Para que los humanos comprendan el habla y para que otros animales conozcan las llamadas de cada uno, el cerebro debe distinguir los sonidos cortos de los sonidos más largos. Al estudiar las ranas, los investigadores de la Universidad de Utah descubrieron cómo ciertas células cerebrales calculan la duración de los sonidos y detectan sonidos cortos.
Además del tono y el volumen, "la duración del sonido es de importancia universal", dice el profesor de biología Gary Rose, autor principal del estudio publicado por la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias . "Es importante en las ranas. Es importante para los humanos. Es importante para todos los animales que usan el sonido para comunicarse"
Los investigadores descubrieron hace mucho tiempo que diferentes neuronas o células nerviosas en el cerebro "responden selectivamente a sonidos de cierta duración", dice. "Pero hasta ahora no sabíamos cómo calculaban la duración de los sonidos".
Rose y el estudiante de doctorado en neurociencia Rishi Alluri usaron una combinación novedosa de registrar la actividad eléctrica de células cerebrales individuales y bloquear químicos neurotransmisores que transportan señales nerviosas de una célula nerviosa o neurona a la siguiente. Ya se sabía que los sonidos cortos se discriminan por más tiemposonidos de células cerebrales individuales en el colículo inferior, la parte auditiva del mesencéfalo.
Los investigadores descubrieron que para que una célula cerebral de rana reconozca un sonido corto, se inhibe de disparar una señal nerviosa mientras se produce el sonido, luego se excita para disparar cuando termina el sonido. Para sonidos más largos, la célula se inhibeun tiempo más largo y eso contrarresta la excitación, por lo que la célula no responde a sonidos más largos.
"Esta integración de excitación e inhibición en el cerebro es un componente crítico de la capacidad de distinguir entre los sonidos de comunicación", dice Rose.
Por ejemplo, sin este mecanismo, las personas no podrían distinguir que la primera sílaba es más corta que la segunda en una palabra como "papa" [suena como pa-pah], dice Alluri, el primer autor del estudio.
Cuando este proceso sale mal, el resultado puede ser trastornos en el reconocimiento del habla, como cuando las personas mayores tienen problemas para reconocer el habla incluso cuando los audífonos amplifican los sonidos entrantes.
"Se cree que el deterioro relacionado con la edad en el reconocimiento del habla es, en gran medida, una consecuencia de los desequilibrios en la excitación e inhibición de las neuronas involucradas en la audición", dice Rose. "Se puede adaptar a las personas con audífonos que amplifican elsonidos, pero todavía tienen problemas con el reconocimiento del habla debido a procesos en el cerebro ".
La imagen más grande, agrega, es aprender cómo un número limitado de componentes del sistema nervioso nos ayudan a entender lo que escuchamos, así como un número limitado de teclas de piano en una sola octava puede producir una gran cantidad de melodías.
El estudio fue financiado por el Instituto Nacional de Sordera y Otros Trastornos de las Comunicaciones. Rose y Alluri llevaron a cabo la investigación con las becarias posdoctorales de biología de la Universidad de Utah, Jessica Hanson y Christopher Leary, el especialista en investigación Gustavo Vásquez-Opazo, la licenciada y técnica Jalina Graham y doctoral.estudiante Jeremy Wilkerson.
Registro de actividad de las células cerebrales mientras se bloquean los neurotransmisores
El nuevo estudio combinó dos métodos: la llamada "grabación en parche" de pequeños voltajes en células cerebrales de rana única y cómo cambian los voltajes en respuesta a sonidos de diferentes longitudes, y la administración de medicamentos que bloquean los neurotransmisores, una forma deaprenda cómo las células cerebrales responden al sonido con y sin los neurotransmisores normales.
"Pudimos desarrollar este método muy novedoso para ir a una sola neurona y manipular cómo se computa" al usar medicamentos para bloquear neurotransmisores al nivel de una sola célula nerviosa en un cerebro de rana, y luego medir lo que sucede con esoneurona en respuesta a las llamadas de rana, dice Alluri.
"Administrar drogas [a las células cerebrales] y registrar las células enteras son dos métodos ya establecidos", dice Rose. "Combinarlos es algo nuevo".
Los investigadores midieron la actividad de las neuronas individuales en el colículo inferior. Las ranas leopardo se usaron en el estudio porque el colículo inferior también se encuentra en humanos y otros animales "por lo que las ranas son un gran modelo", dice Alluri.
Además, las frecuencias de llamadas de rana caen dentro del rango que la gente escucha, y las frecuencias utilizadas por las ranas leopardo son aquellas en las que las personas pueden escuchar los sonidos más silenciosos, dice Rose.
Durante el estudio, un solo electrodo midió la actividad en una sola neurona de rana, mientras que los investigadores utilizaron una computadora para generar varias partes de llamadas de rana, desde una llamada completa hasta un solo sonido o tono corto de la llamada.
El método hizo posible "registrar o medir cambios de milivoltios - milésimas de voltio en la célula", dice Rose. "Es muy difícil hacerlo debido al tamaño diminuto de las neuronas", que son aproximadamenteuna décima parte del grosor de un cabello humano.
Después de medir los cambios de milivoltios en 58 células cerebrales en ranas en respuesta al sonido, los investigadores utilizaron un modelo matemático para convertir la información en cuánto excitaba o inhibía una célula cerebral un pulso sonoro dado.
Los sonidos entrantes producen señales químicas nerviosas que pueden excitar a una neurona para disparar una nueva señal o inhibir su activación.
Los investigadores administraron medicamentos para bloquear los neurotransmisores comunes a los humanos, las ranas y otros animales: GABA-A, que es responsable principalmente de inhibir la activación de las células nerviosas, y los receptores de glutamato AMPA y NMDA, que están involucrados principalmente en excitar las neuronas parafuego.
Por ejemplo, al bloquear GABA-A, que normalmente inhibe las células nerviosas, la inhibición de las células cerebrales de las ranas se redujo, por lo que las células respondieron a sonidos de todas las duraciones, no solo a sonidos cortos.
"Las neuronas rana, como las de las personas y otros animales, reciben el mismo tipo de insumos químicos, pero ha sido un gran desafío comprender cómo funcionan juntas para permitir que las neuronas calculen la duración de un sonido", Rosedice.
Los resultados: los sonidos cortos desencadenan la inhibición de las células cerebrales, la excitación
"Para desglosarlo, estos estudios nos permitieron revelar las relaciones temporales entre la excitación y la inhibición [de las células cerebrales] que son críticas para hacer este cálculo" de cuánto dura un sonido, dice Rose.
Específicamente, los experimentos mostraron que cuando una célula cerebral responde a un sonido corto, la célula primero se inhibe de disparar mientras dura el sonido, un nuevo descubrimiento, y luego se excita para que pueda disparar.superposición mínima entre el momento en que la neurona se inhibe y se excita, por lo que esto se conoce como el "mecanismo anticoincidencia"
Para sonidos más largos, la célula cerebral estuvo excitada durante el mismo período de tiempo que para sonidos más cortos. Pero la neurona permaneció inhibida por más tiempo, y ese tiempo se superpuso con el tiempo que la célula estaba excitada, lo que tuvo el efecto desuprimiendo la señal emitida por la célula del cerebro. Entonces la célula no responde a los sonidos más largos.
En otras palabras, si un sonido es corto o largo, la célula cerebral se excita durante el mismo período de tiempo. Pero la señal que inhibe la excitación es más corta para sonidos cortos y más larga para sonidos largos. La inhibición más larga para sonidos más largos cancelagran parte de la señal excitadora para que la célula cerebral pueda distinguir sonidos cortos de sonidos más largos.
Los investigadores también encontraron que en las células nerviosas que detectan sonidos cortos, esa capacidad se amplifica por las propiedades eléctricas de los canales iónicos de la membrana de las células nerviosas, que permiten la entrada y salida de sustancias químicas cargadas.
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Materiales proporcionado por Universidad de Utah . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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