Neuronální hyperaktivita a širší ladění spojené se změněným zpracováním zvuku u krys s autismem

Lidé s poruchami autistického spektra mají obvykle potíže se zpracováním smyslových informací, což může způsobit, že rušná, jasná nebo hlasitá prostředí – jako jsou školy, letiště a restaurace – jsou stresující nebo dokonce bolestivé. Neurologické příčiny změněného zpracování zvuku jsou složité a vědci mají zájem jim lépe porozumět, aby se lidem s autismem lépe žilo.

Ve studii, která kombinuje behaviorální testy, počítačové modely a elektrofyziologické záznamy aktivity neuronů, vědci zjistili, že hyperaktivita neuronů ve sluchové kůře a reakce těchto neuronů na neobvykle široký rozsah frekvencí přispívají k této změně. zvuk zpracování v modelech potkanů. Výzkum je zveřejněno v deníku Biologie PLOS.

„Jedna z věcí, o kterých jsme si mysleli, že se na ně dostatečně nehledí, byla myšlenka senzorické diskriminace: schopnost rozlišovat mezi různými rysy v našem prostředí,“ řekl Benjamin Auerbach, profesor molekulární a integrativní fyziologie na University of Illinois Urbana-Champaign.

„To je opravdu důležité, zvláště v podmínkách reálného světa, kde přichází mnoho konkurenčních informací najednou a musíte být schopni tyto informace analyzovat a dát jim smysl. Pokud máte zhoršenou diskriminaci funkcí, může to způsobit, že komplexní nebo přeplněná smyslová prostředí budou opravdu ohromující.“

Syndrom křehkého X je hlavní dědičnou příčinou autismu u lidí, při kterém je deaktivován gen zvaný FMR1. K reprezentaci autismu v laboratorním prostředí proto vědci použili u potkanů ​​deaktivovaný gen FMR1, tzv knokaut krysy.

Auerbach a Walker Gauthier, postgraduální student neurověd a hlavní autor této studie, se konkrétně rozhodli podívat na frekvenční diskriminaci: jak mozek dokáže rozeznat rozdíl mezi výškami různých zvuků.

Knokautované krysy FMR1 se účastnily řady behaviorálních testů, aby se zjistilo, jak dobře mohou rozlišovat mezi dvěma frekvencemi ve srovnání s krysami, které stále měly povolený gen FMR1 (nazývané krysy divokého typu). Krysám byl přehrán rozsah frekvencí, ale krysy byly trénovány tak, aby reagovaly pouze na specifickou cílovou frekvenci a zároveň inhibovaly svou reakci na jiné frekvenční tóny.

Když byl zahraný tón velmi daleko od cílové frekvence, všechny krysy si vedly podobně: žádná skupina na zvuk nereagovala. Podobně, když byl zahraný tón velmi blízko cílové frekvenci, krysy z obou skupin chybně identifikovaly tón jako správný. Pouze ve středním pásmu – když byl hraný tón vzdálen o třetinu až dvě třetiny oktávy od cílové frekvence – se chování obou skupin rozcházelo. Knokautované krysy FMR1 měly mnohem těžší problém identifikovat, že zahraný tón nebyl ve skutečnosti cílovým tónem.

Aby vědci dále prozkoumali, proč se to stalo, zaznamenali aktivitu dvou klíčových mozkových center nezbytných pro zpracování sluchových informací: sluchové kůry a dolního colliculus. Zatímco colliculus inferior se choval u obou skupin potkanů ​​podobně, aktivita krys sluchová kůra se lišily.

„Knokautované krysy vykazují zvýšenou spontánní aktivitu: jak moc neurony vystřelí, když nehraje žádný zvuk,“ řekl Gauthier. „A když jsem zahrál zvuk, byla větší odezva na ten zvuk také u knockoutovaných krys, ale pouze v mozkové kůře.“

Rozlišení frekvence je nezbytnou součástí sluchového systému a různé sluchové neurony jsou naladěny na různé frekvence. Zatímco obvykle daný neuron reaguje pouze tehdy, když je vystaven úzkému rozsahu frekvencí, výzkumníci zjistili, že sluchové kortikální neurony u knockoutovaných potkanů ​​FMR1 reagovaly místo toho na neočekávaně široký rozsah. To vysvětluje, proč měli obtížnější rozlišovat frekvence.

„Pokud máme širší ladění v kůře, znamená to, že více neuronů reaguje na více zvuků,“ řekl Gauthier. „Dává smysl, že se dvěma zvuky, které jsou blízko u sebe, člověk nemusí být schopen rozeznat mezi nimi rozdíl, protože jejich neurony obecně reagují na více zvuků.“

Aby otestovali, zda je tato kortikální hyperaktivita zodpovědná za potíže krys FMR1 při rozlišování zvuků, použili Auerbach a Gauthier svá měření aktivity kortikálních neuronů k vytvoření počítačového modelu mozkové aktivity. Poté použili tento model k replikaci frekvence identifikační experiment, který provedli s krysami. Pokud by byl model mozku upraven tak, aby kortikální neurony reagovaly na široký rozsah frekvencí, které neurony vyřazených krys FMR1 dělaly, choval by se počítač jako vyřazené krysy FMR1 v experimentu?

Při testování se model skutečně choval jako krysy v experimentu chování, což podporuje, že pozorované změněné zpracování zvuku je spojeno s širokým laděním neuronů.

Obecně tato studie naznačuje, že mozek musí vyvážit citlivost na zvuky se schopností rozlišovat mezi zvuky. S FXS je citlivost vysoce vyvážená a obětuje diskriminaci zvuku.

To také vysvětluje výsledky z předchozí studie, která vedla k vývoji této studie, ve které byly tóny hrány divokým krysám a krysám FMR1 knockout, které byly vycvičeny k reakci na zvuk. Knokautované krysy FMR1 reagovaly rychleji než jejich protějšky divokého typu: výsledek naznačoval, že si byli jistější, že slyší tóny, potenciálně proto, že je vnímali jako hlasitější než krysy divokého typu. To platilo zejména pro širokopásmový zvuk: když bylo současně přehráváno více zvukových frekvencí.

„Naše výsledky z naší nedávné studie mohou skutečně vysvětlit tento výsledek, protože pokud jsou jejich neurony šířeji vyladěny, když zvyšujete šířku pásma zvuku, budete rekrutovat více neuronů v mozku knockoutovaných zvířat FMR1 ve srovnání se zvířaty divokého typu,“ řekl Auerbach. „To může způsobit, že tyto zvuky budou vnímány jako hlasitější, protože máte aktivovanou větší populaci buněk.“

V budoucnu vědci plánují provést studie, aby zjistili, zda tyto výsledky platí také pro jiné genetické faktory korelující s ASD. Chtějí se také podívat blíže na kůru, aby dále prozkoumali, co způsobuje posun směrem ke zvýšené citlivosti na zvuk na nervové úrovni.