimenten bij wakkere dieren hebben echter de tot nu toe verkregen kennis niet op losse schroeven gezet.

• De colliculus inferior is een zeer belangrijk organisatiecentrum in de neurale verwerking van de auditieve informatie. Meerdere (dan in de voorafgaande stations) stimuluskenmerken worden hier spatieel geordend. Deze spatiële ordening heet ‘mapping’.
• Stimulatie met een toon van een bepaalde frequentie levert neurale activiteit op langs een gebogen lijn (‘contour’) in een anatomisch te onderscheiden laag (lamina) van de colliculus. Hogere of lagere frequenties wordt in diezelfde lamina in naastliggende, parallelle, contouren gecodeerd.
• Andere aspecten van de stimulus, zoals richting en temporele structuur, zijn eveneens in contouren gecodeerd. Binnen eenzelfde lamina liggen de contouren voor de verschillende aspecten in elkaar verweven. Elke spatiële cel maakt dus deel uit van meerdere coderingsdimensies.
• Een verhoging of verlaging van de frequentie van een toon met méér dan een octaaf leidt tot neurale activiteit in een contour in een onderliggende, respectievelijk bovenliggende lamina. De opeenvolgende laminae representeren opeenvolgende ‘karakteristieke bandbreedtes’. Deze hebben een breedte van een octaaf. Een indeling als deze is enigszins vergelijkbaar met de indeling van breedbandige signalen in ‘kritieke banden’ in de psychofysica.
• Het is voorstelbaar dat twee smalbandige ruisstimuli wél spectraal onderscheiden worden wanneer hun responsie in verschillende laminae aankomen en niet wanneer ze dezelfde laag activeren.
• De colliculus inferior is geen ‘eindstation’. Dat betekent dat de aspecten die daar gerubriceerd worden niet direct de hoorparameters zelf, zoals toonhoogte en luidheid, behoeven te zijn. Het verschijnen van de spatiële organisatie betekent niet dat er een einde is gekomen aan de toename in de diversiteit van de responsies (parallelle verwerking).
• Mapping is niet de enige vorm van ordening in de colliculus inferior. Een andere vorm is de projectie van cellen met verschillende functies in verschillende deelkernen.

6.2.2.7(2). Niveau 3 – De auditieve thalamus

De auditieve thalamus bestaat uit een aantal deelkernen waarvan het corpus geniculatum mediale (‘Medial Geniculate Body’ MGB) de belangrijkste is. Tussen het MGB en de auditieve cortex bevinden zich drie functioneel (op dit niveau) verschillende, parallelle (auditieve) neurale netwerken:

1. Een tonotopisch systeem, gekenmerkt door overwegend de ‘gewone’ typen responsies uit de in Fig.7 afgebeelde reeks en door tuning (bij stimulatie met zuivere tonen)
2. Een niet-tonotopisch of diffuus systeem, gekenmerkt door ‘offset’ en ‘late’ responsies (waarbij ook inhibitie optreedt) en door een beperkte tuning van de responsies
3. Een polysensorisch systeem (responsies voor meerdere modaliteiten) met nauwelijks tuning in de responsies (geen ‘best frequency’ te bepalen) en in veel gevallen geen enkele responsie op ‘eenvoudige’ stimuli als tonen en ruis (mogelijk wel op specifieke geluiden als de stem

Deze netwerken werken in twee richtingen, stijgend (afferent) en dalend (efferent). Het vervolg van deze paragraaf is gewijd aan het tonotopische subsysteem. Dit ligt in het laterale deel van het MGB. De uitkomsten betreffen hoofdzakelijk gegevens van katten.

Celtypen – responsiepatronen
De meest voorkomende responsiepatronen op toon- en ruisstootjes zijn ‘onsets’ (Fig.7C) en ‘offsets’. De meeste neuronen in de auditieve thalamus zijn niet gevoelig voor ‘stationaire’ stimulatie. De sterkste responsies worden dus verkregen voor dynamische stimuli zoals korte toonpulsen en snelle veranderingen in geluidsniveau.

Frequentie en frequentieresolutie – ‘receptieve velden’
De tuningcurven zijn weer zeer verschillend van vorm. Sommige zijn zeer breed, andere zijn juist zeer scherp, sommige lijken op die in de gehoorzenuw (‘primary like’) en ook zijn er curven met meerdere pieken. De ‘best frequencies’ (BF’s) van direct naast elkaar liggende cellen zijn wel vaak vergelijkbaar, maar kunnen ook zeer verschillend zijn.

Frequentie en frequentieresolutie – ‘maps’
De BF’s verlopen geleidelijk van plaats tot plaats, afhankelijk van de richting. Dit is gemeten door in het MGB in verschillende richtingen één of meerdere micro-elektroden in kleine stapjes steeds verder op te schuiven en voor elke stap de BF’s te bepalen. Bij een dergelijke ‘neural tracking’ (zie de tekst rond Fig.21) wordt in een bepaalde richting geen of weinig verloop in BF gezien, maar in een andere meetrichting kan het verloop ineens van richting veranderen. Het geleidelijke verloop wijst op een spatiële projectie (mapping) in isofrequentievlakken, volgens contouren. De richtingsveranderingen komen overeen met overgangen van de ene naar de andere lamina, net zoals in de colliculus inferior (Fig.21). Ook in sommige deelkernen van het MGB is een laminaire structuur gevonden. De structuur is te vergelijken met de schillenstructuur in een ui. Binnen een schil verandert de BF niet veel. Gaat men echter ‘door de schillen heen’ naar binnen dan treden plotselinge toenames of afnamen van de BF op.

Temporele structuur en temporele resolutie
Phase-locking met de stimulusperiode (zuivere tonen) is gevonden tot frequenties van 2 á 4 kHz. De beste synchronisatie is aanwezig voor frequenties lager dan 500 Hz.

Intensiteit en dynamisch bereik
Er zijn twee typen intensiteitsfuncties in het MGB. Het meest voorkomende type heeft een niet-monotone vorm waarbij met toenemend geluidsniveau het aantal actiepotentialen eerst toeneemt en vervolgens weer afneemt. De intensiteitsfunctie van het monotone type ziet er net zo uit als de intensiteitsfuncties in de gehoorzenuw (Fig.6 van dit hoofdstuk). Bij het verloop van de latentietijd als functie van de geluidssterkte (‘normaal’ wordt die kleiner als het geluid harder wordt) is eveneens een tweedeling in monotoon en niet-monotoon aanwezig. Bij de monotone typen is het verloop hetzelfde als in de neuronen van de gehoorzenuw, maar bij de niet-monotone typen neemt – bij toenemende geluidssterkte – de latentietijd eerst af en vervolgens weer toe. Deze patronen bieden de mogelijkheid van een ‘afstemming’ op intensiteit.

Richting, binaurale interactie en lokalisatie
Het merendeel van de cellen is gevoelig voor binaurale stimulatie. De interactie kan de vorm hebben van een sommatie, een inhibitie of een occlusie. Bij een sommatie is de binaurale responsie groter dan de maximale monaurale responsie, bij inhibitie is de binaurale responsie kleiner en bij occlusie treedt geen verandering in de responsie op. De typen interactie komen grotendeels overeen met die in het olijfcomplex (respectievelijk de celtypen EE, EI en EO – zie Par.4 van dit hoofdstuk. De verschillende celtypen liggen per isofrequentievlak in clusters. In elk cluster is één type in meerderheid aanwezig. De clusters hebben mogelijk een verbinding met de binaurale interactiebanden in de auditieve cortex (zie volgende paragraaf).

Bijna een derde van de cellen is gevoelig voor hetzij interaurale tijdverschillen (ITD), hetzij interaurale verschillen in intensiteit (IID). Van deze laatste groep (IID) bestaat de helft uit cellen die alleen responsies geven wanneer de verschillen in intensiteit tussen de oren klein zijn, dus wanneer de stimulus zich bevindt in een smalle verticale band in het midden van het geluidsveld. De andere helft van deze IID cellen geeft alleen responsies voor intensiteitverschillen die overeenkomen met de plaats van een bron in het contralaterale veld.geluidsveld.

De cellen die gevoelig zijn voor interaurale tijdverschillen (ITD) die sterk overeenkomen met de eigenschappen van ITD cellen in de colliculus inferior, maar ze zijn niet erg selectief. Tot nu toe zijn er ook geen cellen gevonden die gevoelig zijn voor specifieke punten in de akoestische ruimte (hoogte en azimut). Ook zijn (nog) geen maps gevonden voor het aspect ‘richting’. Wel kunnen de richtinggevoelige cellen gegroepeerd worden. Één groep is gevoelig voor een heel scala van richtingen (hetzij ITD, hetzij IID) in de centrale akoestische ruimte (recht vóór) en de twee andere in de perifere ruimte, lateraal links en lateraal rechts. Een precieze lokalisatie van geluidsbronnen vindt hier dus (nog) niet plaats.

Multimodale interactie
De mediale deelkern van het MGB, waar zich het polysensorische systeem bevindt, ontvangt ook informatie van andere sensorische systemen, zoals visuele en somatosensorische informatie. Een aantal vormen van gedrag wordt hier gegenereerd, maar geen aangeleerde gedragingen. Het zijn voorspelbare instinctieve gedragingen zoals de MORO-reflex.

• In het tonotopische deelsysteem van het MGB is het frequentieaspect van een stimulus op eenzelfde wijze in een laminaire (lagen) structuur geprojecteerd als in de colliculus inferior.
• De projectie van ‘richting’ is niet nauwkeurig en beperkt zich tot drie gebieden in de akoestische ruimte, midden voor, links lateraal en rechts lateraal.
• Wél is er in een deel van de neuronen een gevoeligheid voor hetzij verschillen in tijd, hetzij verschillen in intensiteit.
• Er is een zekere afstemming op geluidssterkte, maar een projectie met betrekking tot dit aspect is tot nu toe niet gevonden.
• Voor het overige is er een groot aantal verschillen in de onderlinge eigenschappen van de neuronen aanwezig. Een structuur is daarin nog niet gevonden.

6.2.2.8(2). Verwerking op het vierde niveau – De auditieve cortex

De auditieve cortex bestaat uit een groot aantal deelkernen met o.a. verschillen in anatomische structuur en verschillen in de morfologie van de cellen. De neurale dichtheid in de neocortex van zoogdieren is onvoorstelbaar groot: 40.000 zenuwcellen per mm³, 8×10⁸ synapsen per mm³, en 800 meter (!) axon per mm³. Er is een basisstructuur met lagen parallel aan het oppervlak en loodrecht daarop cilinders met een diameter van 200-300 mm. Deze cilinders worden ook wel ‘corticale modules’ of ‘corticale kolommen’ genoemd. Een schematische weergave van enkele van deze corticale cilinders is te zien in Fig.24. Een ‘gemiddelde’ corticale cilinder bevat ongeveer 5000 neuronen.

Deze corticale modules bevatten neuronen die binnen een bepaald frequentiegebied, voor bepaalde latentietijden, of voor bepaalde geluidsterkten zekere functies gemeenschappelijk hebben. In dit geval zijn dat binaurale interactiepatronen. DZ: dorsale zone met variabele interactiepatronen, EE: lagen met interactie excitatoir-excitatoir en EI: lagen met interactie excitatoir-inhibitoir. De gedachte is dat de modules weer informatie uitwisselen met omringende modules.

Celtypen – responsiepatronen
De meeste neuronen in de auditieve cortex zijn niet gevoelig voor ‘statische’ stimulatie. De responsiepatronen variëren sterk, in sterkte, latentietijd en synchronie, maar ‘onset’ patronen komen het meest voor. Responsiepatronen kunnen veranderen als functie van de geluidssterkte, de spectrale samenstelling van de stimulus of van de richting.

Frequentie en frequentieresolutie – ‘receptieve velden’
Over het geheel genomen zijn er drie typen receptieve velden (‘tuningcurven’), smalle (A), brede (C), en curven met meerdere pieken (B), zoals afgebeeld in Fig.25. Dit beeld is vergelijkbaar met de situatie in het MGB. De vormen van de receptieve velden van dicht bij elkaar liggende neuronen zijn soms zeer verschillend.

Frequentie en frequentieresolutie – ‘maps’
De neuronen aan het oppervlak van de primaire auditieve cortex (‘AI’) zijn tonotopisch geordend (Fig.26) volgens opeenvolgende parallelle stroken (lijnen), net zoals in de colliculus inferior. Langs de lijnen verschillen de ‘best frequencies’ (BF’s) niet zoveel, maar van ‘lijn tot lijn’ zijn er duidelijke ‘sprongen’ in frequentie. De projectie van BF’s is ook aangegeven in Fig.24 bij de toppen van de cilinders (in kHz). Het is mogelijk dat binnen een bepaalde cilinder de BF’s min of meer hetzelfde zijn, onafhankelijk van de plaats in de cilinder (‘corticale diepte’).

Temporele structuur en temporele resolutie
De tijdcodering in de auditieve cortex is hoofdzakelijk onderzocht met in amplitude gemoduleerde zuivere tonen. BMF’s variëren van enkele Hz’en tot 100 á 200 Hz. De afname van de gevoeligheid naar hogere modulatiefrequenties kan een gevolg zijn van de spectrale verbreding die daarbij ontstaat. Een deel van het spectrum komt dan buiten het excitatiegebied van het neuron te vallen en het neuron ondervindt dan een inhibiërende invloed van de spectrale omgeving van de stimulus. Het maakt dan nog uit of de frequentie van de draaggolf en de modulatiefrequentie zodanig zijn dat eerst het inhibitiegebied bereikt wordt (de cel kan niet exciteren) of eerst het excitatiegebied (de cel kan dan de inhibitie vóór zijn). Voor zuivere tonen is tot nu toe geen synchronie met de stimulus gevonden.

Richting, binaurale interactie en lokalisatie
De binaurale interactiepatronen in de neuronen van de auditieve cortex zijn van het type EE, EI of variabel (‘DZ’). De verschillende typen liggen weer in clusters bij elkaar, maar nu om en om in lagen, in de zo-even genoemde corticale cilinders, loodrecht op de richting van het oppervlak van de cortex. Er is een directe projectie van de naast elkaar liggende gebieden in het MGB op de, om en om onder elkaar liggende, schijven in de cortex (Fig.27).

Er is tot nu toe in de cortex geen systematische mapping van interaurale ‘cues’ aangetoond. Het beeld is zeer variabel. Voor sommige cellen is de sterkte van de responsie afhankelijk van het interaurale tijdverschil, andere vuren alléén wanneer de geluidsbron zich net uit het midden bevindt en wéér andere vuren altijd, bij elk tijdverschil. Ook zijn er neuronen die specifiek gevoelig zijn voor bewegingen van de geluidsbron.

Intensiteit en dynamisch bereik
Evenals in de thalamus worden in de auditieve cortex twee typen intensiteitsfuncties aangetroffen. Het meest voorkomende type heeft een niet-monotone vorm waarbij met toenemend geluidsniveau het aantal actiepotentialen eerst toeneemt en vervolgens weer afneemt. De intensiteitsfunctie van het monotone type ziet er net zo uit als de intensiteitsfuncties in de gehoorzenuw (Fig.4 van dit hoofdstuk). Het voorafgaande betekent dat de responsiekarakteristieken (receptieve velden) bij verschillende geluidssterktes, verschillend zijn. Dit is te zien in Fig.28.

De receptieve velden van de niet-monotone cellen, met een ‘best intensity’ (BI), bestrijken een groot gebied van frequenties en intensiteiten. Bij vleermuizen (echolocatie) liggen de BI’s gerangschikt en is er dus sprake van’ ampliotopie’ . Bij katten zijn tot nu toe alleen beperkte aanwijzingen voor ampliotopie gevonden.

Natuurlijke geluiden
De primaire auditieve cortex (AI) is verbonden met het gebied van Wernicke. Dit is een deel van de auditieve ‘associatiecortex’ die betrokken is bij herkenning en interpretatie van taal. Hierbij spelen voorgaande auditieve herinneringen en taalervaringen een rol. Het Wernicke gebied is deel van de grotere taal-interpretatiecortex en draagt ook bij aan het formuleren van taaluitingen.

Men zou zich kunnen voorstellen dat de responsie-eigenschappen van de corticale neuronen meer aan het licht komen bij het aanbieden van natuurlijke geluiden (‘behaviour significant’) dan bij stimulatie met zuivere tonen. Een nadeel van ‘natuurlijke stimulatie’ is uiteraard dat ook niet-auditieve mechanismen worden geactiveerd. Deze kunnen de verwerking van de auditieve informatie beïnvloeden. De ervaring is dat corticale neuronen wel sterkere responsies geven bij natuurlijke geluiden, maar dat een individueel neuron zelden specifiek gevoelig is voor een bepaald geluid.

Organisatie
Over het oppervlak van de primaire auditieve cortex bevinden zich behalve de ‘corticale modules’ (‘corticale kolommen’) verschillende typen van spatiële organisatie. Men kan hier denken aan elkaar overlappende of door elkaar heen lopende typen ‘patchwork’ voor ‘karakteristieke frequentie’, ‘latentietijd’ en ‘scherpte van tuning’. In Fig.29 zijn twee voorbeelden te zien. Binnen elke gebied van een bepaalde kleur zijn respectievelijk de ‘best frequencies’ en de latentietijden gelijk (aangegeven in de kolommen aan de rechter kant).

• De primaire auditieve cortex bevat een basisstructuur met lagen parallel aan het oppervlak en loodrecht daarop cilinders met een diameter van 200-300 mm. Deze cilinders worden ook wel ‘corticale modules’ of ‘corticale kolommen’ genoemd. Ze bevatten neuronen die binnen een bepaald frequentiegebied, voor bepaalde latentietijden, of voor bepaalde geluidsterkten zekere functies gemeenschappelijk hebben. De gedachte is dat de modules informatie uitwisselen met omringende modules.
• Langs het oppervlak van de primaire auditieve cortex is voor verschillende stimuluseigenschappen en responsiekenmerken een spatiële ordening aanwezig (‘mapping’). Dit is gevonden voor ‘karakteristieke frequentie’ (‘best frequency’), ‘latentietijd’, ‘drempel’ en voor de ‘scherpte’ van het responsiegebied.
• Responsies en receptieve velden zijn sterk afhankelijk van het type stimulus, de frequentie en de intensiteit ervan en van de binaurale parameters.
• De neuronendichtheid in de cortex is zeer groot. Aangenomen wordt dat er voor het uitvoeren van verschillende taken verschillende vormen van organisatie naast elkaar aanwezig zijn (‘parallelle organisatie’). Daarnaast is er een ‘hiërarchische organisatie’ waarbij de cortex het eindpunt is van een voortdurende afbeelding van functionele kenmerken van de stimuli (maps) naar steeds hogere niveaus van verwerking.
• De belangrijkste taken van het auditieve systeem zijn het identificeren van de aard van de geluidsbron en het lokaliseren van deze bron in de ruimte. Voor het uitvoeren van deze twee taken worden in het neurale gehoor – in elk geval vanaf het niveau van de colliculus inferior – min of meer afzonderlijke circuits gebruikt; daarbij zijn afzonderlijke gebieden in de auditieve cortex betrokken zijn.

6.2.2.9(2). Samenvatting

De verwerking van geluid in het neurale gehoor heeft de volgende karakteristieke kenmerken:

• Op de verschillende niveaus van de auditieve verwerking is er sprake van een meer of minder duidelijke geordende projectie (mapping) van stimulusparameters (frequentie, modulatiefrequentie en richting) en van responsie-eigenschappen (drempelniveau en latentietijd). Deze mapping is aanwezig in onderling verschillende richtingen en is het duidelijkst aangetoond in de colliculus inferior. Een bepaalde cel daarin is altijd maximaal gevoelig voor een specifieke frequentie, een specifieke modulatiefrequentie en de responsies hebben een ‘vaste’ latentietijd. Een mapping voor de intensiteit van het signaal (ampliotopie) is nog niet overtuigend aangetoond (wel bij vleermuizen).
• Op alle niveaus na de gehoorzenuw vindt men twee typen tuning curven (responsiegebieden), een zuiver excitatoir type en een waarbij het excitatoire responsiegebied omgeving is door inhibitoire gebieden.
• Na het niveau van de gehoorzenuw geldt steeds dat de responsiepatronen, de vorm van de tuningcurven en de mate van frequentieselectiviteit, sterk afhankelijk zijn van het type stimulus.
• Een afzonderlijke stroom van informatieverwerking – via de dorsale kernen van de cochleaire nucleus – leidt tot spectrale opscherping, verbetering van de signaal ruisverhouding van geluiden en lokalisatie in het verticale vlak.
• Op alle hogere niveaus is er een ordening van frequentiegebieden in ‘laminae’ (lagen) die anatomisch te onderscheiden zijn. Het verschil tussen de frequenties in opeenvolgende laminae is van de orde van grootte van één octaaf (evenredig met de frequentie dus).
• De spatiële organisatie bij de lokalisatieparameters (interaurale verschillen in tijd en intensiteit) lijkt anders te zijn dan die voor frequenties en intensiteiten. Voor de lokalisatieparameters vindt geen mapping plaats, maar groepering in wijze van responderen (op verschillen in tijd, op verschillen in intensiteit en op globale richtingen in de ruimte zoals ‘geluid van links’). Een geluid uit een bepaalde richting (azimut en hoogte) wordt dus niet afgebeeld in een specifiek voor die richting gevoelige spatiële cel.
• Uit het voorafgaande wordt wel geconcludeerd dat er een parallelle verwerking is van de cues die van belang zijn voor de identificatie van de geluidsbron en welke nodig zijn voor het bepalen van de richting van de bron.

6.2.2.10(2). Links

http://www.crump.ucla.edu/ – website van het ‘Crump Institute for Molecular Imaging’ (afbeeldingstechnieken)

https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S0896-6273%2800%2980643-1 – Beschouwingen over het model van Jeffress door Philip Joris (et al.)

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Jeffress_Model2.png – Het model van Jeffress

http://books.google.nl/books?id= 75NgwLzueikC…… – Website behorend bij het boek ‘Neuroscience – Exploring the Brain’ door Mark F Bear, Barry W Connors en Michael A Paradiso

6.2.2.11(2). Verwijzingen

Bij het schrijven van dit hoofdstuk is dankbaar gebruik gemaakt van het boek ‘The Central Auditory System’ (1997) van Günter Ehret en Raymond Romand (editors) en van het boek ‘An Introduction to the Physiology of Hearing’ (2008) van James O. Pickles.

Auteur

Lamoré, Kapteyn

Revisie

november 2009