Білий шум і оптогенетика поліпшили слух

Білий шум на тлі звуків допомагає ефективніше відрізняти їх один від одного за рахунок обмеження активності нейронів слухової кори. Це з’ясували швейцарські вчені, які вивчили активність мозку мишей при прослуховуванні звуків. Ефект був значущим для звуків зі спектрально близькими частотами (тобто практично не відрізняються один від одного). Крім того, схожі зміни спостерігалися і при оптогенетичній активації нейронів, що беруть участь в регуляції слухового сприйняття. Це вказує на адаптивність слуховий системи головного мозку в умовах шумового забруднення, що впливає на стимуляцію,  пишуть вчені в журналі Cell Reports .

Активність різних частин сенсорної кори головного мозку досить специфічна: області, які залучені в обробку інформації, отриманої через різні модальності, активуються лише під впливом певної стимуляції на приймаючі канали (наприклад, світло, що отримується через сітківку ока, або звук, який сприймають волоскові клітини вуха ). Цікаво, що подібна специфічність проявляється і всередині сприйняття певної модальності: іншими словами, для певних відділів сенсорної системи дуже важливі параметри надходить сигналу.

Наприклад, нейрони слухової кори селективно обробляють звуки в залежності від їх частоти. При цьому вони досить адаптивні і піддаються , наприклад, фонового шуму або раптовим змінам звуку, що привертає увагу слухача. Про те, як подібна адаптивність впливає на слухове сприйняття і подальшу регуляцію поводження, однак, відомо досить мало.

Щоб вивчити це питання докладніше, Расмус Крістенсен (Rasmus Christensen) з Університету Базеля і його колеги вирішили провести експеримент на мишах. Для цього вони включали своїм піддослідним 37 звуків різних частот (від 4 Герц до 48,7 кілогерц) тривалістю по 50 мілісекунд кожна при рівні гучності в 60 децибел. Звуки включали або чистими, або на фоновому, «білому» шумі з рівнем гучності трохи нижче стимулу (50 децибелів). Активність мозку при сприйнятті звуків вимірювали за допомогою імплантованих в мозок мишей електродів, отримуючи потім функцію залежності потенціалу дії нейронів первинної слухової кори від частоти програється звуку.

Вчені виявили, що присутність білого шуму на тлі програється звуку викликає зменшення величини спайки (коливань потенціалу при порушенні нейрона): на 14,2 відсотка до початку і на 26,1 відсотка під час пікового активності. Така зміна спостерігалося у всіх селективно активуються ділянках первинної слухової кори незалежно від частотних характеристик стимулу. Також виявилося, що кількість звукових частот, сприйняття яких відбувається з величиною спайка в піковому порозі, значно (p = 0,0004) нижче при наявності білого шуму, ніж без нього. Це, в свою чергу, говорить про те, що селективність первинної слухової кори при шумі вище, а сам шум при цьому сприйняття ніяк не зачіпає.

Для вивчення докладного механізму впливу білого шуму на активність нейронів слухової кори вчені потім звернулися до методів оптогенетики – селективної активації нейронів за допомогою впливу світлом на вводяться в мембрану світлочутливі опсини. Дослідники ввели активує каналродопсін (ChR2) в парвальбумін -містять вставні нейрони, які регулюють передачу сигналу в сенсорних системах головного мозку. Виявилося, що селективна активація таких нейронів призводить до того ж результату, що і використання білого шуму: величина спайки знижується на 18,8 відсотка до початку і на 35,6 відсотка під час пікового активності. Так само, як і при використанні шуму, спостерігалося і значне (p = 0,0014) зменшення кількості частот, які сприймаються при піковому порозі спайка.

Оптогенетичні активації нейронів також поліпшили слухову дискримінацію. Результати виявилися схожими з тими, які були отримані при використанні білого шуму: також покращився розмежування звуків, що відрізняються на 0,35 октави (p = 0,021) і 0,2 октави (p = 0,008).

Що стосується конкретних ділянок мозку, які залучені в регуляцію сприйняття при впливі білого шуму і оптогенетичній активації, то вчені також відзначили роботу колінчастого тіла таламуса, яке також бере участь в обробці слухової інформації. Ефект, проте, був не таким вираженим, як той, який спостерігався при роботі слуховий кори.

Автори зробили висновок, що зміна активності слуховий кори (за допомогою або білого шуму, або оптогенетичній активації) змінюють слухове сприйняття, покращуючи його – причому цей ефект також проявляється і поведінково. Можливе пояснення такого ефекту – в селективної дискримінації частот окремими нейронами слуховий кори в порівнянні зі звичною спонтанною активністю в тому випадку, коли додаткову стимуляцію не потрібно фільтрувати. З цього, в свою чергу, можна зробити висновок, що сенсорні системи головного мозку краще адаптовані для сприйняття інформації при певному рівні додаткового шуму, що цілком зрозуміло: значущі звуки на тлі абсолютної тиші для сприйняття більш незвичні.

Користь білого шуму вже неодноразово підтверджували: наприклад, його успішно застосовують для відновлення слуху після акустичної травми. Два роки тому вчені показали , що прослуховування білого шуму певної інтенсивності заважає реорганізації нейронних зв’язків, яке спостерігається внаслідок порушення слуху після гучних звуків. Слух, таким чином, не порушується.