Transcript Slide 1 - PPKE-ITK

A HALLÓRENDSZER
PPKE ITK, 2007
Sound as
mechanical wave
energy requires a
medium such as air
or water in which to
move.
Sound: vibratory energy caused by movement of physical objects
• Rate of vibration is called frequency
– What we hear is pitch (high or low)
– We hear 20-20,000 Hz (cycles/sec)
• Size (intensity) of vibration is amplitude
– What we experience is loudness
– Measured in decibels (dB)
Additive synthesis & Fourier analysis
As in Fourier
analysis of patterns
of light, the same
method can be used
for representing and
constructing
complex sound
wave phenomena.
Here (d) is a
composite of the
fundamental (a)
plus its second and
third harmonics, (b)
and (c).
AZ EMBERI HALLÁS FREKVENCIATARTOMÁNYA
kHz
-AZ EMBERI HALLÁS 1-4 kHz frekvenciájú rezgésekre a legérzékenyebbEkkor az ingerküszöb~ 0 dB=20 µPa
A KÖZÉPFÜL KÉPLETEI
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Kalapács
Üllő
Kengyel
Dobhártya
Kerek ablak
Eustach kürt
Hallójárat:
25-27 mm.
Rezonancia: 2500-4000Hz.
Erősítés: 10-15dB
A HALLÓCSONTOK MŰKÖDÉSE
Középfül funkciója:
Akusztikus impedanciaillesztés:
dobhártya-ovális ablak
felületének aránya: 17:1
csontok: 1,3x áttételű emelő
Σ 22-24x erősítés
25-30 dB nyomásnövekedés
Dobhártya mozgás:
2 dB suttogás = 10-8 mm
Csontvezetés
• Középfül megkerülése
• Saját hang felismerése
• Vezetéses típusú halláscsökkenésnél a
hangrezgések ezen az úton
továbbíthatóak a belső fülbe
Ossicular reflex
(1) Malleus ;
- (2) Malleus ligament ;
- (3) Incus ;
- (4) Incus ligament;
- (5) Stapes muscle (stapedius);
- (6) Stapes footplate;
- (7) Eardrum;
- (8) Eustachian tube;
- (9) Malleus muscle (tensor tympani);
- (10) Nerve (chorda tympani) sectioned
• Musculus tensor tympani és a musculus
stapedius erős hangok hatására reflexesen
összehúzódnak
• Bilaterális reflex
• Hosszú latencia idő
• Alacsony frekvenciás hangok szűrése-ezáltal a
saját hang kiemelése
The inner ear
Oval window
0,5 mm
Round window
Cochlea from a human fetus (5 months of gestation)
A COCHLEA KERESZTMETSZETE
1. Ductus cochlearis
2. Scala vestibuli
3. Scala tympani
4. Ganglion spirale
5. Nervus acusticus
A CORTI SZERV
~15.00 szörsejt
30.000 idegrost
~ 3.500 belső szőrsejt
Az idegrostok 95%-a
végződik rajtuk.
Szenzoros funkció
~12.000 külső szőrsejt
(3 sorban)
Az idegrostok 5%-a
végződik rajtuk.
Hangoló, erősítő
funkció
Copyright © 2002 Wadsworth Group. Wadsworth is an imprint of the
Wadsworth Group, a division of Thomson Learning
Organ of corti
BELSŐ SZŐRSEJT
1. Sejtmag
2. Stereocilia
3. Cuticularis lemez
4. Radiális afferens idegvégződés
(I. típus)
1. Laterális efferens idegvégződés
2. Mediális efferens idegvégződés
KÜLSŐ SZŐRSEJT
3. Spirális afferens idegvégződés
(II. típus)
Hair cells
The apical surface of inner support cells, one row of inner hair cells (i: IHCs), pillars of
Corti (p), 3 rows of outer hair cells (o: OHCs) and Deiters' cells are visible. At the bottom
the surface is fractured and the base of the 3rd row of OHCs is seen, as well as
phalangeal processes of Deiters' cell (d). scale bar: 15 µm
Tonotopia-hely elv,
frekvenciaanalízis
• Cochlea frekvencia analizáló működésének
alapja a tonotopia
• A ductus cochlearis/ membrana basilaris
hosszában egymást követő szőrsejtek ingerülete
különböző frekvenciájú hangrezgéseket jelez a
kp. idegrendszer számára
• Foramen ovale- magasabb hang/ nagyobb
ferkvencia
• Helicotrema- mélyebb hang/ kisebb ferkvencia
Tonotopia
• 1. cochlea passzív analizátor funkciója
• 2. külső szőrsejtek aktív funkciója,
bidirekcionális transzdukciós mechanizmus
• 3. az eltérő pozíciójú szőrsejtek különböző
mechanikai hangolása
1. Passzív frekvencia analízis
Membrana basilaris a hangok passzív
frekvenciaanalízisét végzi
• A kengyel talpa a foramen ovalében mozog
• Nyomás különbség a S.V. és S.T. között
• Membrana basilarison vándorló hullám
keletkezik
• Membrana basilaris szerkezete szabja meg,
hogy adott frekvenciájú rezgésnél hol mutat
maximumot a kilengés
• Kitérés a hang intenzitásával arányos
As shown in this schematic drawing, as the frequency varies from high to low, the
site of maximum displacement of the basilar membrane shifts toward the apex. This
corresponds to a passive tonotopy .
The wave displayed here, generated on the basilar membrane by a 400 Hz input tone,
is the solution of an integro-differential equation which describes the membrane motion
in the linear approximation.Waves peak at a frequency-dependent location and form
because: i) each membrane segment interacts instantly with each other through the
fluid filling the cochlear duct and ii) membrane stiffness is graded from base to apex.
2. A KÜLSŐ SZŐRSEJTEK AKTÍV MŰKÖDÉSÉNEK
HATÁSA
10 kHz-es tiszta hang által okozott haladó hullám tengeri malac membrana
basilarisán. A külső szőrsejtek kb. ½ oktávval eltolják a hullám maximumának helyét
és kb. 50 dB-el növelik amplitúdóját.
Four-image set of the cochlear partition (resolution 356
nm/pixel) viewed from scala media at angle bringing full
length of outer hair cells into focus. Cell stereocilia are
visible, through the intact tectorial membrane, near
frame bottom. A patch pipette (entering from R.) is
attached to a third row outer hair cell, incrementing cell
potential by 25 mV between successive frames. The
cell responds by shortening visibly when depolarized
within the intact organ of Corti. The mechanism
depends on an integral membrane protein called prestin
acting as a molecular motor.
Four-image set of the cochlear partition (256x256 pixels, resolution 356 nm/pixel)
viewed from scala media at angle bringing full length of outer hair cells into focus. Cell
stereocilia are visible, through the intact tectorial membrane, near frame bottom. A patch
pipette (entering from R.) is attached to a third row outer hair cell, incrementing cell
potential by 25 mV between successive frames. The cell responds by shortening visibly
when depolarised within the intact organ of Corti.
Active movement of the OHC
Displacement of the stereocilia
towards the tallest produces a cell
depolarisation as ionic current
flows in through the
mechanoelectric transducer
channels. The outer hair cell
responds by changing length
(vertical arrows) Ultrastructural
.
analysis of cell lateral plasma
membrane indicates that electromotility
may be based upon conformational
changes of a dense array of integral
membrane proteins whose molecular
identity is not yet known. Changes in
membrane potential may act as the
driving force for the re-arrangement of
the proteins in the plane of the
membrane. Membrane surface forces
are converted into cell axial forces by
interaction of the motor proteins with
the cytoskeleton (inset).
Tip links
Coupling between outer hair cells
and Deiters' cells
Here we patch-clamped simultaneously one outer
hair cell (OHC) in raw 3 of cochlear turn 3 and its
attached Deiters' cell (DC). The pipette contacting
the DC near the frame bottom was out of focus
and does not show. 100 mV potentials steps were
repeatedly applied to the OHC to study the
mechanical behavior of the OHC-DC junction. It is
quite clear that this cell couple was firmly
connected and that the OHC did not slide in the
DC cup while changing length. On the contrary, the
force applied by the OHC produced a visible
deformation in the DC, acting against its viscoelastic load
Organ of Corti and Internal Forces
Understanding how the organ of Corti
reacts to cellular forces is central to
cochlear micromechanics. One simple
scheme is that, under outer hair cell
contraction, the organ of Corti would distort
as shown here. This hypothesis is
consistent with experiments. Cell motility
feeds back to the basilar membrane motion
enhancing the travelling wave amplitude
and making the cochlea active.
Reference
Mammano, F. and Nobili, R. (1993) J. Acoust. Soc. Am. 93, 3320-3332.
2) Mechano-transduction at OHCs.
Bending of OHC stereocilia leads
to K+ entry and OHC depolarisation
4) Mechano-transduction at IHC OHC
contraction enhances the motion,
IHC stereocilia are bent
3) Electromotility and reverse transduction.
Depolarisation of its membrane results in OHC
contraction which magnifies the motion
A STEREOCILIUMOK MŰKÖDÉSE
Mechanoelektromos transzdukció:
A stereocilium elhajlásakor a kation
csatornák megnyílnak, K+ ion áramlik
a sejtbe, a sejt depolarizálódik.
Oto-acoustic emissions
Schematic drawing of a probe for recording
evoked OAEs.
It contains a speaker emitting the stimulating
sound and a microphone to record the returning
OAEs
Discovered back in 1978,
oto-acoustic emissions
(OAEs) were not fully
explained until a few years
later, after the OHC active
mechanism had been
understood. At least in the
mammalian cochlea, OAEs
reflect OHC electromotility.
OHC
contractions/elongations
themselves vibrate cochlear
fluids and the middle ear
conducting mechanism
transfers this vibration back
to the air of the external
auditory canal: there, the
emissions can be registered
by a microphone.
3. Az eltérő pozíciójú szőrsejtek különböző
mechanikai hangolása
• A cochlea bázisához közelebbi szőrsejtek
stereociliumai rövidebbek, feszesebbek-nagy
frekvenciájú rezgések átvétele
• Apexhez közeli szőrsejtek stereociliumai
hosszabbak, kevésbé feszesek-alacsonyabb
frekvenciájú rezgésekre válaszolnak
• Külső szőrsejtek: mechanoelektromos transzdukció,
elektromechanikai transzdukció
• Külső szőrsejtek alakváltozása elmozdítja a környező
struktúrákat, elsősorban a membrana tectoriát-passzív
hullám kiemelése
• A bidirekcionális transzdukció hat a belső szőrsejtekre isnagyobb mértékű stereocilium kitérés
• Fiziológiás hallásküszöb a külső szőrsejtek erősítő
funkciójának következménye (50-60dB SPL magasabb
küszöb)
ELEKTROMOS POTENCIÁLOK A BELSŐ FÜLBEN
Nyugalmi potenciál
A szőrsejtek nyugalmi potenciálja: -60 mV.
A csatornák 15%-a nyitott.
endolimpha - perilimphával = +80mV
endolimpha – intracell. tér = ~150 mV
.
Receptor potenciál
A stereocilium 100nm kitérése megfelel a
választerjedelem 90%-ának.
Normális inger: ~±1° kitérés
(kevesebb mint az átmérője)
Termális zaj: 3nm.
Hallásküszöb: 0,3 nm → 100μV receptor pot.
Overview of the
function of the Organ
of Corti
For low and mid intensities sounds the function of the organ of Corti may be schematically
summarised in 5 stages:
(1) Sounds waves move the basilar membrane (BM) up and down.
(2) Stereocilia of the OHCs , implanted in the tectorial membrane (TM), are bent and the cell is
depolarised.
(3) Excited (depolarised) OHCs react by contracting (= electromotility): this is an active
mechanism.
(4) Due to the tight coupling of OHCs with the BM and reticular lamina this active mechanism
feeds energy back into the organ of Corti and IHCs are excited possibly via TM (Hensen's stripe)
activation of IHC stereocilia.
(5) The IHC-auditory nerve synapse is activated and a message is sent to the CNS.
Szenzoros transzdukció
• Stereociliumok kitérése gradált –AC összetevő
• Membránpotenciál pozitívabb lesz- DC
komponens
• Hanghullám-depolarizáció+rátevődött
oszcilláció-pulzáló Ca beáramlás- változó
intenzítású transzmitter leadás
• A nervus cochlearis akciós potenciál
sorozatának frekvenciája a belső szőrsejtek
transzmitter leadásától függ, karakterisztika
hasonló
• Belső szőrsejtek ingerülete a ganglion spirale
bipoláris sejtjeinek végződéseire tevődik át
• Egy oldal ~3500 belső szőrsejt
• Egy afferens rost egy szőrsejthez kapcsolódik
• Minden egyes szőrsejthez ~10 afferens rost
kapcsolódik
• Legjobb frekvencia válasz jellemző
• Hangintenzitás növelése-karakterisztikus
frekvencia feletti és alatti frekvenciák is afferens
aktiválódást váltanak ki
Fáziscsatolás, frekvenciakód és populációs
kód
• AP Frekvencia maximum a hangnyomás
változások maximumával esik egybe (!)
• Adott hangfrekvenciára válaszoló afferens
idegek AP frekvenciája a hangnyomás szintől
függ
• Nagyobb intenzitású hangok a membrana
basilaris nagyobb kitérésével járnakhangintenzitást emelve azon axonokban is
fokozódik az AP frekvenciája amelyek
karakterisztikus frekvenciája alacsonyabb ill.
magasabb. Több ingerületbe került rost nagyobb
hangintenzitást jelez- Populációs kód
SENSORY NEURONS ARE
DRIVEN BY INNER HAIR
CELLS
• Phase Locking
– Consistent firing
of cell at same
sound wave
phase for low
frequency
sounds
Phase-locking
1
0.5
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
-0.5
-1
Response to Low Frequency tones
Inter-spike Intervals
2 periods
1 period
time (t)
Response to High Frequency tones > 5kHz
Random intervals
time (t)
nerve spike
1
INDIVIDUAL NEURONS ARE TUNED
TO RESPOND TO A NARROW RANGE
OF FREQUENCIES
A központi idegrendszer a cochlea szintjén
csökkentheti a hallás érzékenységét
• Laterális olivocochleáris köteg: cochleáris afferensek
érzékenységét állíthatják be
• Medialis olivocochleáris
köteg: szintén az afferens
aktivitást csökkentik, de a
külső szőrsejtek bidirekcionális transzdukciójának
gátlásával
• Zajszűrés, kiemelés
• Erős hangoktól
védelem
PNS Fig 3010
Auditory Nerve (VIII cranial nerve)
• Neural information from
inner hair cells: carried by
cochlear division of the
VIII Cranial Nerve.
• Bipolar neurons, cell
bodies in spiral ganglion,
proximal processes on
hair cell, distal in cochlear
nucleus.
PNS Chapter 30
Auditory System: Central Pathways
• Nagyon komplex
• Hanginger
kialakulásamegszűnése
• Hangmintázat
analízisből
tartalmi
információ
PNS Fig 30-12
Auditory System: Central Pathways
FUNCTION:
– Már az első szinapszistól
párhuzamos csatornák/
felszállópályák
– Növekvő komplexitás
– Különböző sejttípusok
különböző projekció és
tüzelésimintázat
– Reciprok összeköttetések
– Valamennyi állomáson
érvényesül a tonotópiaizofrekvenciás lemezek
– Binauralis interakciók
Identify and process
complex sounds
Cortex
Principal relay to cortex
Medial
Geniculate
Form full spatial map
Inferior
Colliculus
Lateral
Lemniscus
Lateral
Superior
Olive
Locate sound
sources in space
Acoustic
Stria:
Dorsal
Cochlea
Intermediate
Dorsal
Postero
Cochlear Ventral
Nucleus Cochlear
Nucleus
Start sound
feature
processing
Auditory
Nerve
Medial
Superior
Olive
Ventral
Antero
Ventral
Cochlear
Nucleus
Cochlear Nucleus:
• VIII nerve: branches -> 3
cochlear nuclei.
– Dorsal Cochlear Nucleus
(DCN)
– Posteroventral Cochlear
Nucleus (PVCN)
– Anteroventral Cochlear
Nucleus (AVCN)
• Tonotopy (through
innervation order)
• Start of true auditory
feature processing.
– Distinct cell classes: stellate
(encode frequency), bushy
(encodes sound onset)
– Different cell types project
to different relay nuclei.
PNS Fig 30-13
PNS Fig 3014
Superior Olive: hangforrás térbeli
elhelyezkedésének felismerése
• Medial Superior Olive: interaural time differences:
– Szűk frekvenciatartományra érzékenyek
– Időbeli különbségnek megfelelően adnak le impulzusokat
– Jellemző késés
PNS Fig 30-15
Superior Olive: hangforrás térbeli
elhelyezkedésének felismerése
• Bilaterális információ
• Lateral Superior Olive, corpus trapezoideum: interaural
intensity differences.
• A laterális olivamag a két cochleát érő, azonos
frekvenciájú hangok intenzitásbeli különbségére
érzékeny
• Aktiváció: ha az azonos oldali intenzitás nagyobb, mint
az ellenoldali (corpus trapezoideumból jövő neuronok
gátlók)
• Az oliva complex sérülése megszünteti a hangforrás
lokalizációt
Principles of Neural Science, Chapter 30
Interaural intensity differences (High Frequency Sounds)
Intensity reaching
contralateral ear
is lower because
of masking by
head.
Sound
Wave
Right Ear
Thickness of arrow represents
intensity reaching each ear.
Lateral Superior Olive Circuit
Diagram
The balance between excitation and inhibition
determines response
Ipsilateral input from AVCN
LSO neuron
Response = excitation - inhibition
If ipsilateral AVCN is responding more
than contralateral AVCN (adjusted by
MNTB), respond.
Contralateral input from MNTB
Auditory System: Midbrain
• From superior olives via
lateral lemniscus to the
inferior colliculus (IC).
Separate path from DCN.
• Dorsal IC: auditory, touch
• Central Nucleus of IC:
combines LSO, MSO inputs
to 2-D spatial map; passed
on to Superior Colliculus to
match visual map
• Medial geniculate body:
Principal nucleus: thalamic
relay of auditory system.
Tonotopic. Other nuclei:
multimodal: visual, touch,
role in plasticity?
FUNCTION:
Identify and process
complex sounds
Cortex
Principal relay to cortex
Medial
Geniculate
Form full spatial map
Inferior
Colliculus
Lateral
Lemniscus
Lateral
Superior
Olive
Locate sound
sources in space
Acoustic
Stria:
Dorsal
Cochlea
Intermediate
Dorsal
Postero
Cochlear Ventral
Nucleus Cochlear
Nucleus
Start sound
feature
processing
Auditory
Nerve
Medial
Superior
Olive
Ventral
Antero
Ventral
Cochlear
Nucleus
Anatomy source : Palmer & Hall, 2002
• Primary & non-primary
auditory cortex
Right
hemisphere
Sylvian
Fissure
Medial
Temporal
Gyrus
planum polare
(nonprimary AC)
Superior
Temporal Gyrus
Superior Temporal Sulcus
Heschl’s gyrus
(primary AC)
planum temporale
(nonprimary AC)
Auditory Cortex: Complex patterns
• Superior temporal gyrus
• Like other sensory cortex:
– Input layer: IV,
– V: back project to MGB.
– VI: back project to IC
• Some 15 distinct tonotopic
areas
PNS Fig 3012
Cat Primary Auditory Cortex (A1)
32
16
8
4
2
1kHz
• Sound intensity and activation
• Loud sounds (90 dB) activated posterior and medial
temporal gyrus (red)
• Soft (70 dB) sounds activated area (yellow) is found most
laterally of TTG
• Medium intensity (82 dB) sounds activated intermediate
area (green). (NeuroImage 2002;17: 710)
Cross-modal plasticity in
congenitally deaf
• These PET/MR images show increased neural activity in the
superior temporal gyrus in congenitally deaf subjects when they
viewed signs or sign-like movements, suggesting that auditory
cortical regions may contribute to the processing of visual
information in the deaf
... and in congenitally blind
Multisensory DSC
neurons exhibit the
properties of
multisensory
enhancement and
inverse effectiveness
Stein and Meredith (1993)
The Merging of the Senses, fig. 10.19
Characteristics of multisensory
convergence: facilitation (1)
Enhancement of the
multimodal neuron’s
response with more
than one modality
Characteristics of multisensory
convergence : inhibition (1)
 With two modalities, the multisensory neuron’s response is
attenuated compared with the response of one modality
 Excitatory – inhibitory multisensory convergence
cochlea
Most important to you since this is
where damage results in
irreversible hearing loss
–
studied in chick show that may not
be irreversible!
• drugs can injure as well as
loud sounds
Aspirin
salicylates
quinine (tonic water)
streptomycin
frequent ear infections
In this transmission electron micrograph, the tallest stereocilium of an OHC is just
detached (by the fixation procedure) from the tectorial membrane.
scale bar: 1 µm
Acoustic trauma and hair cells 1
Depending on the level of exposure, damage to hair cells may: 1) only involve
stereocilia, and some repair mechanism are possible, or 2) involve the entire hair cell,
which undergoes apoptosis and dies.
Mild damage, which is restricted to stereocilia : ranging from
disarray, broken tip links and broken roots to fused and giant
stereocilia; in such a case, electromechanical transduction is
altered, or stopped, but slow repair may occur.
Acoustic trauma and hair cells 2
2) Severe and definitive damage, when the hair cell itself is altered and
disappears.
On the left, TEM of a dying OHC. The flat preparation on the right shows a
traumatised cochlea where 7 to 8 OHC have disappeared, together with a pillar
cell (damaged area outlined in blue).
scale bar: 20 µm.