Как повреждение миндалевидного тела влияет на реакцию мозга на неожиданные звуки: исследование

Введение в проблему обнаружения неожиданных звуков

Неожиданные и отклоняющиеся звуки в естественной среде могут быть предвестниками неминуемой угрозы и требуют специализированной системы для быстрого обнаружения, что критически важно для выживания across species. Мозг млекопитающих реализует такую систему иерархическим образом вдоль слухового пути, то есть от brainstem, subcortex и primary auditory cortex до higher-order cortical brain regions. Через широкие норадренергические проекции, locus coeruleus (LC, голубое пятно) может модулировать паттерны ответа корковых сенсорных регионов на salient stimuli, в то время как amygdala (миндалевидное тело), как считается, участвует в их обнаружении.

Роль голубого пятна и миндалевидного тела

Голубое пятно (Locus Coeruleus, LC) — это двустороннее, преимущественно норадренергическое (NA) ядро, расположенное в pons, дорсолатерально от четвертого желудочка, и формирующее основной хаб для координации внимательных и связанных с задачами когнитивных процессов. Записи дилатации зрачка предоставляют легко доступный путь для косвенного отслеживания активности ядра across species. Хемогенная активация системы LC-NA, например, была продемонстрирована для увеличения brainwide коммуникации у грызунов, в частности, в salience и amygdala сетях, сопровождаемая дилатацией зрачка и тревожноподобным поведением.

Взаимодействие LC-NA с обработкой звука

Взаимодействие системы LC-NA со слуховой обработкой представляет собой сложную и многогранную картину, так как NA была связана как с подавлением нейронной активности в слуховых корках, так и с усиленным восприятием звуков, включая синхронизированные нейропластические эффекты как в LC, так и в primary auditory cortex.

Функция миндалевидного тела

Параллельно роли системы LC-NA в координации внимания, миндалевидное тело (amygdala), высоко взаимосввязанная subcortical структура, может модулировать восприятие и внимание путем интеграции информации от salient или релевантных стимулов. Соответственно, клинические исследования поражений у людей предположили ослабленную обработку негативно возбуждающих стимулов, таких как аверсивные слова, и сердитых лиц. Более того, миндалевидное тело было вовлечено в обработку неэмоциональных новых и удивительных сенсорных входов.

Методология исследования

Для исследования того, как и влияет ли миндалевидное тело на вывод LC во время обнаружения targets oddball, мы записали данные реакции зрачка у женщины-испытуемой с обширными поражениями bilateral amygdala, вызванными кальцификациями due to a very rare genetic disorder (синдром Урбаха-Вите), и у 23 женщин здорового контроля, подобранных по возрасту, в то время как они выполняли auditory oddball task.

Парадигма oddball

Эта парадигма, часто используемая для вызывания mismatch negativity и P300 потенциалов в EEG, противопоставляет редкие акустические события (то есть, oddballs) с common (повторяющимися) звуками, таким образом предоставляя средства для исследования механизмов обнаружения аномальных звуков. И LC, и amygdala responsive к oddball over standard sounds у нечеловекообразных приматов.

Оценка вывода LC

Мы оценили вывод LC с ранее установленной формальной и количественной forward model для дилатации зрачка, которая описывает реакции зрачка как вывод linear time-invariant системы, которая свертывает нейронный вход с pupillary response function. Мы оценили индивидуальную pupillary response function каждого участника из реакций на определенный illuminance вход. Мы использовали эту функцию вместе с time-series реакций зрачка на oddball звуки, чтобы смоделировать вывод LC в ответ на эти oddballs.

Участники исследования

Главным участником этого исследования была говорящая на немецком языке 43-летняя женщина с bihemispheric и selective amygdala lesions как часть врожденного синдрома Урбаха-Вите, прослеживаемого до de novo homozygous missense mutation в exon 7 гена extracellular matrix protein 1.

Неврологический статус пациентки BG

Обширное повреждение тканей, вызванное симметричными кальцификациями почти по всей entirety amygdalae участницы, было ранее отображено с помощью computer tomography и оценено экспертом-нейроанатомом. Конкретно, было сообщено о «полном разрушении basolateral amygdala и minor sparing of anterior amygdaloid и ventral cortical amygdaloid parts на ростральном уровне, а также lateral и medial parts of the central amygdaloid nucleus и amygdalohippocampal area на более каудальных уровнях». Важно, что не было повреждения hippocampus.

Нейропсихологический профиль

В возрасте 12 лет BG перенесла эпилептический grand-mal приступ, но с тех пор не имела дальнейшей истории эпилепсии. BG имеет средний интеллект и в основном сохранные performance в нейропсихологическом test battery. Это включало нормальную immediate и delayed memory функцию, learning efficiency, attention skills, cognitive flexibility и verbal, а также performance IQ. Психопатологические симптомы, такие как тревога или депрессия, отсутствовали across assessments.

Экспериментальные установки

Мы использовали previously established continuous illuminance task. Задача состояла из пяти сессий с 24 trials в каждой сессии. Каждая сессия начиналась с 45-секундного периода отдыха, в котором показывался средний серый экран. В каждом trial круг появлялся в центре экрана на среднем сером фоне на 5 с, затем исчезал и следовал за 5 с фона снова.

Auditory oddball task

Синусоидальные тона (440 и 660 Гц) служили standard и oddball тонами соответственно. Звуки доставлялись через открытые, circumaural наушники. Участникам было instructed фиксировать красный крест на среднем сером фоне в течение всего задания и нажимать клавишу, когда они слышат oddball тон.

Анализ данных и моделирование

Данные были проанализированы с использованием descriptive quantitative measures, адаптированных к single-case experimental design. Specifically, мы сосредоточились на установлении вероятности того, что BG была outlier в нашей выборке.

Индивидуальная функция реакции дилатации зрачка

Индивидуальные функции реакции для дилатации зрачка (IRFs) были derived из continuous illuminance task. В соответствии с предыдущей работой, мы предположили, что нейромышечная transmission и biomechanics реакции зрачка могут быть parsimoniously описаны как комбинация двух linear time-invariant (LTI) систем.

Моделирование активности LC

Опираясь на наш предыдущий подход, мы оценили активность LC, лежащую в основе pupillary dilation в auditory oddball парадигме. Чтобы вывести continuous pupil dilation response к oddball звукам, мы усреднили для каждого участника реакцию зрачка после oddball звуков и вычли усредненную реакцию после standard звуков.

Ключевые результаты исследования

Два ключевых результата emerged: Во-первых, estimated phasic LC response к oddballs был compacted к impulse-shaped форме у пациентки с bilateral amygdala lesions, в то время как extended over time у всех других участников. Во-вторых, BG exhibited увеличенную predilatory pupillary constriction в ответ на rapid decrease in continuous illuminance по сравнению со здоровым контролем.

Статистическая значимость

Мы смогли показать, что impulse-shaped форма estimated neural response к auditory oddballs была clear и secluded outlier в нашей выборке, quantified ее kurtosis, которая proved significantly different from controls в Bayesian test. Это также held true для mean of the estimated neural input, который был расположен markedly earlier во времени для BG, чем для здоровых участников.

Обсуждение результатов

Многочисленные исследования изучали отдельные роли LC и amygdala в auditory surprise и novelty processing, yet research на их взаимодействие, particularly у людей, remains sparse. Здесь мы использовали pupil dilation, на который напрямую влияет вывод LC, для измерения реакций на auditory oddball targets как у здорового контроля, так и у женщины-испытуемой (BG) с нефункционирующими amygdalae due to синдрома Урбаха-Вите.

Объяснение сокращенного нейронного ответа

Phasic activity в LC часто состоит из short bursts нескольких потенциалов действия, сменяемых continuous period of suppressed neural activity. Одно потенциальное объяснение для abbreviated neural response, увиденного в настоящем исследовании, заключается в том, что reciprocal connections между LC и amygdala требуются для sustain LC activity, например, путем спасения нейронной активности от быстрой autoinhibition после ее initial ignition обнаружением oddball.

Поведенческие аспекты

На behavioral уровне, BG была все еще способна обнаруживать oddballs с similarly high rate к другим участникам. В то время как это strongly suggests, что amygdala (и putatively sustained LC activity) не является sine qua non для oddball appraisal, targets в нашей задаче были легко distinguished от standard tones по design, что может не hold true для менее distinctive situational features.

Ограничения исследования

Очевидным ограничением текущей статьи является reliance на единственного участника с синдромом Урбаха-Вите. Тем не менее, тот факт, что BG extensively изучалась в предыдущих исследованиях нашей и других групп, и что она exhibits near total bilateral amygdala destruction с no involvement смежных структур мозга, является substantial advantage.

Влияние других brain areas

Мы note, однако, что, в то время как измерения зрачка correlated с активностью LC у людей, мы не можем исключить causal influence других областей мозга (в combination с amygdala) на altered pupil reactivity. Inferior и superior colliculi, а также cingulate cortex могут влиять на LC через прямые connections и также relate к дилатации зрачка.

Заключение и выводы

В summary, phasic LC response к auditory oddball targets, оцененный из записей дилатации зрачка, оказался shortened у женщины-испытуемой с нефункционирующими amygdalae по сравнению со здоровым контролем, в то время как behavioral detection этих targets remained intact. Наша статья suggests, что communication с amygdala modulates и sustains LC activity over time и во время обнаружения anomalous acoustic events.