Redactie, 5 april 2015

Op 17 maart promoveerde Tom Franken aan de KU Leuven op een onderzoek naar de manier wijze hoe cellen in de hersenstam een tijdsvergelijking maken tussen binnenkomende signalen. Hiermee kunnen de hersenen de locatie van een geluidsbron bepalen. Franken deed zijn onderzoek aan het Leuvense Laboratorium voor Auditieve Neurofysiologie.

Volgens een artikel in De Morgen is de vinding belangrijk voor de verdere verfijning van hoorapparaten en cochleaire implantaten, meer bepaald voor het lokaliseren van geluid en wegfilteren van achtergrondgeluiden.

De cellen in de hersenstam die geluid lokaliseren, doen dat volgens een artikel in Engineers online door de verschillende signalen van beide oren af te wachten en te vergelijken. 

Localisatie

De menselijke hersenen berekenen de locatie van een geluid door de verschillen in intensiteit en aankomsttijd tussen de signalen die de twee oren opvangen te vergelijken. Onze oren kunnen volgens het artikel in De Morgen een tijdverschil tot 10 miljoensten van een seconde horen. Een geluid dat aankomt in het slakkenhuis, wordt via de gehoorzenuw doorgestuurd naar cellen in de hersenstam waar de signalen van de twee oren vergeleken worden. Hoe onze hersenen die tijdsvergelijking maken, was al jaren een discussiepunt in de wetenschap.

Woestijnratten

Het lukte Tom Franken om de in- en uitgaande elektrische signalen van de cellen in de hersenstam te meten. Hij bracht daartoe bij woestijnratten een fijne elektrode in de cel aan. Terwijl men tot nu toe veronderstelde dat de cel reageerde op gelijktijdigheid - als je rechteroor het signaal eerst ontvangt, zou dit onderweg vertraagd worden, zodat beide signalen gelijktijdig toekomen in de hersencel - ontdekte hij dat de cellen het signaal van de ene kant wat later toe krijgen dan het andere, maar wachten om te reageren tot ze beide binnen zijn. "Cellen zijn dus niet zo passief als we dachten", aldus Franken in De morgen

Samenvatting proefschrift

Hieronder de Nederlandse samenvatting van het proefschrift van Tom Franken

Het belangrijkste doel van mijn doctoraatsproject was om het mechanisme van coïncidentiedetectie te achterhalen met intracellulaire metingen in vivo. De essentie van coïncidentiedetectie is in feite hetzelfde als een logische AND-poort: als twee inkomende signalen tegelijk aankomen in een hersencel wordt er een uitgaand signaal afgevuurd; als geen of slechts één inkomend signaal optreedt, wordt er geen uitgaand signaal gegenereerd. De bekendste coïncidentiedetectoren in de hersenen van zoogdieren zijn waarschijnlijk de hersencellen van de mediale bovenste olijfkern (MBO), een intrigerende hersenkern die inkomende signalen vergelijkt die afkomstig zijn van de twee oren. Op die manier zijn de hersencellen van deze kern gevoelig voor het tijdsverschil tussen de aankomst van geluiden in de twee oren (interauraal tijdsverschil of ITV), met een opmerkelijke nauwkeurigheid. Deze eigenschap is nuttig omdat het ITV correleert met de horizontale geluidslocatie. Ook de detectie van signalen in een lawaaierige omgeving (cocktail party effect) wordt mede gemakkelijker gemaakt dankzij detectie van ITV. De hypothese dat cellen van de MBO zich gedragen als een AND-poort is een idee dat bestaat sinds de grensverleggende publicatie van Lloyd Jeffress in 1948. Hij stelde voor dat er binaurale coïncidentiedetectoren bestaan, die inkomende signalen van de twee oren ontvangen via vertragingslijnen. Op die manier zou elke coïncidentiedetector best antwoorden op een verschillend ITV (het beste ITV), wat zorgt voor een ruimtelijke ordening van beste ITV. Het principe van coïncidentiedetectie leek bevestigd te worden in extracellulaire en juxtacellulaire afleidingen van dezecellen, maar het mechanisme werd nooit echt rechtstreeks onderzocht door het gebrek aan een intracellulaire studie in vivo. Het belang van de fysiologie van coïncidentiedetectie overstijgt de gevoeligheid voor ITV. Neurale tijdsfenomenen zijn wijdverspreid in de hersenen, en coïncidentiedetectie is een mechanisme dat hersencellen toelaat hiervoor gevoelig te zijn. Daarnaast is de aard van de vertragingslijnen in het model van Jeffress het onderwerp van een hevig debat. Men denkt inderdaad dat axonale vertragingslijnen bestaan in de hersenstam van vogels. Aan de andere kantzijn de axonale lengteverschillen die gevonden worden in de hersenstam van zoogdieren niet groot genoeg om de ITV gevoeligheid van de MBO te verklaren. Vooral de relatie tussen karakteristieke frequentie en beste ITV is moeilijk te verklaren met vertragingslijnen veroorzaakt door axonale lengteverschillen. Verschillende alternatieve theorieën zijn voorgesteld, zoals snelle fasegekoppelde inhibitie, een in de Mongoolse gerbil die we bekomen hebben met de patch clamp techniek. Dit liet ons toe om voor de eerst maal in vivo inhibitorische postsynaptische potentialen in de MBO te tonen. Injectie van strychnine tijdens de metingen liet ons toe om de gevoeligheid voor ITV te vergelijken in aan- en afwezigheid van inhibitie, en te tonen dat inhibitie niet systematisch het beste ITV verandert zoals men vroeger vermoedde. We bestudeerden de axonale oorsprong door de cellen aan te kleuren, en vonden geen argumenten voor de idee dat de axonale oorsprong systematisch samenhangt met de beste ITV. Ook een systematische ruimtelijke ordening van beste ITV konden we niet terugvinden, in tegenstelling tot de hypothese van Jeffress. De kinetiek van excitatorische postsynaptische potentialen (EPSPs) was verbazingwekkendsymmetrisch, wat een andere theorie over de aard van de interne vertraging weerlegt.Het aanbieden van monaurale en binaurale geluiden maakte het mogelijk de ITD gevoeligheid vergelijken met de voorspelling van een eenvoudig mechanisme van coïncidentiedetectie, door de monaurale antwoorden op te tellen en te vergelijken met het binaurale antwoord. Dit leidde tot een verrassende afwijking in vele gevallen, dat ingaat tegen de idee dat de cellen van de MBO systematisch functioneren als eenvoudige coïncidentiedetetoren. Een gedetailleerde analyse van de membraanpotentiaal in vivo en bijkomende experimenten in vitro toonden aan datasymmetrieën in het tijdspatroon van EPSPs aanleiding geven tot deze afwijking door de activatie van potentiaalafhankelijke conductanties, en zo het coïncidentiemechanisme adaptief maken eerder dan onmiddellijk. Deze adaptieve coïncidentiedetectie is op zichzelf een vorm van interne vertraging. In Hoofdstuk IV toon ik antwoorden van cellen van de MBO op tonen van verschillende frequenties en ruis van verschillende bandbreedtes. Antwoorden van cellen van de MBOop andere geluiden dan tonen zijn erg schaars in de literatuur, omdat het erg moeilijk is om van deze cellen af te leiden. We vonden dat het antwoord uitgesproken sterker was op lage frequenties, in de staart van de frequentiegevoeligheidsfunctie. Daarnaast verminderdede vuurfrequentie van de cellen drastisch voor bredere frequentiebanden. Analyse van de intracellulaire potentiaal liet ons toe dit fenomeen uit te klaren. We toonden dat deze eigenschap ontstaat op niveau van de MBO, omdat de inkomende EPSPs meer gedecorreleerd zijn voor brede dan voor smalle frequentiebanden.

Men vermoedt dat het aantal afferente vezels dat aankomt in een cel van de MBO klein is, in tegenstelling tot de coïncidentiedetectoren in de nucleus laminaris van vogels. Om het effect van convergentie van afferente vezels te bestuderen, voerden we een coïncidentieanalyse uit van afleidingen van vezels in het corpus trapezoïdeum, in antwoord op breedband ruis. Deze resultaten stel ik voor in Hoofdstuk V. We varieerden het aantal afferente vezels, de monaurale en binaurale coïncidentiedrempel en het coïncidentievenster. We vergeleken het aantal coïncidenties met de antwoorden van binaurale hersencellen, om de fysiologische plausibiliteit te beoordelen. We vonden dat de binaurale coïncidentiedetector verschillende afferente vezels nodig heeft om voldoende actiepotentialen te kunnen genereren. Monaurale coïncidenties moeten onderdrukt worden ten opzichte van binaurale coïncidenties, wat een oudere theorie tegenspreekt.De coïncidentiedetector moet ook gevoelig zijn voor individuele inkomende signalen,opdat de vuurfrequentie hoog genoeg zouzijn. Tenslotte laat een breder coïncidentievenster een lager aantal afferente vezels toe, maar verlaagt het de modulatiediepte wanneer ITV wordt gevarieerd. Inhoofdstuk VI toon ik in vivo intracellulaire metingen van de minst begrepen bron van inkomende signalen naar de MBO, de laterale kern van het corpus trapezoïdeum (LKCT). Dit zijn de eerste in vivo metingen van aangekleurde hersencellen van de LKCT. Dit gaf ons gedetailleerde informatie over de fysiologie, maar we konden de cellen ook aankleuren en de anatomie bestuderen, op lichtmicroscopisch en elektronenmicroscopisch niveau. We toonden aan dat de LKCT van de gerbil bestaat uit tenminste twee subdivisies, de hLKCT (hoofdkern van de LKCT) en de pvLKCT (posteroventrale LKCT), zoals anatomische studies in dekat eerder hadden gesuggereerd. De hersencellen in deze subdivisies hebben verschillende anatomische en fysiologische kenmerken. Cellen in de pvLKCT worden donker aangekleurd met anti-glycine antilichamen, wat doet vermoeden dat de pvLKCT de cellen bevat die naar de MBOprojecteren. We ontdekten dat deze cellen typischantwoorden met een primair vuurpatroonmet pauze op korte tonen van de karakteristieke frequentie, en fasekoppeling vertonen, maar niet met een hoge temporale precisie ("hoge sync"). We toonden een onverwachte afferente connectie aan van de laterale bovenste olijfkern (LBO) naar de pvLKCT. In tegenstelling tot de pvLKCT zijn cellen van de hLKCT vaak binauraal, en vertonenze verschillende vuurpatronen in antwoord opkorte tonen. De meeste cellen van de hLKCT vertonen geen fasekoppeling, maar we ontdekteneen subgroep van cellen die wel antwoorden met hoge sync. Samengevat heb ik tijdens mijn doctoraatsproject een in vivo patch clamp benadering ontwikkeld voor intracellulairemetingen in de bovenste olijfkern. Dit mondde uit in de meest gedetailleerde studie van in vivo coïncidentiedetectie tot nu toe and leidde tot de ontdekking dat coïncidentiedetectie in de MBO adaptief is en intrinsiek een interne vertraging genereert. Farmacologische manipulaties tonen dat inhibitie geen cruciaal onderdeel is voor de regeling van beste ITV. Een belangrijke vraag voor toekomstige studies is of dit paradigma van coïncidentiedetectie ook geldt voor andere circuits, en in hoeverre het er de informatieverwerking beïnvloedt.

Bronnen: De Morgen, KU Leuven, Engineers online