Proefschrift Universiteit Maastricht. / Auteursnaam op omslag: Sandra Escher. Met bibliogr., lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Sprachverstehen erfordert ein Zusammenspiel verschiedener mentaler Prozesse. Zuerst muss der kontinuierliche akustische Sprachstrom in einzelne Einheiten (z.B. Wörter) unterteilt werden. Segmentale und suprasegmentale linguistische Information unterstützt den Segmentierungsprozess. Wissen über die neuronalen Mechanismen dieser Prozesse ist wesentlich um Sprachverarbeitungs- und Sprachentwicklungsprozesse zu verstehen. Ziel der Dissertation ist die Charakterisierung neuronale Korrelate der Verarbeitung sprachrelevanter akustischer Information bei Erwachsenen und Säuglingen mittels kombinierter Nahinfrarot-Spektroskopie- und Elektroenzephalographie-Messungen. Studie I untersucht zeitliche und topographische Aspekte der phonotaktischen Verarbeitung bei Erwachsenen. Die Ergebnisse zeigen, dass phonotaktische Information links-hemisphärisch verarbeitet wird. Ob diese Lateralisierung auf die linguistischen oder akustischen Eigenschaften der Reize zurückzuführen ist bleibt unklar. Erwachsenen-Studien zeigen, dass die lateralisierte Verarbeitung von Sprache aus der Spezialisierung des auditorischen Kortex für bestimmte zeitliche akustische Variationen im Sprachsignal resultiert. Studie II und III untersuchen, ob diese Asymmetrie bereits bei Säuglingen vorliegt. Dafür werden zeitlich variierte nicht-sprachliche akustische Reize präsentiert. Die zeitlichen Variationen entsprechen kritischen Modulationen im Sprachsignal. Studie II zeigt, dass bei Neugeborenen die zeitlichen Modulationen zu differenzierten und lateralisierten Verarbeitungsmustern führen, die über die ersten Lebensmonate konstant bleiben (Studie III). Die Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass die lateralisierte Verarbeitung von Sprache mit einer Spezialisierung des auditorischen Kortex für bestimmte zeitliche Frequenzen zusammenhängt. Das Gehirn ist von Geburt auf die Wahrnehmung zeitlicher akustischen Variationen spezialisiert, die für die Entschlüsselung des Sprachsignals relevant sind. / The comprehension of spoken language requires the segmentation of the continuous acoustic speech stream into smaller units (e.g., words). Segmental and suprasegmental linguistic information guide the segmentation process. Investigating the underlying neuronal mechanisms is crucial for understanding the general nature of language perception, and language acquisition in infancy. This dissertation aimed to determine neuronal mechanisms underlying the perception of basic auditory cues relevant for the segmentation of speech in adults and infants using concurrent recordings of near-infrared spectroscopy and electroencephalography. Study I assessed temporal and topographic characteristics of phonotactic processing in adults, thus forming the basis for future studies in infants. The results show that phonotactic processing recruits a left hemispheric network. Whether these asymmetries are a function of linguistic attributes or of basic temporal signal properties is under debate. Studies in adults link hemispheric specialization for speech perception to an asymmetry in cortical tuning and reveal that the auditory cortices are differentially sensitive to temporal features of speech. Whether this asymmetry is already established in infancy is addressed by study II and III. These studies used acoustic non-linguistic sounds that vary in their temporal structure, thus sharing critical temporal features with language. Study II reveals that newborns process temporally varying stimuli in a differential and lateralized fashion. Study III indicates that this lateralization pattern remains constant over the first months of life. The findings support the notion that the lateralization of language functions might result from a specialization for different acoustic properties. The data provide further evidence that language acquisition is linked to basic capacities in auditory processing, and reveal that from birth the brain is tuned to critical temporal properties of linguistic signals.

Schleiereulen sind gute Nachtjäger und finden ihre Beute vor allem durch den Hörsinn. Die auditorische Lokalisierung in der horizontalen Ebene basiert dabei auf interauralen Zeitdifferenzen. Diese werden im Hirnstamm durch das Netzwerk von nucleus magnocellularis (NM) und nucleus laminaris (NL) in Orte umkodiert. Im NL kann ein extrazelluläres Potential (EP), das Neurophonpotential (NP) gemessen werden. Dieses hat eine erstaunliche zeitliche Präzision von unter 10 Mikrosekunden, und spiegelt den für die Stimulation benutzten Ton bis zu Frequenzen von 9 kHz wider. Wie kann eine solche Präzision erzeugt werden, und was kann man über den Ursprung des Potentials in dieser neuronalen Struktur lernen? Um diese Fragen zu klären, studiere ich in vivo gemessene NPs. Dadurch kann in Zukunft die Verbindung von neuronaler Aktivität und EP besser verstanden werden. Hunderte neuronale Stromquellen, die alle kohärent mit einer hohen Feuerrate aktiv sind, sind nötig, um ein solches NP zu erzeugen. Dabei sind Anzahl und Stromstärke der Neuronen im NL nicht ausreichend, um das NP zu erzeugen. Der Hauptanteil der Quellen besteht aus den Signalen, die den Input des NL formen: die Ströme der Ranvierschen Schnürringe entlang der Axone aus dem NM, sowie die synaptischen Ströme zu den Dendriten von NL Neuronen. Weiterhin können NPs, die als Antwort auf monaurale Stimulierung aufgenommen wurden, linear addiert werden, um die Antwort auf binaurale Stimulation zuverlässig vorherzusagen. Leichte Abweichungen von der Vorhersage könnten damit erklärt werden, dass einzelne, sehr nah an der Elektrode befindliche Neurone nichtlinear zum NP beitragen. Im Gegensatz zu anderen bisher untersuchten neuronalen Strukturen - auch homologer Hirnregionen - spiegelt das NP der Schleiereule Eingangs- statt Ausgangssignale wider. Dieser strukturelle Unterschied könnte erklären, wieso das Schleiereulengehirn höhere Genauigkeit erreicht, als das anderer Tiere. / The barn owl is a good night hunter and mainly localizes the prey with its auditory system. The auditory localization in the horizontal plane, based on interaural time differences, depends on the auditory brainstem circuit consisting of nucleus magnocellularis (NM) and nucleus laminaris (NL). An extracellular field potential (EFP), named neurophonic, can be recorded in the NL. It has a very high temporal precision of below 10 microseconds and replays the stimulating sound up to 9 kHz. In this thesis I study how an EFP with such a precision can be generated. Furthermore, what can we learn about the system and about the origin of the neurophonic in NL from these recordings? The answers will help connecting the neural activity to the EFP also in general. Firstly, hundreds of sources, all firing with a high rate and in a highly phase-locked manner, are needed to generate the neurophonic in NL. The number of the neurons in NL and the magnitude of their output currents are not high enough to alone give rise to the neurophonic. The majority of the neural sources conveys the input from NM to NL, i.e., the currents from the nodes of Ranvier in the afferent axons from NM, and the synaptic currents to the dendrites of the NL neurons. Furthermore, the neurophonics in response to monaural stimulation sum up linearly and predict accurately the neurophonics in response to binaural stimulation. This implies that the non-linear response of the NL neurons usually cannot be detected in the neurophonic, but that there might be a minor contribution from a single NL neuron when in the immediate vicinity of the electrode. All in all, the neurophonic in the barn owl''s NL seems to reflect the inputs to the nucleus, whereas usually the output is well represented in the EFP. Even in the homologue nuclei in chick and mammals the neurophonic is thought to reflect the output instead of the input. Thus, the exceptionality of the barn owl might be needed for the high precision in its NL.

Auditorische Transduktion beschreibt die Umwandlung von Schall in elektrische Signale in Rezeptorzellen. Dies geschieht durch eine Kette biophysikalischer Prozesse: mechanische Ankopplung der Schallwelle, Öffnung von mechanosensitiven Ionenkanälen in den Rezeptorzellen, Ansammlung des Membranpotentials und Auslösung von Aktionspotentialen. In dieser Arbeit wird die damit verbundene Signalverarbeitung am Beispiel der Rezeptorzellen im Ohr von Heuschrecken untersucht. Die Transduktion wird dazu als Kaskade einzelner funktioneller Module beschrieben. Es wird gezeigt, wie derartige Module aus der Beobachtung der System-Antwort, hier der Aktionspotentiale im auditorischen Nerv, mit Hilfe der Iso-Antwort-Methode charakterisiert werden können. Dabei werden im Experiment unterschiedliche akustische Reize ermittelt, die die gleiche System-Antwort liefern. In drei aufeinander aufbauenden experimentellen Untersuchungen führt dies zu folgenden Ergebnissen: 1) Für stationäre Signale wird die Feuerrate der Rezeptorzellen durch die Energie der Trommelfell-Schwingung reguliert. 2) Die auditorische Transduktion lässt sich durch eine Kaskade aus zwei linearen Filtern und zwei nicht-linearen Transformationen (LNLN-Kaskade) beschreiben. Die involvierten Prozesse agieren im sub-Millisekunden-Bereich und können mit der beschriebenen Methode - trotz der auf etwa eine Millisekunde beschränkten Präzision der Aktionspotentiale - mit einer Genauigkeit von ca. 10 Mikrosekunden vermessen werden. 3) Die Adaptation der Feuerrate enthält neben einem dominierenden rückgekoppelten Prozess, der durch die Feuerrate selbst gesteuert wird, auch eine Komponente, die direkt durch das Eingangssignal, die Schallintensität, ausgelöst wird und mechanischer Natur ist. Die Ergebnisse spiegeln die hohen Anforderungen an das zeitliche Auflösungsvermögen im Ohr wider. Die verwendete Methodik ist jedoch auch auf viele andere systemtheoretische Untersuchungen biophysikalischen Kaskaden anwendbar. / Auditory transduction describes the conversion of sound into electrical signals in receptor cells. A sequence of biophysical processes is involved: the mechanical coupling of the sound-pressure wave, the opening of mechanosensory ion channels in the receptor cells, the accumulation of membrane potential and the generation of action potentials. In this work, the signal processing in receptor cells is investigated. The ears of grasshoppers serve as a model system, and transduction is described as a cascade of functional modules. It is shown how such modules can be characterized by the iso-response method from observations of the system''s response. To this end, different acoustic stimuli are determined experimentally that trigger the same response. In three consecutive experimental investigations, this approach leads to the following results: 1) For stationary signals, the firing rate of the receptor neurons is governed by the energy of the ear-drum vibrations. 2) Auditory transduction can be described by a cascade that consists of two linear filters and two nonlinear transformations (LNLN cascade). The processes involved act on sub-millisecond time scales and can be analyzed by the described method with a resolution of around 10 microseconds - despite the limited precision of the action potentials near one millisecond. 3) Spike-frequency adaptation is governed by a feedback process, which is governed by the firing rate, but also contains a feedforward component triggered by the system''s input, the sound intensity. This component is of mechanical origin. The results reflect the high demands for temporal resolution in the ear. The applied method, however, can also be used for a large range of further system-theoretical investigations of biophyical cascades.

Auditorische Synaptopathien verursachen sensorineurale Schwerhörigkeit unterschiedlicher Ausprägung. Dabei sind sowohl erworbene, als auch angeborene Formen bekannt. Eine häufige Form ist die rezessive, nichtsyndromale Taubheitsform DFNB9, die auf einer Mutation des für Otoferlin kodierenden Gens beruht. Otoferlin ist ein Transmembranprotein, das essentiell für die stimulusabhängige Transmitterausschüttung an der Bändersynapse der Haarzellen ist . Um die Prognose von Patienten mit auditorischen Synaptopathien einschätzen zu können, ist es wichtig, den zeitlichen Verlauf der neuronalen Degeneration zu kennen. Aufgrund des Fehlens von protektiven Mittelohr und olivocochleären Reflexen könnte zusätzlich eine erhöhte Lärmempfindlichkeit bestehen, die einen frühen Verlust der Funktion der äußeren Haarzellen begünstigen wurde. Wir haben Otoferlin-Knockout-Mäuse im Alter von 6 Tagen bis 12 Monaten untersucht und die Funktion des Corti-Organs mittels Hirnstammaudiometrie und Messung der otoakustischen Emissionen getestet. In immunhistochemischen Färbungen von Corti-Organ Präparaten wurde die Degeneration von inneren und äußeren Haarzellen, Bändersynapsen und Spiralganglienneuronen beobachtet. Weiterhin wurden bei 2 Monate alten Otoferlin-Knockout-Mäusen die Auswirkungen eines leichten oder schweren Lärmtraumas quantifiziert. Wir beobachteten bei den Mutanten eine frühere und schnellere Degeneration der inneren und äußeren Haarzellen, insbesondere in der basalen Windung der Kochlea. Die Lärmtraumaversuche zeigten keinen Unterschied in der Empfindlichkeit von Otoferlin-Knockout-Mäusen und Wildtyp-Kontrollen, so dass die Ursache des Haarzellverlustes ungeklärt bleibt. Die Zahl der Bändersynapsen war ab Beginn des Hörens auf die Hälfte reduziert und blieb dann konstant, dennoch waren Spiralganglienneurone auch bei 12 Monate alten Tieren kaum reduziert. Das lässt auf einen relativ langen Erhalt des Hörnerven schließen Wir beschrieben hier zum ersten Mal die Degeneration des Corti-Organs in Otoferlin-Knockout-Mäusen. Gleichzeitig erfolgte die systematische Quantifizierung der synaptischen Degeneration von C57BL/6-Mäusen im Zusammenhang mit deren Altersschwerhörigkeit.

In vielen Kommunikationssytemen wird Information durch die zeitliche Struktur von Signalen kodiert. Ein neuronales System, welches rhythmische Signale verarbeitet, sollte davon profitieren, seine inhärenten Filtereigenschaften den Frequenzcharakteristika dieser Signale anzupassen. Die Grille Gryllus bimaculatus stellt ein einfaches biologisches System dar, für welches nur wenige, spezifische Modulationsfrequenzen verhaltensrelevant sind. Ich habe einzelne Neuronen im peripheren und höheren auditorischen System der Grille hinsichtlich einer möglichen Anpassung auf diese Frequenzen untersucht. Hierfür habe ich extrazelluläre Elektrophysiologie mit verschiedenen Stimulationsparadigmen kombiniert, welche auf amplitudenmodulierten Tönen basierten. Die Analyse der experimentellen Daten ergab, dass bereits in der auditorischen Peripherie einige der untersuchten Neurone Bandpasseigenschaften aufwiesen, da sie verhaltensrelevante Modulationsfrequenzen mit den höchsten Feuerraten beantworteten. Anhand einfacher mathematischer Modelle demonstriere ich, wie weitverbreitete, zellintrinsische und netzwerkbasierte Mechanismen die beobachteten Feuerratenresonanzen erklären könnten. Diese Mechanismen umfassen unterschwellige Resonanz von Membranströmen, aktivitätsabhängige Adaptation, sowie das Zusammenwirken von Exzitation und Inhibition. Ich zeige, wie eine serielle Kombination solcher elementarer Filter die deutliche Selektivität im Verhalten der Grille erklären könnte, ohne dabei auf ein dediziertes Filterelement zurückzugreifen. Allgegenwärtige neuronale Mechanismen könnten demnach eine dezentralisierte Filterkaskade in einem hochspezialisierten und größenbeschränkten neuronalen System begründen. / In many communication systems, information is encoded in the temporal pattern of signals. For rhythmic signals that carry information in specific frequency bands, a neuronal system may profit from tuning its inherent filtering properties towards a peak sensitivity in the respective frequency range. The cricket Gryllus bimaculatus is a simple biological system for which only a narrow range of modulation frequencies is behaviorally relevant. I examined individual neurons in the peripheral and higher auditory system for tuning towards specific temporal parameters and modulation frequencies. To this end, I combined extracellular electrophysiology with different stimulation paradigms involving amplitude-modulated sounds. Analysis of the experimental data revealed that—even in the auditory periphery—some of the examined neurons acted as tuned band-pass filters, yielding highest firing-rates for behaviorally relevant modulation frequencies. Using simple computational models, I demonstrate how common, cell-intrinsic or network-based mechanisms could account for the experimentally observed firing-rate resonances. These mechanisms include subthreshold resonances, spike-triggered adaptation, as well as the interplay of excitation and inhibition. I present how a serial combination of such elementary filters could explain the strong selectivity evident in the cricket’s behavior—without the need for a dedicated filter element. Pervasive neuronal mechanisms could therefore constitute an efficient, distributed frequency filter in a highly specialized, size-constrained neuronal system.

No description available.

No description available.