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Periodizitätsverarbeitung und Schallintensitätscodierung im Colliculus inferior der mongolischen Wüstenrennmaus (Meriones unguiculatus)

Baumhoff, Peter :
Periodizitätsverarbeitung und Schallintensitätscodierung im Colliculus inferior der mongolischen Wüstenrennmaus (Meriones unguiculatus).
tuprints, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Vom Fachbereich Biologie der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des akademischen Grades eines Doctor rerum naturalium genehmigte Dissertation - Text
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Periodizitätsverarbeitung und Schallintensitätscodierung im Colliculus inferior der mongolischen Wüstenrennmaus (Meriones unguiculatus)
Language: German
Abstract:

Schallsignale mit einer periodischen zeitlichen Struktur werden in der Natur häufig zur Kommunikation genutzt. Entsprechend sind bei vielen Tierarten Verarbeitungsmechanismen angelegt, die auf periodische Schallsignale ausgerichtet sind. Bei Wirbeltieren zerlegt das Innenohr den Schall in seine Frequenzbestandteile. Zugleich kann eine synchrone Übertragung von periodischen Schwankungen der Schallintensität (der „Signalumhüllenden“) durch die neuronale Antwort erfolgen. Eine solche synchrone neuronale Aktivität ist die Voraussetzung für die Umwandlung der Periodizitätsinformation in eine räumlich organisierte Ratencodierung. Zu dieser Umwandlung tragen periodizitätsabgestimmte Neurone des Colliculus inferior (IC) im auditorischen Mittelhirn bei. Ziel dieser Arbeit war es, festzustellen, ob es einen Zusammenhang zwischen Schallintensitätscodierung und Periodizitätsverarbeitung gibt. Dazu diente eine Untersuchung dieser Verarbeitungsparameter im auditorischen Mittelhirn der mongolischen Wüstenrennmaus (Meriones unguiculatus). Mit Hilfe von extrazellulären Wachableitungen im IC wurde das neuronale Antwortverhalten untersucht. Bei insgesamt 732 Einheiten wurden charakteristische Frequenzen zwischen 180 Hz und 30 kHz abgeleitet. Anhand des Antwortverhaltens bei Stimulation mit sinusförmig amplitudenmodulierten Signalen konnten 332 Einheiten in Bandpass- (Rate: 33%; Synchronisation: 34%), Tiefpass- (R.: 19%; S.: 52%) oder Allpass-Filter (R.: 13%; S.: 2%), sowie nicht abgestimmte Einheiten (R.: 30%; S.: 10%) oder komplexe Filtertypen (R.: 5%; S.: 2%) unterteilt werden. Bei 150 dieser Einheiten wurde die Änderung der neuronalen Rate mit Erhöhung der Schallintensität untersucht. Die so bestimmten dynamischen Bereiche konnten drei Klassen zugeordnet werden. 49% der Einheiten hatten einen breiten dynamischen Bereich, 43% der Einheiten hatten einen schmalen dynamischen Bereich und 8% zeigten einen Ratenverlauf mit einem Schallintensitätsoptimum. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Einheiten mit breitem Dynamikbereich vorwiegend Bandpass-abgestimmt waren (R.: 84%; S.: 77%), während Einheiten mit schmalem Dynamikbereich vorwiegend Tiefpass-Filter waren (R.: 79%; S.: 63%). Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass auf Ebene des Mittelhirns bei Säugern sowohl eine spektrale als auch eine temporale Verarbeitung der Signalumhüllenden stattfindet. Die Verarbeitungswege sind dabei offenbar getrennt. Im IC wird die Periodizitätsinformation jeweils aus ihnen rekonstruiert. Aus den Befunden ergibt sich eine mögliche Erklärung dafür, dass bei Menschen entweder die Grundfrequenz (temporale Information) oder die Obertöne (spektrale Information) eines periodischen Klanges zur Beurteilung der Tonhöhe herangezogen werden können.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In nature sound with a periodic temporal structure is often used for communication. Thus many animals have specialized processing mechanisms for periodic sounds. In vertebrates the inner ear analyzes the frequency components of complex acoustic signals. At the same time, periodic fluctuations of the sound-intensity (i.e. the signal-envelope) is coded by synchronized neural response patterns. Such synchronous responses are the prerequisite for the conversion of periodicity-information into a spatially organized rate-code. Periodicity-tuned neurons of the Inferior colliculus (IC) of the auditory midbrain contribute to this conversion. Goal of this study was the identification of a possible connection between sound-intensity-coding and periodicity-processing. Therefore these processing parameters were investigated in the auditory midbrain of the awake mongolian gerbil (Meriones unguiculatus). The neuronal response patterns were examined by extracellular recordings in the IC. Characteristic frequencies between 180 Hz and 30 kHz were recorded from 732 units. Based on their response characteristics to sinusoidal amplitude-modulated signals 332 units were classified into band-pass- (rate: 33%; synchronization: 34%), low-pass- (r.: 19%; s.: 52%) or all-pass-filters (r.:13%; s.:2%). Furthermore non responding units (r.:30%; s.:10%) and units with complex filter characteristics (r.:5%; s.:2%) were identified. For 150 of these units the change in neuronal response rate caused by an increase of sound-intensity was studied. The thus measured dynamic ranges were divided into three classes. 49% of the units had a wide dynamic range, 43% has a narrow dynamic range and 8% had a dynamic range with sound-intensity-optimum. This study shows that units with wide dynamic range are dominantly band-pass tunes (r.: 84%; s.: 77%), while units with narrow dynamic range are mostly low-pass-filters (r.: 79%; s.: 63%). The results of this study are evidence for both spectral and temporal processing of the signal-envelope on level of the auditory midbrain. These processing pathways seem to be separate. In the IC periodicity-Information is reconstructed from each of those pathways. The findings of this work might give a possible explanation why humans either use the fundamental frequency (temporal information) or higher harmonics (spectral information) to judge the pitch of a complex tone. English
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: tuprints
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
Divisions: 10 Department of Biology
10 Department of Biology > Systems Neurophysiology
Date Deposited: 15 Dec 2014 12:07
Last Modified: 15 Dec 2014 12:07
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-42586
Referees: Langner, Prof. Dr. Gerald and Galuske, Prof. Dr, Ralf A. W.
Refereed: 27 November 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4258
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