Помимо высоты и громкости, «продолжительность звука имеет универсальное значение», — говорит профессор биологии Гэри Роуз, старший автор исследования, опубликованного журналом Proceedings of the National Academy of Sciences. «Это важно для лягушек. Это важно для людей.
Это важно для всех животных, которые используют звук для общения».Исследователи давно обнаружили, что разные нейроны или нервные клетки мозга «избирательно реагируют на звуки определенной продолжительности», — говорит он. «Но до сих пор мы не знали, как они вычисляли длину звуков».Роуз и докторант нейробиологии Риши Аллури использовали новую комбинацию регистрации электрической активности отдельных клеток мозга и блокирования химических нейротрансмиттеров, которые переносят нервные сигналы от одной нервной клетки или нейрона к другому. Уже было известно, что короткие звуки отличаются от более длинных отдельными клетками мозга в нижних бугорках, слуховой части среднего мозга.
Исследователи обнаружили, что для того, чтобы клетка мозга лягушки могла распознать короткий звук, она не может подавать нервный сигнал, пока звук возникает, а затем возбуждается, когда звук заканчивается. Для более длинных звуков клетка задерживается на более длительное время, и это противодействует возбуждению, поэтому клетка не реагирует на более длинные звуки.«Эта интеграция возбуждения и торможения в мозгу является критическим компонентом способности различать звуки общения», — говорит Роуз.
Например, без этого механизма люди не смогли бы различить, что первый слог короче второго в таком слове, как «папа» [звучит как па-тьфу], — говорит Аллури, первый автор исследования.Когда этот процесс идет не так, как надо, результатом могут быть нарушения в распознавании речи, например, когда у пожилых людей возникают проблемы с распознаванием речи, даже когда слуховые аппараты усиливают входящие звуки.
«Считается, что возрастное ухудшение распознавания речи в значительной степени является следствием дисбаланса возбуждения и торможения нейронов, участвующих в слухе», — говорит Роуз. «Вы можете снабдить людей слуховыми аппаратами, которые усиливают звуки, но у них все еще есть проблемы с распознаванием речи из-за процессов в мозге».Более широкая картина, добавляет он, заключается в изучении того, как ограниченное количество компонентов нервной системы помогает нам понимать то, что мы слышим, точно так же, как ограниченное количество клавиш фортепиано в одной октаве может создать огромное количество мелодий.Исследование финансировалось Национальным институтом глухоты и других коммуникативных расстройств. Роуз и Аллури провели исследование с докторантами биологии Университета Юты Джессикой Хэнсон и Кристофером Лири, специалистом-исследователем Густаво Васкес-Опазо, студентом и техническим специалистом Джалиной Грэм и докторантом Джереми Вилкерсоном.
Запись активности клеток мозга при блокировании нейротрансмиттеровНовое исследование объединило два метода: так называемую «патч-запись» крошечных напряжений в отдельных клетках мозга лягушки и то, как напряжения изменяются в ответ на звуки разной длины, и введение лекарств, блокирующих нейротрансмиттеры — способ узнать, как Клетки мозга реагируют на звук с нормальными нейротрансмиттерами и без них.«Мы смогли разработать этот совершенно новый метод, позволяющий обращаться к отдельному нейрону и манипулировать его вычислениями», используя лекарства для блокирования нейротрансмиттеров на уровне одной нервной клетки в головном мозге лягушки, а затем измеряя, что происходит с этим нейроном в мозге лягушки. — ответ на крики лягушки, — говорит Аллури.
«Доставка лекарств [в клетки головного мозга] и ведение регистрации целых клеток — два уже отработанных метода», — говорит Роуз. «Это их новое объединение».Исследователи измерили активность отдельных нейронов в нижнем холмике. В исследовании использовались леопардовые лягушки, потому что нижний бугорок также встречается у людей и других животных, «поэтому лягушки — отличная модель», — говорит Аллури.
Кроме того, по словам Роуз, частоты лягушачьих криков попадают в диапазон, который слышат люди, а частоты, используемые леопардовыми лягушками, — это те, на которых люди могут слышать самые тихие звуки.Во время исследования один электрод измерял активность в одном нейроне лягушки, в то время как исследователи использовали компьютер для генерации различных частей лягушачьих звонков — от полного звонка до одного короткого звука или тонального сигнала от звонка.
По словам Роуза, этот метод позволил «регистрировать или измерять милливольтовые — тысячные доли вольта — изменения в ячейке». «Это очень сложно сделать из-за крошечных размеров нейронов», которые примерно в десять раз меньше толщины человеческого волоса.После измерения изменений в милливольтах в 58 клетках мозга лягушек в ответ на звук, исследователи использовали математическую модель для преобразования информации в то, насколько клетка мозга была возбуждена или подавлена данным звуковым импульсом.Входящие звуки производят химические нервные сигналы, которые могут побудить нейрон подать новый сигнал или помешать ему сработать.
Исследователи вводили препараты, блокирующие нейротрансмиттеры, общие для людей, лягушек и других животных: ГАМК-А, которая в основном отвечает за подавление возбуждения нервных клеток, и рецепторы глутамата (АМРА и NMDA), которые участвуют в первую очередь в возбуждении нейронов.Например, блокируя ГАМК-А, которая обычно подавляет нервные клетки, ингибирование клеток мозга лягушки было уменьшено, поэтому клетки реагировали на звуки любой продолжительности, а не только на короткие звуки.
«Лягушачьи нейроны, как и у людей и других животных, получают тот же тип химических входов, но было серьезной проблемой понять, как они работают вместе, чтобы позволить нейронам вычислять длину звука», — говорит Роуз.Выводы: короткие звуки вызывают торможение, возбуждение клеток головного мозга.«Чтобы понять это, эти исследования позволили нам выявить временные отношения между возбуждением и торможением [клеток мозга], которые имеют решающее значение для вычисления« продолжительности звука », — говорит Роуз.В частности, эксперименты показали, что когда клетка мозга реагирует на короткий звук, клетка сначала не может стрелять, пока длится звук — новое открытие, — а затем возбуждается и может выстрелить.
Существует минимальное перекрытие между временем, когда нейрон ингибируется и возбужден, поэтому это известно как «механизм антисовпадений».Для более длинных звуков клетка мозга возбуждалась в течение того же времени, что и для более коротких звуков.
Но сначала нейрон оставался подавленным в течение более длительного времени, и это время перекрывалось временем возбуждения клетки, что имело эффект подавления сигнала, испускаемого клеткой мозга. Таким образом, клетка не реагирует на более длинные звуки.Другими словами, если звук короткий или длинный, клетка мозга возбуждается в течение того же периода времени. Но сигнал, подавляющий возбуждение, короче для коротких звуков и длиннее для длинных.
Более длительное подавление более длинных звуков отменяет большую часть возбуждающего сигнала, поэтому клетка мозга может отличать короткие звуки от более длинных.Исследователи также обнаружили, что в нервных клетках, которые улавливают короткие звуки, эта способность усиливается электрическими свойствами ионных каналов мембраны нервной клетки, которые позволяют входить и выходить заряженным химическим веществам.