Refine
Document Type
- Article (2)
- Doctoral Thesis (1)
Has Fulltext
- yes (3)
Is part of the Bibliography
- no (3)
Keywords
- auditory cortex (3) (remove)
Institute
- Medizin (3) (remove)
Sound discrimination is essential in many species for communicating and foraging. Bats, for example, use sounds for echolocation and communication. In the bat auditory cortex there are neurons that process both sound categories, but how these neurons respond to acoustic transitions, that is, echolocation streams followed by a communication sound, remains unknown. Here, we show that the acoustic context, a leading sound sequence followed by a target sound, changes neuronal discriminability of echolocation versus communication calls in the cortex of awake bats of both sexes. Nonselective neurons that fire equally well to both echolocation and communication calls in the absence of context become category selective when leading context is present. On the contrary, neurons that prefer communication sounds in the absence of context turn into nonselective ones when context is added. The presence of context leads to an overall response suppression, but the strength of this suppression is stimulus specific. Suppression is strongest when context and target sounds belong to the same category, e.g.,echolocation followed by echolocation. A neuron model of stimulus-specific adaptation replicated our results in silico The model predicts selectivity to communication and echolocation sounds in the inputs arriving to the auditory cortex, as well as two forms of adaptation, presynaptic frequency-specific adaptation acting in cortical inputs and stimulus-unspecific postsynaptic adaptation. In addition, the model predicted that context effects can last up to 1.5 s after context offset and that synaptic inputs tuned to low-frequency sounds (communication signals) have the shortest decay constant of presynaptic adaptation.SIGNIFICANCE STATEMENT We studied cortical responses to isolated calls and call mixtures in awake bats and show that (1) two neuronal populations coexist in the bat cortex, including neurons that discriminate social from echolocation sounds well and neurons that are equally driven by these two ethologically different sound types; (2) acoustic context (i.e., other natural sounds preceding the target sound) affects natural sound selectivity in a manner that could not be predicted based on responses to isolated sounds; and (3) a computational model similar to those used for explaining stimulus-specific adaptation in rodents can account for the responses observed in the bat cortex to natural sounds. This model depends on segregated feedforward inputs, synaptic depression, and postsynaptic neuronal adaptation.
Speech production involves widely distributed brain regions. This MEG study focuses on the spectro-temporal dynamics that contribute to the setup of this network. In 21 participants performing a cue-target reading paradigm, we analyzed local oscillations during preparation for overt and covert reading in the time-frequency domain and localized sources using beamforming. Network dynamics were studied by comparing different dynamic causal models of beta phase coupling in and between hemispheres. While a broadband low frequency effect was found for any task preparation in bilateral prefrontal cortices, preparation for overt speech production was specifically associated with left-lateralized alpha and beta suppression in temporal cortices and beta suppression in motor-related brain regions. Beta phase coupling in the entire speech production network was modulated by anticipation of overt reading. We propose that the processes underlying the setup of the speech production network connect relevant brain regions by means of beta synchronization and prepare the network for left-lateralized information routing by suppression of inhibitory alpha and beta oscillations.
Ziel der vorliegenden Arbeit war der Nachweis der bekannten Tonotopie im auditorischen Cortex der Katze mittels optical recording intrinsischer Signale (ORIS) mit der Frage, ob ORIS eine funktionelle Bildgebung ermöglicht, die den etablierten elektrophysiologischen Ableitungsmethoden an räumlicher und zeitlicher Auflösung ebenbürtig oder sogar überlegen ist. Hierzu wurde ein ORIS- Setup erstellt, dessen Schwankungsbreiten von Beleuchtungseinheit und aufzeichnendem System in Ableitung mit grünem Licht bei einer Größenordnung von 0,03% hinreichend niedrig lagen, um stimulusassoziierte Signale in den von den meisten Autoren berichteten Amplituden sicher ableiten zu können. Es wurden spontane wie durch elektrische und akustische Stimuli evozierte Änderungen in den Reflexionseigenschaften des primären auditorischen Cortex (A1) der Ketamin- und Isofluran- anästhesierten Katze beobachtet. In Ruhe stellten sich bei 540nm in sämtlichen Versuchstieren (n=4) spontane Absorptionsoszillationen mit einer Grundfrequenz von 0,1Hz und einer Amplitude zwischen 1 und 3,5% dar („Mayer-waves“), deren Ursprung (intra- versus extracerebral) jedoch nicht gesichert werden konnte und die sich von den anliegenden Stimuli unbeeinflußt zeigten. Ein der bekannten Tonotopie korrespondierendes Muster aktivierter Areale nach Stimulation konnte lediglich bei ¼ der Versuchstiere nachgewiesen werden (P124, elektrische Reizung, 30 Mittelungsdurchgänge). Die erreichten Absorptionsmaxima nach 12dB überschwelliger elektrischer Reizung des Hörnerven lagen bei etwa 0,5% mit einer Latenz bis zum Signalmaximum von 5,5 sec. Bei P126 war erst nach Mittelung von 18 Durchgängen ein zeitlicher Zusammenhang zwischen optisch erhobenen Daten und Stimulus nachweisbar. Bei P125 stellte sich nach 30 Mittelungsschritten zwar ein caudo-rostraler Shift der optischen Maxima bei Stimulation von 1kHz auf 4kHz dar, was der bekannten cortikalen Frequenzrepräsentation entsprach, doch ließ die darauffolgende Reizung mit 16 kHz keinen weiteren Shift nach rostral erkennen. Das cortikale Gebiet maximaler optischer Aktivität lag gegenüber dem Ort der 4kHz-Repräsentation caudomedial versetzt. Dies widerspricht der bekannten cortikalen Cochleotopie. Es fand sich nach Mittelung über 18 (P126) bzw. 30 (P124 und P125) Durchgänge gleicher Stimulation bei allen Tieren ein fleckiges, stimulusassoziiertes, jedoch nicht tonotop verteiltes Signal in Form einer Absorptionszunahme mit Maximum nach 6-8,5 Sekunden. Es erreichte Amplituden zwischen 1% und 2,5%. Die optischen Aktivitätsmuster zeigten eine erhebliche Varianz unter Durchgängen bei gleichem Stimulus. In einem Experiment (P126) fand ein Vergleich der optisch generierten Ergebnisse mit elektrophysiologischen Multiunit-Messungen statt. Es konnte nur bei einer Stimulationsfrequenz (8kHz) eine schwache Korrelation der lektrophysiologischen Multiunit-Antworten mit den optisch erhobenen Reflexionsänderungen festgestellt werden. Wir schließen daher, dass die Darstellung einer Tonotopie mittels ORIS nur in einem Bruchteil der untersuchten Versuchstiere mit gegenüber elektrophysiologischen Methoden deutlich geringerer Reliabilität, Validität und räumlicher Auflösung machbar ist, möglicherweise, weil ORIS am primären auditorischen Cortex der Katze lediglich ein grobes Signal der Tonotopie liefert, ohne hierbei auf die Lokalisation aktiver Neurone beschränkt zu sein. ORIS ist demnach zum Ersatz der etablierten Elektrophysiologie am A1 der Katze nicht geeignet.