Как мозг различает тональные и шумовые сигналы

Нейрофизиологи выявили в головном мозге клеточную структуру, которая позволяет отличать тон от шума, и предположили, что она помогает выделять речь в потоке случайных звуков. Также им удалось определить роль нейромедиатор ацетилхолина в этом процессе. Исследование опубликовано в журнале The Journal of Neuroscience.

Credit: public domain


Все звуки делятся на тоны и шумы. Тоном называется звук с колебанием с постоянной или закономерно изменяющейся по времени частотой, а шумом – с неритмическими колебаниями. Пример тоновых сигналов – гласные звуки, возникающие при ритмичных колебаниях голосовых связок. Шумы создаются непериодическими колебаниями струи воздуха, выходящей из легких, и превращаются в глухие согласные. Звонкие согласные образуются при слиянии шумов и тонов. Благодаря тональным свойствам речи мы легко отличаем ее в потоке шума, выделяя, например, слова из множества звуков на улице.

Как выяснили исследователи из США и Германии, различать шум и тональное звучание помогают нейроны из области головного мозга, называемой медиальным ядром трапециевидного тела (medial nucleus of the trapezoid body, MNTB). Это структура представляет собой совокупность нейронов ствола мозга и, как уже было известно ранее, помогает определить источник звука.

Ученые также определили, что важную роль в выделение тоновых сигналов играет нейромедиатор ацетилхолин.

Ацетилхолин делает для нас многое: обеспечивает сокращения мышц, активизирует работу желудочно-кишечного тракта, тормозит работу сердца, сужает зрачки, поддерживает баланс сна и бодрствования, отвечает за внимание и обучение. Это исследование стало первым физиологическим подтверждением того, что ацетилхолин влияет на кодирование акустической информации в медиальном ядре трапециевидного тела.

Нейрофизиологи провели эксперимент на 26 мышах-песчанках (Meriones unguiculatus). Ученые подключили с помощью трубок к наружному слуховому проходу мышей наушники и подавали в них акустические сигналы.

Одновременно с этим регистрировались реакции нейронов медиального ядра трапециевидного тела. Для этого внутрь мозга песчанок поместили микроэлектрод, точно подводя его к нужным структурам. К электроду исследователи прикрепили микропипетку с размером наконечника 15-25 мкм, с помощью которой доставляли вещества-антагонисты к рецепторам ацетилхолина, в нужный момент блокируя их. Затем ученые регистрировали ответ нейронов медиального ядра трапециевидного тела при звучании тонального или шумового стимула.

С помощьюэксперимента удалось подтвердить, что успешный клеточный ответ на тоновые сигналы зависит от модуляции, вызванной ацетилхолином. Для подтверждения точности попадания в клетки-мишени ученые окрасили ткани исследуемой структуры флуоресцентным красителем (“Fluoro-Gold”).

Окрашенные ядра: медиальное трапециевидного тела (MNTB) и медиальное верхнего оливарного комплекса (MSO).Credit: Chao Zhanget al / Journal of Neuroscience, 2020


Исследование показало, что именно ацетилхолин улучшает распознавание слабых звуковых сигналов и помогает выделять тональные звуки при шумовом фоне. Ученые также предполагают, что описанный механизм схож с выделением человеческим мозгом речи из шума.


Текст: Вера Васильева

Endogenous Cholinergic Signaling Modulates Sound-evoked Responses of Medial Nucleus of Trapezoid Body by Chao Zhang et al in Journal of Neuroscience. Published December 2020.

https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1633-20.2020

Восстановить потерянный слух

Если проблемы со слухом возникли в среднем ухе, то тогда их может решить слуховой аппарат. Если же начинают гибнуть волосковые клетки или идущие от них…

Гармоничный слух – уникальная особенность человека?

Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature Neuroscience, мозг макаки-резуса не может отличать гармоничные сочетания звуков от случайного шума. Вероятно, это связано с тем, что слуховая…

Homo Erectus смог бы играть на пианино?

Сделать прорыв в создании орудий труда нашим предкам помогли когнитивные процессы в мозге, участвующие в игре на музыкальных инструментах, а не развитие языковых способностей. Статья…

Tактильное кино. Приглашение: смотреть видео и щупать разные поверхности

Департамент психологии ВШЭ приглашает желающих принять участие в эксперименте под рабочим названием «Восприятие кино». От вас потребуется смотреть фрагменты фильмов и оценивать их. Это поможет…

 Мигрень: больше, чем  головная боль

Мигрень это очень распространенное, многофакторное, рецидивирующее наследственное нервно-сосудистое расстройство головной боли. Им страдает более миллиарда человек на Земле. Приступы мигрени часто начинаются с условной первой…

«Разделяй и властвуй»: как в мозге кодируются звуки

В эксперименте, посвященном тому, как мозг обезьян обрабатывает звук, команда нейробиологов и статистиков из Университета Дьюка обнаружила, что один нейрон может кодировать информацию о двух…

Берите в руки скрипку – развивайте мозг!

Не злитесь на своих родителей, которые силком заставляют ходить в музыкальную школу пиликать на надоевшей скрипке. В результате пятилетнего исследования учёные выяснили, что существуют существенные…

Биофизики расшифровали подлинную структуру одного из самых многообещающих оптогенетических белков

Коллаборация ученых из Московского физико-технического института (МФТИ), Института структурной биологии Гренобльского университета и Европейского ускорительного комплекса в Гренобле (Франция), Юлихского исследовательского центра, Аахенского университета и…

Биофизики увидели, как работает инструмент оптогенетики

Международная группа ученых впервые получила структуру светочувствительного белка-транспортера натрия KR2 в активном состоянии. Это позволило описать механизм переноса ионов натрия через клеточную мембрану под воздействием…

В миндалевидном теле обнаружен новый тормозной путь

Миндалевидное тело – одно из самых изученных образований в головном мозге.  Ему мы уже посвятили отдельную статью из цикла «Нейронауки для всех. Детали». Однако, оказывается,…