Установление механизмов временного анализа коммуникационных сигналов слуховой системой человека и животных является одной из основных и трудно решаемых нейрофизиологических проблем, привлекающих внимание ведущих мировых исследователей слуха. Несмотря на усилия, предпринятые в этой области, вопросы о том, на основе каких принципов временной анализ коммуникационных сигналов осуществляется в слуховых центрах мозга, и в чём проявляется специализация нейронов, участвующих в этом анализе, остаются без ответа.

Подавляющее большинство биоакустических сигналов, включая речь человека, состоит из последовательно генерируемых звуковых событий (Bregman, 1990; Gaub, Ehret, 2005). Очевидно, что при распознавании этих звуков принципиальную важность приобретает их временная структура, в том числе интервалы между звуковыми событиями. В качестве механизма, обеспечивающего способность слуховой системы группировать звуковые последовательности в единое слуховое событие, разделять их во времени и распознавать как биологически значимые, рассматривается постстимульная слуховая адаптация – одна из наиболее ярких форм пластичности мозга, непосредственно связанная с обработкой сенсорной информации (Бибиков, 2010; Ulanovsky, 2004).

В представленной работе показано участие нейрональной адаптации во временной обработке биологически значимых акустических сигналов на примере последовательностей коммуникационного сигнала мышей – крика дискомфорта мышат.

В экспериментах производили внеклеточную регистрацию импульсной активности одиночных нейронов слухового центра среднего мозга (центрального ядра заднего холма), а также первичных полей слуховой коры (первичного и переднего) домовых мышей Mus musculus, самок гибридов F1 линий СBA и C57BL/6 в возрасте 8 - 15 недель. Эксперименты выполняли как в условиях общей анестезии, поддерживаемой инъекциями смеси кетамина (кетавет, 35 мг/кг) и ксилазина (ромпун, 0.1 мг/кг), так и на бодрствующих животных. Стимулами служили серии звуков, образованные четырьмя 100-мс тональными сигналами, включая время нарастания и спада по 5 мс. Частота сигналов соответствовала характеристической частоте нейрона, а уровень составлял 40 дБ над порогом ответа, что соответствовало области оптимального ответа большинства нейронов. Интервал между тональными составляющими одной серии был одинаков, а в различных сериях варьировал от 0 до 1000 мс. Ответы одиночных нейронов на тональные последовательности регистрировали при межстимульных интервалах, равных 0, 2, 4, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 700 и 1000 мс. Каждую серию предъявляли 20 раз с интервалом в 2 секунды. Подбор параметров серий стимулов и межстимульных интервалов был произведен с учетом результатов психофизического исследования взаимосвязи звукопродукции и восприятия последовательностей криков дискомфорта мышат (Ehret, Riecke, 2002; Gaub, Ehret, 2005). В естественных условиях мышата излучают крик дискомфорта в виде серий из 2-5 сигналов, при этом мыши-матери воспринимают естественный крик и его модели как значимые, если они следуют сериями из четырех сигналов с интервалами 100 – 400 мс.

Исследовали временную динамику постстимульной адаптации одиночных нейронов, т.е. зависимость степени проявления адаптации (числа спайков в ответе нейрона на каждый сигнал в серии) от межстимульного интервала в последовательности моделей крика дискомфорта (кривые восстановления ответа от адаптации).

Две трети нейронов слухового центра среднего мозга и все нейроны первичных областей слуховой коры домовой мыши демонстрировали эффект адаптации в ответах на серии моделей крика дискомфорта мышат. Эффект проявлялся как у бодрствующих, так и у наркотизированных мышей. Он выражался в отсутствии или уменьшении ответов нейронов на сигналы, следовавшие за первым сигналом в серии звуков, при относительно коротких интервалах между ними (0- 50 мс в заднем холме, 0 – 100 мс в слуховой коре). Функции восстановления ответа на 2-ой, 3-ий и 4-ый сигналы в серии возрастали с увеличением межстимульного интервала вплоть до полного восстановления ответа. Восстановление от адаптации носило более или менее выраженный монотонный характер. У разных нейронов восстановление ответов начиналось при различных межстимульных интервалах (4 – 50 мс в заднем холме, 10 – 200 мс в слуховой коре). Полное восстановление ответов, когда их величина не отличалась от ответа на первый компонент серии, наблюдалось при межстимульных интервалах от 200 мс до 1000 мс. Статистический анализ временной динамики адаптации по всей популяции исследованных нейронов показал, что при межстимульных интервалах 0 – 200 мс ответ на первый сигнал серии достоверно превышал ответы на 2-ой, 3-ий и 4-ый сигналы как в центральном ядре заднего холма, так и в слуховой коре (ANOVA on ranks, Dunn’s test, p<0.01). Между собой ответы на 2-ой, 3-ий и 4-ый сигналы в серии не различались. Начиная с межстимульного интервала 500 мс, ответы нейронов на все сигналы серии достоверно не различались. Таким образом, во временном интервале 0 – 500 мс наблюдалось явление адаптации активности исследуемых нейронов к повторяющимся сигналам. Временной диапазон проявления адаптации к серии моделей (0 – 500 мс) соответствовал временному диапазону интервалов в серии криков дискомфорта мышат, важному для запуска оптимального материнского поведения. Варьирование индивидуальных временных шкал адаптации отдельных нейронов может быть значимым для формирования оптимальных временных окон при анализе группирования и разделения звуковых событий, важных для восприятия биоакустических сигналов животных и речи человека.



Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-25-00074, https://rscf.ru/project/23-25-00074/.



Литература

Бибиков Н.Г. Успехи физиол. наук. 2010. T. 41. № 4. С. 77.

Bregman A.S. Auditory scene analysis. The Perceptual Organization of Sound. Cambridge, MA: MIT Press. 1990.

Ehret G., Riecke S. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2002. V. 99. N 1. P. 479.

Gaub S. Ehret G. J. Comp. Physiol. 2005. V. 191. P. 1131.

Establishing the mechanisms of the communication calls processing in the auditory system of humans and animals is one of the main and difficult to solve neurophysiological tasks attracting the attention of the leading hearing researchers. Despite the efforts made in this area, the main principles of the temporal processing of communication calls in the brain auditory centers, and the specialization of neurons in this processing are to be studied.

The vast majority of biologically significant acoustic signals, including human speech, consist of sequentially generated sound events (Bregman, 1990; Gaub, Ehret, 2005). It is evident that the temporal structure of these sounds including the intervals between sound events, are of great value for their recognition. Post-stimulus neural adaptation, one of the most vivid forms of the brain plasticity directly related to sensory information processing, has been proposed as a possible mechanism providing the ability of the auditory system to group sound sequences into a single auditory event, separate them in time, and recognize them as biologically significant (Ulanovsky, 2004; Bibikov, 2010).

The presented work shows the participation of neuronal adaptation in the temporal processing of biologically significant acoustic signals by the example of sequences of the communication calls of mice – the wriggling calls of mouse pups.

We carried out extracellular recording of the impulse activity of the auditory midbrain (central nucleus of the Inferior colliculus) neurons as well as primary auditory cortex neurons (primary and anterior auditory fields) in female house mice, F1 hybrids of the outbred strains CBA and C57BL/6 aged 8–15 weeks. The experiments were performed both under general anesthesia, supported by injections of ketamine (ketavet, 35 mg/kg) and xylazine (rompun, 0.1 mg/kg), and in awake animals. The stimuli were series of four tonal signals whose frequency corresponded to the characteristic frequency of the neuron, and intensity was 40 dB above the response threshold, which corresponded to the optimal response regions of most neurons. The duration of each stimulus was 100 ms, including the rise and fall time (5 ms each). The intervals between the tonal components of the same series were equal; in different series, they varied from 0 to 1000 ms. The responses of the single neurons to the tone series were recorded at inter-tone intervals of 0, 2, 4, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 700 and 1000 ms. Each series was presented 20 times at 2-s intervals. The parameters of tone series and inter-tone intervals were set based on the results of a psycho-physical study of the relationship between sound production and perception of the sequences of mouse pups wriggling calls (Ehret, Riecke, 2002; Gaub, Ehret, 2005). It was shown that mouse pups produce series of wriggling calls each consisting of 2–5 signals, but the pup's mothers perceive the call as a meaningful for releasing instinctive maternal behavior if series consist of 4 calls with the inter-call intervals of 100–400 ms.

We studied the temporal dynamics of post-stimulus adaptation of single neurons, i.e. the number of spikes in responses to each of the four tones in the sequence on the inter-tone interval in the sequence of wriggling call models (response-recovery curves).

Two-thirds of neurons in the auditory midbrain center and all neurons of the primary auditory cortex demonstrated an adaptation effect in responses to a series of wriggling call models. The effect was ontained in both awake and anesthetized mice. At short inter-tone intervals (0 – 50 ms in the auditory midbrain, 0 – 100 ms in the auditory cortex), neurons either responded only to the first tone of the four-tone series or responses evoked by the second, third and fourth tones were considerably reduced. An increase in inter-tone intervals in a series led to a gradual recovery of responses to the second, third and fourth tones up to the full recovery of the response. In different neurons, response recovery began with different inter-tone intervals (4 – 50 ms in the auditory midbrain, 10–200 ms in the auditory cortex). Full recovery of responses to the 2nd– 4th signals of the series, when they did not differ from the response to the first tone, occurred at the inter-tone intervals from 200 to 1000 ms. Statistical evaluation of the temporal dynamics of adaptation over all recorded units showed that at inter-tone intervals of 0–200 ms responses to the first tone of the series significantly exceeded those to the 2nd, 3rd and 4th tones (ANOVA on ranks, Dunn's test, p < 0.01). Responses to the 2nd–4th tones in the series did not differ. Since the inter-tone interval of 500 ms, the responses to all tones of the series did not differ significantly. So, within the temporal window of 0 – 500 ms the phenomenon of adaptation of the neuronal responses to repetitive sounds was observed. Thus, the time domain of 100–400 ms intervals in wriggling call series, which is important for triggering maternal behavior, corresponds to the time domain of the release from adaptation to their models. It can be assumed that the variation of adaptation time scales of individual neurons serves as the basis for the formation of optimal time windows in processing of the sound events grouping and separation relevant for the perception of animal communication signals and human speech.

The study was supported by the Russian Science Foundation n. 23-25-00074, https://rscf.ru/project/23-25-00074/.



References

Bibikov N.G. Uspekhi fiziologicheskikh nauk. 2010. V. 41. N. 4. P. 77.

Bregman A.S. Auditory scene analysis. The Perceptual Organization of Sound. Cambridge, MA: MIT Press. 1990.

Ehret G., Riecke S. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2002. V. 99. N. 1. P. 479.

Gaub S. Ehret G. J. Comp. Physiol. 2005. V. 191. P. 1131.