Dissertations / Theses on the topic 'Auditorisches System'

In binocular rivalry, paradigms have been proposed for unobtrusive moment-by-moment readout of observers' perceptual experience (“no-report paradigms”). Here, we take a first step to extend this concept to auditory multistability. Observers continuously reported which of two concurrent tone sequences they perceived in the foreground: high-pitch (1008 Hz) or low-pitch (400 Hz) tones. Interstimulus intervals were either fixed per sequence (Experiments 1 and 2) or random with tones alternating (Experiment 3). A horizontally drifting grating was presented to each eye; to induce binocular rivalry, gratings had distinct colors and motion directions. To associate each grating with one tone sequence, a pattern on the grating jumped vertically whenever the respective tone occurred. We found that the direction of the optokinetic nystagmus (OKN)—induced by the visually dominant grating—could be used to decode the tone (high/low) that was perceived in the foreground well above chance. This OKN-based readout improved after observers had gained experience with the auditory task (Experiments 1 and 2) and for simpler auditory tasks (Experiment 3). We found no evidence that the visual stimulus affected auditory multistability. Although decoding performance is still far from perfect, our paradigm may eventually provide a continuous estimate of the currently dominant percept in auditory multistability.

In this thesis I attempt to explain mechanisms of neuronal coding in the auditory system as a form of adaptation to statistics of natural stereo sounds. To this end I analyse recordings of real-world auditory environments and construct novel statistical models of these data. I further compare regularities present in natural stimuli with known, experimentally observed neuronal mechanisms of spatial hearing. In a more general perspective, I use binaural auditory system as a starting point to consider the notion of function implemented by sensory neurons. In particular I argue for two, closely-related tenets: 1. The function of sensory neurons can not be fully elucidated without understanding statistics of natural stimuli they process. 2. Function of sensory representations is determined by redundancies present in the natural sensory environment. I present the evidence in support of the first tenet by describing and analysing marginal statistics of natural binaural sound. I compare observed, empirical distributions with knowledge from reductionist experiments. Such comparison allows to argue that the complexity of the spatial hearing task in the natural environment is much higher than analytic, physics-based predictions. I discuss the possibility that early brain stem circuits such as LSO and MSO do not \"compute sound localization\" as is often being claimed in the experimental literature. I propose that instead they perform a signal transformation, which constitutes the first step of a complex inference process. To support the second tenet I develop a hierarchical statistical model, which learns a joint sparse representation of amplitude and phase information from natural stereo sounds. I demonstrate that learned higher order features reproduce properties of auditory cortical neurons, when probed with spatial sounds. Reproduced aspects were hypothesized to be a manifestation of a fine-tuned computation specific to the sound-localization task. Here it is demonstrated that they rather reflect redundancies present in the natural stimulus. Taken together, results presented in this thesis suggest that efficient coding is a strategy useful for discovering structures (redundancies) in the input data. Their meaning has to be determined by the organism via environmental feedback.

Die Intensität verhaltensrelevanter Signale variiert oft über viele Größenordnungen. Gleichzeitig müssen sensorische Systeme in der Lage sein, über den gesamten relevanten Bereich feine Intensitätsunterschiede aufzulösen. Auf neuronaler Ebene ergibt sich bei Nutzung eines Feuerratencodes aus diesen Anforderungen ein grundsätzlicher Konflikt, da neuronale Antwortbereiche beschränkt sind. Eine Lösung, die in vielen Sinnessystemen beschrieben wurde, ist die Verschiebung von Intensität-Kennlinien, so dass der gesamte Antwortbereich des Neurons zur Verfügung steht, um schnelle Abweichungen vom Mittelwert zu kodieren. Diese Arbeit versucht anhand mathematischer Modelle zu beantworten, wie die Verschiebung von Kennlinien in einem neuronalen Netzwerk entstehen könnte. Ausgangspunkt ist eine Rezeptorpopulation mit Intensitätsbereichsaufteilung und einem begrenzten Verschiebungsbereich der Kennlinien von Einzelrezeptoren, die auf ein Output-Neuron konvergieren. Diese Organisation wurde vom auditorischen System der Grille inspiriert. Modelle, die auf einer Kombination aus einer sättigenden Nichtlinearität und Spike-Frequenz-Adaptation basieren, reproduzieren die Verschiebung der Kennlinien entlang der Intensitäts-Achse. Diese Modelle sind in der Intensitätsdiskriminierung dem Rezeptormodell und der Summe von Rezeptorantworten über große Intensitätsbereiche deutlich überlegen. Die Kennlinien dieser Modelle besitzen zudem weitere Eigenschaften, die in ihrer Kombination übereinstimmend in verschiedenen sensorischen Systemen beschrieben wurden: Insbesondere erklären sie eine zusätzliche scheinbare Verschiebung entlang der Antwortachse, unterschiedliche Steigungen der verschobenen Kennlinien, sowie Steigungsänderungen innerhalb einzelner Kennlinien. Die einfachen, abstrakt formulierten Modelle ermöglichen ein tieferes Verständnis adaptiver Mechanismen über das Modellsystem Grille hinaus.
Intensities of behaviourally relevant signals often vary over many orders of magnitude. At the same time, sensory systems need to ensure high sensitivity to minute intensity differences across the full intensity range. These demands conflict on the neuronal level due to the boundedness of neuronal response ranges. To solve this dilemma, intensity response curves in many sensory system were found to shift towards the actual mean intensity so that the full response range can be used to encode fast fluctuations around the slowly varying mean. Using mathematical models, this study approaches the question how shifts of intensity response curves might arise in small neural networks. The starting point is a population of receptors with stacked response thresholds and limited capacity of adaptive shift that converge onto one output neuron. This organization was inspired by the auditory system of the cricket. A combination of a static saturating non-linearity and spike-frequency adaptation reproduced the desired shift of response curves along the intensity axis. With respect to intensity discrimination, these models are superior to the receptor model and the sum of receptor responses over a wide range of absolute intensities. The response curves generated by these model also displayed details of response curve behaviour consistently observed in numerous experimental studies. In particular, they explain an apparent shift along the response axis, different slopes of the shifted response curves, and changes in the slope within individual response curves. The simple, abstract models allow for a deeper understanding of adaptive mechanisms beyond the auditory system of the cricket.

Eine wesentliche Aufgabe auditorischer Systeme besteht in der Erkennung und Klassifikation verhaltensrelevanter Signale. Die akustischen Kommunikationssignale vieler Feldheuschrecken zeichnen sich durch artspezifische Modulationen der Signalamplitude aus, die im Kontext der Partnerwahl zur Erkennung der eigenen Art genutzt werden. Die Kommunikation ist jedoch auch als Basis für sexuelle Selektion von Interesse - einer Abschätzung der Qualität des Senders anhand der akustischen Signale, welche eine Bewertung subtiler Variationen der artspezifischen Musters erfordert. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin zu untersuchen, wie amplitudenmodulierte akustische Signale in den Antworten identifizierter auditorischer Interneurone der zweiten und dritten Verarbeitungsstufe repräsentiert werden, insbesondere, wie gut sie anhand dieser Antworten unterscheidbar sind. Dazu wurden (i) sinusförmig amplitudenmodulierte Stimuli genutzt und die Parameter Modulationsfrequenz und Modulationstiefe systematisch variiert, (ii) individuelle Gesänge der gleichen Art, und (iii) im Grundmuster zeitlich reskalierte Gesänge. Lokale Interneurone zeichneten sich aus durch: ein oft sehr hohes zeitliches Auflösungsvermögen, hohe Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Signalamplitude, sowie gute Unterscheidbarkeit der sinusförmig amplitudenmodulierten Signale und der Gesänge auf der Basis von Spikeantworten. Bei den aufsteigenden Interneuronen nahm die Fähigkeit zur zeitlichen Ankopplung der Spikes an die Amplitudenmodulationen der Stimuli ab, was sich auch in deren reduzierter Unterscheidbarkeit äußerte. Ursächlich hierfür war einerseits die Zunahme der Antwortvariabilität (Jitter der Spikezeitpunkte), aber auch verstärkt auftretende Filtereigenschaften. Auf dieser dritten Verarbeitungsebene kommt es zu einer stärkeren Spezialisierung auf bestimmte zeitliche Aspekte des Stimulus, die als Grundlage einer verhaltensrelevanten Klassifikation von akustischen Signalen interpretiert werden kann.
A central task of auditory systems is the recognition and classification of behaviorally relevant signals. The communication signals of many grasshoppers can be characterized by a species-specific pattern of amplitude modulation, which is mainly used for species recognition in the context of mate finding. Additionally, the communication is also of interest with respect to sexual selection - an evaluation of the signaler''s quality from the signal pattern, which requires the quantification of subtle variations of the common species-specific pattern.The goal of this study was to investigate how amplitude modulated acoustic signals are represented in the responses of identified 2nd and 3rd order auditory interneurons, particularly, how well they can be discriminated on the basis of the responses. For this (i) sinusoidal amplitude modulated stimuli were used and the parameters modulation frequency and modulation depth were systematically varied, (ii) individual songs of the same species and (iii) songs with temporal rescaled basic pattern were presented. Local interneurons can be characterized by: mostly high temporal resolution capacities, high sensitivity to fluctuations of the signal amplitude as well as a good distinguishability of sinusoidal amplitude modulated stimuli and songs on the basis of the spike trains. In ascending interneurons the synchronization to the amplitude modulations decreased, which also appeared in a reduced discrimination performance. This is caused by an increase of response variability (jitter of spike timing) but also by distinctive filter properties of the respective neurons. Neurons on this third processing level exhibit a greater specialization to particular temporal aspects of the stimulus. This can be interpret as a basis of a behaviorally relevant classification of acoustic signals.

Diese Doktorarbeit besteht aus zwei Teilen. In dem ersten Teil der Doktorarbeit behandele ich die Kodierung von Kommunikationssignalen in einem burstenden Interneuron im auditorischen System des Grashuepfers Chorthippus biguttulus. Mit der Anzahl der Aktionspotentialen im Burst wird eine zeitliche Komponente der Kommunikationssignale - die Pausendauer - wiedergegeben. Ein Modell basierend auf schneller Exzitation und langsamer Inhibition kann diese spezielle Kodierung erklaeren. Ich zeige, dass eine zeitliche Integration der Aktionspotentiale dieses burstenden Interneurons dazu genutzt werden kann, die Signale zeitskaleninvariant zu dekodieren. Dieser Mechanismus kann in ein umfassenderes Modell eingebaut werden, dass die Verhaltensantwort des Grashuepfers auf Kommunikationssignale widerspiegelt. Im zweiten Teil der Doktorarbeit benutze ich Konzepte aus der Informationstheorie und der Theorie linearer dynamisches Systeme, um den Begriff der ''vorhersagenden Information'' zu operationalisieren. Im einfachen Fall der informations-theoretisch optimalen Vorhersage des naechsten Zeitschrittes, erhalte ich Eigenvektoren, die denjenigen eines anderen etablierten Algorithmuses, der sogenannten ''Slow Feature Analysis'', entsprechen. Im allgemeinen Fall optimiere ich die vorhersagenden Information, die die Vergangenheit des Inputs eines dynamischen Systems ueber die Zukunft des Outputs enthaelt. Dabei gelange ich zu einer informations-theoretisch optimalen Charakterisierung eines reduzierten Systems, die auf den Eigenvektoren der konditionalen Kovarianzmatrix zwischen Inputvergangenheit und Outputzukunft basiert.
This thesis consists of two parts. In the first part, I investigate the coding of communication signal in a bursting interneuron in the auditory system of the grasshopper Chorthippus biguttulus. The intra-burst spike count codes one temporal feature of the communication signal - pause duration. I show that this code can be understood by a model of parallel fast excitation and slow inhibition. Furthermore, temporal integration of the spike train of this bursting interneuron results in a desirable time-scale invariant read-out of the communication signal. This mechanism can be integrated into a more comprehensive model that can explain behavioural response of grasshoppers. In the second part of this thesis, I combine concepts from information theory and linear system theory to operationalize the notion of ''predictive information''. In the simple case of predicting the next time-step of a signal in an information-theoretic optimal sense, I obtain a description by eigenvectors that are identical to another established algorith, the so-called ''Slow Feature Analysis''. In the general case I optimize a dynamical system such that the predictive information in the input past about the output future is optimalle compressed into the state space. Thereby, I obtain an information-theoretically optimal characterization of reduced system, based on the eigenvectors of the conditional covariance matrix between input past and output future.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Auswirkungen von externen Störquellen und intrinsischer Variabilität auf die Verarbeitung und Erkennung von akustischen Signalen am Modellsystem der Feldheuschrecke Chorthippus biguttulus zu untersuchen. Damit sowohl die Gesangserkennung am sich verhaltenden Tier als auch die dieser Erkennung zugrunde liegende neuronale Verarbeitung untersucht werden konnte, wurde ein Weibchengesang verwendet, dessen zeitliches Muster durch zufällige Amplitudenmodulationen gestört wurde. Durch die Degradation mit verschiedenen Frequenzbändern konnte überprüft werden, ob bestimmte Modulationsfrequenzen die Signalerkennung stärker beeinflussen als andere. Mit zunehmender Störung der Gesangsstruktur kam es in den Verhaltenstests an Männchen zu einer Abnahme der Erkennungsleistung. Die Stärke der tolerierten Degradation war dabei in der Regel nicht unterschiedlich für die getesteten Degradationsbänder. Die Unterschiede in den neuronalen Antworten, welche entweder durch die artifizielle extrinsische Degradation oder durch interne Fehler in der auditorischen Verarbeitung verursacht wurden, konnten durch eine Spiketrain-Metrik quantifiziert werden. Diese Analyse zeigte, dass die Auswirkung der extrinsischen Signaldegradation von den Rezeptoren über die lokalen Interneurone zu den aufsteigenden Interneuronen abnahm, während es zu einem signifikanten Anstieg der intrinsischen Variabilität kam. Die Stärke der Degradation war dabei erneut nicht unterschiedlich für die getesteten Degradationsbänder. Durch die Bestimmung von neurometrischen Schwellen konnten die Grenzen der Signalerkennung der Männchen mit der Rauschtoleranz der einzelnen auditorischen Neurone verglichen werden. Die kritischen Degradationsstufen, die so ermittelt werden konnten, stimmten teilweise erstaunlich gut überein. Somit sind die Grenzen der Signalerkennung durch die Analyse der Antwortkapazitäten der ersten drei Verarbeitungsstufen relativ gut erklärbar.
The aim of this study was to investigate the effects of extrinsic and intrinsic noise sources on signal recognition and processing within the acoustic communication system of the grasshopper Chorthippus biguttulus. To test both - signal recognition of behaving animals and the underlying auditory processing mechanisms - a female song was used, whose temporal pattern was disturbed by random amplitude modulations. Due to the degradation with various modulation bands, it was possible to test if distinct modulation frequencies have more pronounced effects on signal recognition than others. Behavioural tests on males of Chorthippus biguttulus showed that progressive degradation of the song pattern induced a decrease in recognition performance. The strength of degradation tolerated generally was the same for different modulation bands. The differences between neuronal responses, which were either caused by the artificial extrinsic degradation or internal errors during auditory processing, could be quantified by a spiketrain metric. This analysis showed that the effect of extrinsic signal degradation was much more severe for receptors and local interneurons than for ascending interneurons, whereas there was a significant increase of intrinsic variability with higher levels of processing. The strength of the degradation was again not different for different modulation bands. Signal recognition could be compared with the noise tolerance of individual auditory neurons by determining neurometric thresholds. The average critical degradation levels, to some extend, matched the critical degradation level for behaviour. Thus, by means of analysing the response capacities of neurons from the first three levels of auditory processing, the limits of signal detection are relatively well explained.

Das Ziel von computational neuroscience ist, neuronale Transformationen zu beschreiben und deren Mechanismen und Funktionen zu beleuchten. Diese Doktorarbeit kombiniert Experiment, Datenanalyse und Modelle um neuronale Kodierung anhand des auditorischen Systems von Feldheuschrecke und Grille zu erforschen. Der erste Teil befasst sich mit der neuronalen Repräsentation von Balzsignalen in Feldheuschrecken. In Rezeptoren ist die Kodierung dieser Signale homogen - alle Neuronen bilden den Reiz gleich ab. In nachgeschalteten Zellen wird die Kodierung spärlicher, sowohl auf Ebene der Zeit als auch der Zellpopulation. Es entsteht ein labeled line code, bei dem unterschiedliche Nervenzellen unterschiedliche Merkmale des Stimulus abbilden. Dieser Transformation liegt eine nichtlineare Kombination von mehreren Stimulusmerkmalen zu Grunde. Die erhöhte Spezifizität von Neuronen dritter Ordnung ermöglicht eine einfache Art der Musterklassifikation, bei der die Zeitpunkte bestimmter Reizelemente innerhalb des Signals ignoriert werden können. Die beschriebene Reiztransformation repräsentiert einen Mechanismus für die Erkennung zeitlich redundanter Kommunikationssignale, wie sie von vielen Insekten produziert werden. Im zweiten Teil wird gezeigt, dass die spektrale und zeitliche Abstimmung von Neuronen zweiter Ordnung bei Grillen von der Komplexität des Reizes abhängt. Während die Abstimmung für Reize mit nur einer Trägerfrequenz breit ist, führen Reize mit mehreren Trägerfrequenzen zu einer Schärfung. Hierdurch kann Information über einzelne Komponenten eines komplexen Signals in der Kodierung erhalten werden. Ein statisches Netzwerkmodell zeigt, dass diese adaptive Abstimmung mit Mechanismen erzeugt werden kann, die in Nervensystemen vieler Organismen vorkommen. Wie diese Doktorabeit zeigt, vereinen Insekten einfach aufgebaute und gut zugängliche Nervensysteme mit komplexen Reiztransformationen. Dies macht sie zu produktiven Modellorganismen für die Neurowissenschaften.
The goal of computational neuroscience is to describe the stimulus transformations performed by neural systems and to elucidate their mechanisms and functions. This thesis combines experiment, data analysis and theoretical modeling to explore neural coding in the small auditory systems of grasshoppers and crickets. The first part deals with the transformation of the neural representation of courtship signals in grasshoppers. The code in auditory receptors is relatively homogeneous. That is, all neurons represent a very similar stimulus feature. Representation in higher-order neurons leads to an increase of temporal and population sparseness. This creates a labeled-line population code where different neurons represent different and specific stimulus features. Sparseness in the system increases through a nonlinear combination of two stimulus features. This transformation enables a simple mode of pattern classification, which ignores the timing of individual features and relies only on their average values during a signal. The transformation can therefore facilitate the recognition of the long, temporally redundant communication signals produced by grasshoppers and other insects. The second part shows that spectral and temporal tuning of second-order neurons in crickets strongly depends on the complexity of the stimulus. While tuning is relatively broad for single-carrier stimuli, signals containing multiple carrier frequencies lead to a sharpening of the tuning. This sharpening preserves information about individual components of a complex stimulus. A network model revealed that such adaptive tuning can be implemented in a static network with mechanisms that are ubiquitous in many neural systems. In summary, this study shows that the nervous systems of insects combine a relatively simple structure with complex stimulus transformations. This renders them empirically accessible and suitable model systems for computational neuroscience.

Neuronale Adaptation dient dazu, eine Sinnesbahn kurzfristig an die aktuelle Umgebung des Tieres anzupassen. Ihr zeitlicher Verlauf lässt sich in der Antwort einzelner Nervenzellen direkt beobachten. Der Adaptation unterliegen eine Vielzahl verschiedener Mechanismen, die über die gesamte Sinnesbahn verteilt sein können. In der vorliegenden Arbeit wurde der Versuch unternommen, diese unterschiedlichen Betrachtungsebenen zusammenzuführen. Dazu wurden mehrere experimentelle und theoretische Studien durchgeführt. In zwei der vorgestellten Studien wurden Kombinationen aus Strominjektionen und akustischen Reizen verwendet, um intrinsische Adaptation von Netzwerkeffekten zu trennen. Dabei ergab sich in einer experimentellen Studie am auditorischen System der Heuschrecke, dass die Adaptationsmechanismen, die in verschiedenen Teilen der Hörbahn rekrutiert werden, sehr stark von Identität und Funktion der jeweils untersuchten Nervenzelle abhängen. Ähnliche Methoden ermöglichten es, im auditorischen System der Grille präsynaptische Hemmung als Substrat für die wichtige mathematische Operation der Division zu identifizieren. Zusätzlich wurden Modellierungen durchgeführt, bei denen die Frage bearbeitet wurde, wo Adaptation in der Hörbahn wirken sollte, bezogen auf zwei verschieden Aufgaben: die Lokalisation eines Signals und die neuronale Abbildung dessen zeitlicher Struktur. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass die Anforderungen für diese beiden Aufgaben sehr unterschiedliche sind. In einer vierten Studie wurde untersucht, ob die Adaptation in einem auditorischen Interneuron der Grille dazu dient, die gesamte sensorische Umgebung gut abzubilden, oder ob durch die Adaptation eine Abtrennung des jeweils lautesten Signals erreicht werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl die Adaptationsmechanismen, als auch deren genaue Platzierung innerhalb der sensorischen Bahn wesentlich für Sinnesleistungen sind.
Neural adaptation serves to adjust the sensory pathway to the current environment of an animal. While the effect and time course of adaptation can be observed directly within single cells, its underlying cause is a combination of many different mechanisms spread out along the sensory pathway. The present work has the objective to unite these different levels of understanding of the term adaptation. In order to do so, several experimental and theoretical studies were carried out. In two of these studies, a combination of current injection and auditory stimulation was used, in order to disentangle intrinsic adaptation from network effects. In one of the studies, carried out in the auditory system of locusts, it was revealed that the mechanisms behind adaptation that are activated within different parts of the auditory system depend critically on identity and function of the cell under study. Similar methods enabled the identification of presynaptic inhibition as a possible mechanisms behind the important mathematical operation of division in the auditory system of crickets. Additionally, a modeling study pursued the question, where adaption should work in the auditory system from the perspective of two different tasks of sensory processing: identification of a signal and localization of its source. The results obtained from the model suggest conflicting demands for these two tasks and also present a solution of this conflict. In a fourth study, it was asked wether adaptation in the auditory system of crickets serves to guarantee optimal representation of the entire sensory environment or if it helps to separate one most important signal from the background. In summary, not only which mechanisms of adaptation are at work is of crucial importance for sensory processing, but also the exact placement of these along the pathway.

In der vorliegenden Arbeit sind physiologische und anatomische Auswirkungen einer Lärmexposition auf subcortikale Strukturen des zentralen auditorischen Systems zu unterschiedlichen Zeitpunkten posttraumatisch untersucht worden. Dabei sollte zwischen akuten (TTS-Gruppe) und langfristigen Effekten (PTS-Gruppe) unterschieden werden. Normalhörende Mäuse wurden für 3 Stunden mit einem Bandrauschen (5-20 kHz) bei 115 dB SPL beschallt und mittels Hirnstammaudiometrie der Hörverlust bestimmt. In der TTS- und der PTS-Gruppe lag im Vergleich zur Kontrolle eine signifikante Hörschwellenverschiebung mit einem höheren Hörverlust in der TTS-Gruppe vor. Zur Untersuchung zentraler Veränderungen wurden neuronale Spontanaktivitäten mittels Einzelzellableitungen im Hirnschnitt ermittelt. Weiterhin sind histologisch die Zelldichten in den Versuchsgruppen bestimmt worden. Außerdem wurde ein manganverstärktes MRT durchgeführt, um die calciumabhängige Aktivität darzustellen. Die untersuchten auditorischen Strukturen waren der Nucleus cochlearis (CN), der inferiore Colliculus (IC) und der mediale Kniehöckers (MGB). Die Ergebnisse zeigen, dass es einen Unterschied in den akuten und langfristigen Auswirkungen einer Lärmexposition gibt. In der TTS-Gruppe sind ausschließlich die Kerngebiete des CN im Hirnstamm betroffen, was auf direkte Einwirkungen der Lärmexposition hindeutet und akute toxische Exzitation im Gewebe auslösen kann. In der PTS-Gruppe treten physiologische und anatomische Veränderung in höheren Strukturen der Hörbahn auf. Dabei kann es sich sowohl um späte direkte Lärmauswirkungen als auch um plastische Veränderungen handeln, die durch die lärminduzierte Deprivation ausgelöst wurden. Einerseits kommt es zu einem dramatischen Zellverlust in den untersuchten Gebieten. Zum anderen steigt die calciumabhängige Aktivität in einigen Strukturen stark an. Dies kann sowohl durch veränderte neuronale Aktivitätsmuster, aber auch durch plastische und neurodegenerative Prozesse bedingt sein.
In the present study, noise-induced physiological and anatomical changes in subcortical structures of the central auditory system were investigated at different posttraumatic stages. Thus, it should be distinguished between acute (TTS group) and long-term (PTS group) effects of noise damage. Normal hearing mice were exposed to a band noise (5-20 kHz) for 3 hours at 115 dB SPL. Auditory brainstem responses were measured to determine the produced hearing loss. A significant threshold shift was detectable in the TTS as well as in the PTS group. This effect was greater in TTS animals. To investigate central changes, neuronal spontaneous activities were recorded from single units in brain slices. Further, cell densities were determined by histological techniques. In addition, calcium dependent activity was measured using manganese enhanced MRI. Investigations were carried out in central auditory structures of the cochlear nucleus (CN), the inferior colliculus (IC) and the medial geniculate body (MGB). The results demonstrate a difference in acute and long-term effects of noise exposure. In the TTS group, only the CN in the brainstem was affected, indicating a direct noise impact leading to acute excitotoxicity. In the PTS group, physiological and anatomical changes could also be observed in higher structures of the auditory pathway. The effects can be related to long-lasting noise damage as well as neural plasticity caused by deprivation of auditory input. The results show a dramatic cell loss within the investigated structures. Further, there is an increase in calcium dependent activity in several auditory brain regions which can be caused by changes in neuronal activity patterns, neuroplasticity and neurodegenerative processes.

Das Neuron ist das zentrale Element in der Informationsverarbeitung im Nervensystem. In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte der Spikegenerierung sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Phasen-Rotatoren verschiedener Komplexität werden zur Vorhersage von Spikezeitpunkten vorgestellt. Die Kennlinie eines Neurons wird dabei als wichtiger Parameter für diese Modelle verwendet, damit diese leicht auf echte Neurone anwendbar sind. Die Phasenantwortkurve als ein zweiter wichtiger Aspekt der Spikedynamik wird zur Erweiterung der Modelle verwendet. Solange ein Neuron in seinem überschwelligen Bereich gereizt wird, erweisen sich die Phasenrotatoren als gute Beschreibung des Spikeverhaltens. Es wird jedoch gezeigt, daß bei einer Stimulierung mit Strömen, die um die Schwelle des Neurons herum fluktuieren, diese Modelle, genauso wie alle anderen eindimensionalen Modelle einschließlich des Intergrate-and-fire Neurons, versagen. Feuerraten Adaptation kann in vielen Neuronen beobachtet werden. Es wird ein allgemeines phänomenologisches Modell für die Feuerrate adaptierender Neurone aus den Eigenschaften verschiedene Ionenströme, die Adaptation verursachen, hergeleitet. Dieses Modell ist durch die Kennlinien und einer Adaptations-Zeitkonstanten vollständig definiert. Mit Hilfe des Modells können die Eigenschaften der Adaptation als Hochpassfilter quantifiziert werden. Weiterhin wird die Rolle der Adaptation bei der Unterdrückung von Hintergrundrauschen diskutiert. Sowohl die Phasenrotatoren als auch das Adaptationsmodell werden an auditorischen Rezeptorzellen der Wanderheuschrecke und dem AN1, ein primäres auditorisches Interneuron der Grille {Teleogryllus oceanicus}, getestet. In beiden Fällen stimmen die Modelle gut mit den experimentelle Daten überein. Es wird mit Hilfe der Modelle gezeigt, daß Adaptation in den Rezeptorzellen durch Ionenströme des Spikegenerators verursacht wird, während in dem Interneuron der Eingang schon adaptatiert. Zusätzlich wird der Einfluß der Feuerraten-Adaptation auf die Gesangserkennung analysiert.
The single neuron is the basic element of information processing in nervous systems. In this thesis several properties of the dynamics of the generation of spikes are investigated theoretically as well as experimentally. Phase oscillators of different complexity are introduced as models to predict the timing of spikes. The neuron's intensity-response curve is used as a basic parameter in these models to make them easily applicable to real neurons. As a second important aspect of the spiking dynamics, the neuron's phase-resetting curve is used to extend the models. The phase oscillators turn out to be a good approximation of the spiking behavior of a neuron as long as it is stimulated in its super-threshold regime. However, it is shown by comparison with conductance-based models that these models, as well as all other one-dimensional models including the common integrate-and-fire model, fail, if the neuron is stimulated with currents fluctuating around its threshold. Spike-frequency adaptation is a common feature of many neurons. For various ionic currents, as a possible reason for adaptation, a general phenomenological model for the firing rate of adapting neurons is derived from their biophysical properties. This model is defined by the neuron's intensity-response curves and an adaptation time-constant. By means of this model the high-pass properties of spike-frequency adaptation can be quantified. Also the role of adaptation in supression of background noise is discussed. Both the phase oscillators and the adaptation-model are tested on auditory receptor neurons of locusts and the AN1, a primary auditory interneuron of the cricket {Teleogryllus oceanicus}. In both cases the models are in good agreement with the experimental data. By means of the models it is shown that adaptation in the receptor neurons is caused by ionic currents of the spike generator while in the interneuron it is the input which is already adapting. In addition, the influence of spike-frequency adaptation on the recognition of courtship songs is analysed.

Die zeitliche Filterung von sensorischem Input ist entscheidend für das Erkennen vieler Stimuli. Auditorische Neurone führen dazu mehrere Verarbeitungsschritte und Signaltransformationen durch, u.a. durch zeitliche Integration, zeitliche Auflösung und Selektion eines zeitlichen Merkmals. Um zu testen ob zeitliche Filterung von Stimuluseigenschaften (Intensität) oder Kontext (Temperatur) abhängt untersuchte ich Neurone in der Hörbahn der Wanderheuschrecke. Zuerst untersuchte ich zeitliche Integration in Rezeptoren und Interneuronen. Zeitverlauf und Ausmaß der Integration waren Neuronen-spezifisch. Während periphere Neurone die akustische Energie integrierten, unterschied sich die zeitliche Integration der Interneuronentypen stark, was eine spezifische zeitliche Filterung ermöglicht. Die Analyse postsynaptischer Potentiale deckte presynaptische und intrinsische Mechanismen der Integration auf, was darauf hindeutet, dass Unterschiede zwischen Neuronen wahrscheinlich auf Typ-spezifischer Verarbeitung beruhen. Zweitens erforschte ich die neuronale Antwort auf den zweiten Stimulus in einem Stimuluspaar mit einem Interstimulus-Intervall von wenigen Millisekunden. Die Veränderung der Antwort auf den zweiten im Vergleich zum ersten Stimulus zeigt den Effekt von akuter, kurzfristiger Adaptation und ist ein Maß für die maximale zeitliche Auflösung. In der sensorischen Peripherie trat moderate Adaptation auf, deren Einfluss exponentiell abfiel. Viele Interneurone zeigten dagegen nicht-lineare Effekte, wie die Unterdrückung oder Verstärkung der Antwort auf den zweiten Stimulus. Drittens testete ich den Effekt von Temperatur auf zeitliche Filterung. Die Selektivität von Interneuronen für zeitliche Stimulusmerkmale wurde bei wechselnden Temperaturen untersucht. Mit steigender Temperatur präferierten Neurone ein zeitlich komprimiertes Merkmal. Diese temperaturabhängige Veränderung könnte zur Temperatur-Kopplung von Sender und Empfänger bei den wechselwarmen Heuschrecken beitragen.
Temporal filtering of sensory input is crucial for the recognition of many sensory stimuli. Auditory neurons perform various computations and signal transformations to accomplish temporal filtering of acoustic input, comprising temporal integration, temporal resolution and temporal feature selection. To test whether temporal filtering processes within a neuron type depend on stimulus features, such as intensity, and on context, such as temperature, I conducted neurophysiological recordings from neurons in the auditory pathway of migratory locusts. First, I examined temporal integration in receptors and interneurons. The time course and extent of integration of subthreshold acoustic stimuli were neuronspecific. While peripheral sensory neurons acted as energy integrators, interneurons showed different temporal integration profiles, enabling neuron-specific temporal filtering. The analysis of postsynaptic potentials elucidated implemented mechanisms, suggesting that temporal integration is based on neuron-specific presynaptic and neuron-intrinsic computations. Second, I studied the response recovery of receptors and interneurons to the second stimulus in a stimulus pair, separated by a few milliseconds. This revealed the effect of acute, short-term adaptation and thus indicated the maximal temporal resolution of these neurons. In the sensory periphery response recovery was shaped by moderate adaptation and an exponential recovery. In many interneurons non-linear effects occurred, comprising a suppression of the response to the second stimulus and a response gain. Third, I tested the effect of temperature on temporal filtering. Temporal feature selectivity of interneurons was examined at cold and warm temperatures. With increasing temperature, the neurons preferred a temporally compressed feature. Temperature-dependent changes in temporal feature selectivity might thus contribute to temperature coupling of the sender and the receiver of the poikilothermic grasshoppers.

In dieser Arbeit werden - basierend auf dem Langsamkeitsprinzip - Modelle und Algorithmen für das auditorische System entwickelt. Verschiedene experimentelle Ergebnisse, sowie die erfolgreichen Ergebnisse im visuellen System legen nahe, dass, trotz der unterschiedlichen Beschaffenheit visueller und auditorischer sensorischer Signale, das Langsamkeitsprinzip auch im auditorischen System eine bedeutsame Rolle spielen könnte, und vielleicht auch im Kortex im Allgemeinen. Es wurden verschiedene Modelle für unterschiedliche Repräsentationen des auditorischen Inputs realisiert. Es werden die Beschränkungen der jeweiligen Ansätze aufgezeigt. Im Bereich der Signalverarbeitung haben sich das Langsamkeitsprinzip und dessen direkte Implementierung als Signalverarbeitungsalgorithmus, Slow Feature Analysis, über die biologisch inspirierte Modellierung hinaus als nützlich erwiesen. Es wird ein neuer Algorithmus für das Problem der nichtlinearen blinden Signalquellentrennung beschrieben, der auf einer Kombination von Langsamkeitsprinzip und dem Prinzip der statistischen Unabhängigkeit basiert, und der anhand von künstlichen und realistischen Audiosignalen getestet wird. Außerdem wird die Open Source Software Bibliothek Modular toolkit for Data Processing vorgestellt.
In this thesis we develop models and algorithms based on the slowness principle in the auditory domain. Several experimental results as well as the successful results in the visual domain indicate that, despite the different nature of the sensory signals, the slowness principle may play an important role in the auditory domain as well, if not in the cortex as a whole. Different modeling approaches have been used, which make use of several alternative representations of the auditory stimuli. We show the limitations of these approaches. In the domain of signal processing, the slowness principle and its straightforward implementation, the Slow Feature Analysis algorithm, has been proven to be useful beyond biologically inspired modeling. A novel algorithm for nonlinear blind source separation is described that is based on a combination of the slowness and the statistical independence principles, and is evaluated on artificial and real-world audio signals. The Modular toolkit for Data Processing open source software library is additionally presented.

In der vorliegenden Arbeit wurden einseitig mit Human-Cochlea-Implantat versorgte Meerschweinchen verwendet, die auf dem anderen Ohr normalhörend waren und mit einer einseitig vertäubten, aber nicht elektrostimulierten Kontrollgruppe verglichen wurden. Untersucht wurde der Einfluss von drei unterschiedlichen Stimulationsraten und drei Stimulationsintensitäten während einer einseitigen Elektrostimulation. Dabei wurde zunächst der Einfluss der Elektrostimulation auf die Hörschwellen mittels Hirnstammaudiometrie (ABR) untersucht. Anschließend wurden die Zelldichten in der aufsteigenden Hörbahn (dorsaler Nucleus Cochlearis, Colliculus Inferior, medialer Kniehöcker und auditorischer Cortex) im Hirnschnitt unter Verwendung einer Hämalaun-Eosin Färbung bestimmt. Ein Zusammenhang zwischen der verwendeten Stimulationsrate und den in der zentralen Hörbahn gefundenen Zelldichten wurde ebenso wenig gezeigt wie ein Zusammenhang mit den mittels ABR ermittelten Hörschwellen der normalhörenden Seite. Dagegen wurde jedoch ein Zusammenhang zwischen den in der Elektrostimulation verwendeten Stimulationsintensitäten und den ermittelten Zelldichten festgestellt. Die niedrigste verwendete Stimulationsintensität führte zu einer bilateralen Konservierung der Zelldichten in der gesamten untersuchten Hörbahn, wogegen eine Elektrostimulation mit der höchsten Stimulationsintensität zum Teil einen bilateralen Zellverlust im dorsalen Nucleus Cochlearis, medialen Kniehöcker und im auditorischen Cortex zur Folge hatte. Dieser Zellverlust führte in dem Untersuchungszeitraum nicht zu einer signifikanten Veränderung der Hörschwelle.
In this study, human cochlear implants (CI) were implanted unilaterally in the cochlea of guinea pigs that were normal hearing on the contralateral side. Electro-stimulation was used on the cochlea with the implanted CI. They were compared to an unilaterally implanted but not electro-stimulated control group. This study investigates the effect of three different stimulation-rates and three different stimulation-intensities in unilateral electro-stimulation. The effect of the electro-stimulation on the hearing thresholds was determined using auditory brainstem recordings (ABR). Afterwards, cell densities in the ascending auditory pathway (dorsal cochlear nucleus, inferior colliculus, medial geniculate body and auditory cortex) were measured in brain slices stained with hematoxylin and eosin. No evidence was found of a connection between the different stimulation rates of electro-stimulation in the cochlea with a CI and cell densities seen in the central auditory pathway. Furthermore, there were no links found between hearing thresholds determined by ABR and the different parameters that were used for the electro-stimulation. However a significant effect of the different stimulation intensities on the cell densities identified in the auditory pathway was demonstrated. The lowest intensity used in the electro stimulation led to a bilateral preservation of cell densities in the entire auditory pathway whereas electro-stimulation with the highest intensity induced a significant cell loss in the auditory pathway (dorsal cochlear nucleus, the medial geniculate body and the auditory cortex). Interestingly, this cell loss was not accompanied by significant changes in the auditory threshold.

Introduction This dissertation studied structures and functions of auditory cortex in musicians with a rare auditory perception called absolute pitch (AP) using an in-vivo neuroimaging technique magnetic resonance imaging (MRI). The absolute pitch is defined as an ability to recognize pitch chroma, which is musical naming in the twelve-tone equal-temperament (12-TET) system (e.g., “C#”), of any given tonal sound without external references. It has been of interest of many psychologists since the experimental methods have been introduced in psychology over a century. Early behavioral experiments reported many findings that were validated in later studies with computerized measurement of behaviors. Over the recent two decades, in-vivo neuroimaging studies have found alteration in structures and functions of the brains of musicians with AP compared to control musicians without AP. However, quantitative models on the behaviors of neural systems behind the AP have not been suggested yet. Of course, neuronal modeling is a challenging problem in cognitive neuroscience studies in general. In order to generate such models to explain auditory perceptions such as AP, detailed information on structures and functions of neural systems must be obtained. In this context, we examined microarchitecture of the auditory cortex in musicians with AP using ultra- high field MRI that currently enables the highest spatial resolution of in-vivo imaging at the moment. In addition, we examined the functional connectivity between the auditory cortex and the other regions of the whole cortex. In the dissertation, detailed introduction of the pitch chroma perception is given throughout the human auditory systems from peripheral apparatus to non-primary auditory cortex in the Chapter I. In-depth discussion on the in-vivo imaging techniques, image processing, and statistical inferences focusing on the strength and potential pitfalls of the methods and their common practice in the Chapter II. In the Chapter III and IV, I explained MRI studies of the PhD project in details with discussions on the findings. Finally in the Chapter V, I summarized the major findings and discuss possible interpretation based on the framework of ‘dual auditory pathway hypothesis’. Study of Myeloarchitecture In the first study (Chapter III), a novel MRI sequence named magnetization-prepared two rapid gradient echo (MP2RAGE) was used to investigate cortical myelination. Myeloarchitecture of cerebral cortex is the one of the important histological concepts to understand organization of cortical column as well as cytoarchitecture. Neurons in the cortex are not only linked to the other distant neurons through the white matter but also connected vertically and horizontally to adjacent neurons. These short/long-distance axonal connections form myeloarchitecture of the cortex. The MP2RAGE sequence estimates a physical quantity called longitudinal relaxation rates (R1), which is sensitive to myelin concentration of the tissue. When compared to control musicians without AP, we found greater R1 in the anterior part of the right supratemporal plane in the musicians with AP. Given the finding was specific to the middle depth of cortex, the finding is unlikely related to long-distance axonal connections but likely to local connections. The precise location of the group difference was determined as the right planum polare in the template brain as well as in all individual brains. Based on the finding, I speculated that the working principles of the AP processes might be related to the dual auditory pathway hypothesis. In the theory, spatial auditory information is processed along the dorsal pathway (from the primary auditory cortex, to planum temporale, supramarginal gyrus, parietal lobules, and dorsolateral prefrontal cortex) whereas non-spatial auditory information is processed along the ventral pathway (from the primary auditory cortex to planum polare, temporal pole, anterior insular, and ventrolateral prefrontal cortex) in analogous to visual system. Because pitch chroma is spatially invariant property of an auditory object, and also it is less useful for auditory scene segregation compared to separation based on general pitch range (i.e., pitch height), I suggested the observation of cortical myelin in the anterior non-primary auditory cortex might be related to the absolute recognition of pitch chroma in AP listeners. Another potential implication of the heavy myelination is the function of myelination in neural development. In a rat model, it was demonstrated that the myelination of cortex triggers protein interactions that greatly restrict neuroplasticity after the ‘critical period’ of normal development. From genetic studies, it has been found that the onset of musical training is crucial in the acquisition of AP. Since the planum polare is related to pitch chroma processing, the increase of myelination in this region might indicate the preservation of the pitch chroma representation. Study of Intrinsic Functional Connectivity In the second study (Chapter IV), to further test the hypothesis that this highly myelinated planum polare works differently in the auditory networks, analysis of intrinsic functional connectivity using functional MRI (fMRI) measurement acquired during resting was performed. Although spontaneous neural activities during resting was once regarded as Gaussian noise without particular information, extensive researches revealed that the resting-state data (fMRI and also M/EEG) bears substantial information on the subnetworks of brain that subserve various perceptual and cognitive functions. Particularly for the perception of AP, it has been known that spontaneous and unintended recognition of pitch chroma from ambient sounds such as the siren of an ambulance. Thus it is reasonable to assume that the AP-specific network would be constantly active even at rest. From the resting-state fMRI data, greater cross-correlations between the right planum polare, which was found to be highly myelinated, and several cortical areas including the right lateral superior temporal gyrus, the anterior insula, and the left inferior frontal cortex were found in musicians with better AP performance. Moreover, greater cross-coherences between the right planum polare and the medial part of superior frontal gyrus, the anterior cingulate cortex, and the left planum polare were found in musicians with greater AP performance. As speculated, the involvement of the ventral auditory pathway in the AP-specific resting state network was strongly suggested from the tightened functional coupling between anterior supratemporal planes and the left inferior frontal cortex. Interestingly, the right planum polare exhibited greater cross-coherence with the important hub regions of the default mode network, i.e., anterior cingulate cortex and medial parts of the superior frontal cortex and the orbitofrontal cortex, implicating a link between the auditory network and default-mode network in AP listeners. This might be related to constant AP processes in AP listeners, which results in spontaneous and unintentional recognition of AP. Conclusion In the dissertation, novel MRI data from musicians with AP were provided adding knowledge of the myeloarchitectonic characteristics and related intrinsic functional connectivity of the auditory cortex to the current understanding on the neural correlates of AP. The findings were in favor of the proposed involvement of the ventral auditory pathway, which is known for processing spatially invariant properties of auditory objects. Further studies on neural behaviors of the auditory cortex in relation to the myeloarchitecture are needed in developing computational models of AP in the future
Einleitung Diese Dissertation untersucht Strukturen und Funktionen des auditorischen Kortex in Musikern mit einer seltenen auditorischen Wahrnehmen, dem absoluten Gehör (aG), mit Hilfe des in-vivo Bildgebungsfahrens der Magnetresonanztomographie (MRT). Das absolute Gehör bezeichnet die Fähigkeit die Tonklasse (z.B. „C#“) innerhalb des 12-tönigen Systems gleichmäßiger Stimmung (12-TET) ohne externe Referenz benennen zu können. Das Phänomen des absoluten Gehöres ist Gegenstand psychologischer Untersuchungen seitdem die experimentellen Methoden vor über einem Jahrhundert vorgestellt wurden. Erste behaviorale Experimente berichteten zahlreiche Ergebnisse, die später in computer-gestützten Messverfahren validiert werden konnten. In den letzten 20 Jahren konnten Studien, unter Nutzung bildgebender Verfahren, Veränderungen in der Struktur und Funktion in den Gehirnen von Musikern mit absolutem Gehör feststellen. Bisher wurden jedoch noch keine quantitativen Modelle vorgestellt, die das Verhalten neuronaler Systeme beschreiben, die dem absoluten Gehört zugrunde liegen. Die Modellierung neuronaler Systeme stellt ein anspruchsvolles Problem der gesamten kognitiven Neurowissenschaften dar. Detaillierte Informationen bezüglich der Struktur und Funktion des neuronalen Systems müssen gesammelt, um mit Hilfe von Modelle auditorische Empfindungen wie das absolute Gehör erklären zu können. In diesem Zusammenhang haben wir die Mikroarchitektur des auditorischen Kortex von Musiker mit absolutem Gehör mit Hilfe eines ultrahohem Feld-MRTs untersucht; eine Methode mit der derzeit höchsten räumlichen Auflösung aller in-vivo Bildgebungsverfahren. Außerdem wurde die funktionelle Konnektivität zwischen dem auditorischen Kortex und anderen Regionen des gesamten Kortex untersucht. In Kapitel I der Dissertation wird detailliertes Grundwissen zur Empfindung von Tonklassen, vom menschlichen auditorischen System bis zum nicht-primären auditorischen Kortex, vermittelt. Eine vertiefte Diskussion der in-vivo Bildgebungsverfahren, der Bildverarbeitung und den statistischen Rückschlüssen ist Thema von Kapitel II, mit einem Fokus auf der üblichen Verwendung, den Stärken und potentiellen Fehlern der verwendeten Methoden. In den Kapiteln III und IV habe ich die MRT-Studien der Doktorarbeit erklärt und die Ergebnisse diskutiert. Kapitel V fasst die wesentlichen Forschungsergebnisse zusammen und diskutiert eine mögliche Interpretation der Ergebnisse auf Grundlage der Dual Auditory Pathway Hypothese. Untersuchung der Myelinarchitektur In der ersten Studie (Kapitel III) wurde eine neuartige MRT Sequenz, die magnetization-prepared two rapid gradient echo (MP2RAGE) Sequenz, genutzt um die kortikale Myelinisierung zu untersuchen. Die Myelinarchitektur des zerebralen Kortex ist eine der wichtigsten histologischen Konzepte, um sowohl die Organisation einer kortikalen Kolumne als auch die Zytoarchitektur zu verstehen. Die Neuronen des Kortex sind nicht nur an entfernte Neuronen über die weiße Substanz gekoppelt, sondern auch durch vertikale und horizontale Verbindungen an unmittelbar benachbarte Neuronen. Diese kurzen und langen axonalen Verbindungen formen die Myelinarchitektur des Kortex. Die MP2RAGE Sequenz bewertet die longitudinalen Relaxations Raten (R1), welche sensitiv für die Myelinkonzentration des untersuchten Gewebes ist. Verglichen mit einer Kontrollgruppe von Musikern ohne aG konnten wir einen höheren R1- Wert im anterioren Teil der rechten supra-temporalen Ebene in Musikern mit aG feststellen. Da das Ergebnis spezifisch für eine mittlere Tiefe des Kortex war ist es wahrscheinlicher, dies auf lokale Verbindungen als auf lange axonale Verbindungen zurückzuführen. Als genauer Ort der Gruppendifferenz wurde das rechte planum polare sowohl in einem idealisierten Gehirn als auch in den individuellen Gehirnen der Probanden festgestellt. Aufgrund dieses Ergebnisses habe ich die Hypothese aufgestellt, dass die Wirkungsweise des absoluten Gehörs mit der Dual Auditory Pathway-Theorie zusammenhängt. Diese Theorie besagt, dass räumliche auditorische Information entlang einer dorsalen Bahn (vom primären auditorischen Kortex zum planum temporale, supramarginalen Gyrus, Parietallappen und dorsolateralen präfrontalen Kortex) und nicht-räumliche Informationen entlang einer ventralen Bahn (vom primären auditorischen Kortex zum planum polare, Temporalpol, anterior insular und ventrolateralen präfrontalen Kortex), ähnlich dem visuellen System, verarbeitet werden. Da die Tonklasse eine räumlich invariante Eigenschaft eines auditorischen Objektes ist und es zudem für die auditorische Szenenunterscheidung weniger bedeutsam ist als die generelle Tonhöhe, habe ich die Vermutung angestellt, dass das kortikale Myelin im anterioren nicht-primären auditorischen Kortex mit dem absoluten Gehört für die Tonklasse im Zusammenhang steht. Eine weitere Implikation der starken Myelinisierung betrifft die Funktion von Myelin in der neuronalen Entwicklung. Im Tiermodell einer Ratte konnte gezeigt werden, dass die Myelinisierung des Kortex Proteininteraktionen auslöst, die die Neuroplastizität nach einer ‚kritischen Periode‘ der normalen Entwicklung erheblich einschränkt. Genetische Studien haben gezeigt, dass der Beginn der musikalischen Ausbildung für die Entwicklung des absoluten Gehöres entscheidend ist. Da das planum polare mit der Verarbeitung von Tonklassen in Verbindung gebracht wird, könnte ein Anstieg der Myelinisierung in diesem Bereich einen Erhalt der Tonklassenrepräsentation bedeuten. Untersuchung der intrinsischen funktionellen Konnektivität In der zweiten Studie (Kapitel IV) wurde die Hypothese, dass das stark myelinisierte planum polare in den auditorischen Netzwerken verschieden wirkt, mittels funktioneller MRT (fMRT) im entspannten Wachzustand weiter untersucht. Spontane Hirnaktivität wurde lange Zeit als Gaußsches Rauschen ohne spezielle Informationen angesehen. Umfangreiche Studien konnten jedoch zeigen, dass Messungen des Ruhezustandes, sowohl fMRT als auch M/EEG, Information bezüglich der Sub-Netzwerke tragen, die Hirnfunktionen der Wahrnehmung und Kognition unterstützen. Besonders in Bezug auf die Wahrnehmung mit absolutem Gehör konnte festgestellt werden, dass Umgebungstöne wie die Sirene eines Krankenwagens unbewusst hinsichtlich der Tonklasse erkannt werden. Diese Erkenntnis stützt die Annahme, dass das aG-Netzwerk auch im Ruhezustand aktiv ist. Mit Hilfe der fMRT-Daten wurde festgestellt, dass die Kreuzkorrelation zwischen dem stark myelinisierten rechten planum polare und weiteren kortikalen Arealen wie dem rechten lateral- superioren temporalen Gyrus, der anterioren insula und dem linken inferior-frontalen Kortex in Musikern mit besserer aG-Performanz erhöht ist. Weiterhin wurde eine erhöhte Kreuzkorrelation zwischen dem rechten planum polare und dem medialen Teil des superior-frontalen Gyrus, dem anterioren cingulate Kortex und dem linken planum polare in Musikern mit noch besser aG- Performanz festgestellt. Die erhöhte funktionelle Kopplung der anterioren supra-temporalen Ebene mit dem linken inferior-frontalen Kortex bekräftigt die Hypothese, dass der ventrale auditorische Pfad in dem aG- spezifischen Netzwerk des Ruhezustands beteiligt ist. Bemerkenswerterweise zeigte das rechte planum polare eine erhöhte Kreuzkorrelation mit wichtigen Hub-regionen des Default-Mode Netzwerkes, also dem anterioren cingulate Kortex und medialen Teilen des superior-frontalen Kortex, sowie dem orbito-frontalen Kortex. Dies bedeutet eine Verknüpfung des auditorischen Netzwerkes und des Default-Mode Netzwerkes in Menschen mit absolutem Gehör und könnte mit aG-Prozessen zusammenhängen, die die spontane und unbewusste Erkennung des absoluten Gehörs erlauben. Schlussfolgerung In dieser Dissertation wurden MRT-Daten von Musikern mit absolutem Gehör untersucht und damit zur Erweiterung des Wissensstandes bezüglich der Myelinarchitektur und der damit zusammenhängenden funktionellen Konnektivität des auditorischen Kortex beigetragen. Die Ergebnisse sprechen zugunsten der Einbindung des ventralen auditorischen Pfades, bekannt für die Verarbeitung räumlich-invarianter Eigenschaften auditorischer Objekte. Weitere Untersuchungen bezüglich des neuronalen Verhaltens des auditorischen Kortex in Verbindung mit der Myelinarchitektur sind notwendig, um quantitative Modelle des absoluten Gehörs entwickeln zu können

Asiatische Elefanten, Afrikanische Elefanten und Klippschliefer gehören zur phylogenetisch sehr alten Gruppe der Afrotheria, welche sich bereits vor 100 Millionen Jahren von anderen Vertretern der Mammalia abgespaltet haben. Die Vertreter dieser Spezies zeichnen sich durch Besonderheiten in ihrer Vokalisation und Kommunikation aus, welche die Verwendung von Infraschallfrequenzen der Elefanten und die Gesänge der Klippschliefer umfassen. Auf neuroanatomischer Ebene spiegeln sich durch bestimmte Spezies wahrnehmbare Frequenzbereiche in der spezifischen Ausbildung auditorischer Kerngebiete wie der Kochleariskerne (CN) und des Komplexes der oberen Olive (SOC) wider. Diese Kerngebietskomplexe befinden sich im Hirnstamm und erfüllen die Funktion der Schallverarbeitung und -lokalisation durch komplexe Mikrokreisläufe, was für in freier Wildbahn lebende Tiere unerlässlich ist. Die Kerngebiete des zentralen auditorischen Systems sind besonders reich an perineuronalen Netzen (PN), einer Sonderform der extrazellulären Matrix im Gehirn, welche in Zusammenhang mit einer schnellen synaptischen Übertragung und Stabilisierung synaptischer Kontakte gebracht wird. PNs bilden sich bei Nesthockern erst zu Beginn der kritischen Periode, welche mit dem Beginn der Wahrnehmung akustischer Signale einhergeht aus, (bei Maus und Ratte circa zum Ende der ersten postnatalen Woche). Dementsprechend wird den PNs auch eine wichtige Rolle in der Synaptogenese zugesprochen. Bislang gibt es keine Studien über die Ausprägung von PNs bei nestflüchtenden Tieren zum Zeitpunkt der Geburt. Die Ziele dieser Arbeit waren die Darstellung, Identifikation und Charakterisierung der Kerngebiete des auditorischen Hirnstammes sowie der Nachweis perineuronaler Netze und deren Charakterisierung, insbesondere beim neonatalen Elefanten. Die Ergebnisse galt es im Speziesvergleich und im Kontext des aktuellen Wissensstandes darzustellen. Dafür wurden die Gehirne von drei verstorbenen Elefanten im Alter von 0 Tagen bis eineinhalb Jahren und die Gehirne eines adulten und eines juvenilen Klippschliefers mittels histologischer und immunhistochemischer Methoden bearbeitet. Es kamen sowohl Fluoreszenfärbungen als auch Markierungen mithilfe der klassischen ABC-Methode (DAB-Nickelfärbungen) sowie eine kombinierte Klüver-Barrera-Markscheiden- und Nissl-Färbung zum Einsatz. Da für die Identifikation der auditorischen Kerngebiete weder für den Klippschliefer, noch für den Elefanten geeignete Publikationen oder Atlanten existieren, erfolgte deren Analyse und Zuordnung im Speziesvergleich mit Ratte, Katze, Rhesusaffe und Mensch. Die CN der untersuchten Spezies konnten identifiziert und das Zusammenspiel von Neuronen, Synapsen und perineuronalen Netzen dargestellt werden. Eine Besonderheit stellt der Nachweis von Oktopuszellen beim Elefanten dar, die sich in dorsolateraler Lage am Rande des Hirnstammes markieren ließen und eine typische tentakelartige Morphologie ihrer Dendriten aufzeigten. Charakteristische Büschelzellen im Nucleus cochlearis ventralis gingen bei allen untersuchten Tieren mit einem deutlich ausgeprägten Nucleus medialis olivae superioris (MSO) einher, der Signale dieser Zellen empfängt und für eine binaurale Integration zur Ermittlung des Schallursprunges verantwortlich ist. Lateral des MSO konnte ein weniger stark ausgeprägter Nucleus lateralis olivae superioris (LSO) markiert und zugeordnet werden, der ebenfalls an der Berechnung des Schallursprunges beteiligt ist, diese Aufgabe aber vornehmlich anhand hoher Frequenzen bewerkstelligt. Der Vergleich der Ausprägung von LSO und MSO bestärken beim Elefanten, einem tieffrequent hörenden Tier, die Hypothese zu dessen Fähigkeit zur Schallortung durch interaurale Zeitunterschiede (ITD) tiefer Frequenzen und lassen beim Klippschliefer die Vermutung aufkommen, dass auch diese Tierart den Schallursprung anhand von tiefen Frequenzen berechnet. Die Berechnung des ITD im Gehirn ist möglich, wenn die Geräuschquelle seitlich auf den Kopf auftrifft und somit ein Wellenmaximum die Ohren zeitversetzt erreicht. Weitere Kerngebiete des Komplexes der oberen Olive, zu dem auch MSO und LSO gehören, konnten charakterisiert werden: der Nucleus corporis trapezoidei medialis (MNTB) fiel sowohl durch seinen glutamatergen Signaleingang in Form einer Riesensynapse beim Elefanten als auch durch seine intensive Netzmarkierung auf, unterschied sich jedoch bei Klippschliefer und Elefant erheblich. Während der MNTB des Elefanten Ähnlichkeiten mit dem Menschen aufwies und nur aus wenigen Prinzipalneuronen bestand, zeichnet sich der Klippschliefer durch die Prominenz dieses Kerngebietes mit einer gewissen Ähnlichkeit zur Mongolischen Rennmaus aus. Riesensynapsen konnte mit der verwendeten Auswahl an Antikörpern nicht dargestellt werden. Außerdem wurden kleinere, sogenannte perioliväre Kerngebiete bei den untersuchten Spezies charakterisiert, die zwar schon im Jahr 1909 von Ramon y Cajal beschrieben worden sind, deren Funktionen jedoch bis heute nicht eindeutig geklärt werden konnten. Die Charakteristika der Kerngebiete des auditorischen Hirnstammes konnten bei allen untersuchten Spezies aufgezeigt werden, wichtige Orientierungspunkte im Hirnstamm des Elefanten neu definiert werden und erstmals gelang der Nachweis für die Existenz perineuronaler Netze bei einem nestflüchtenden Neugeborenen. Zusammenfassend können die auditorischen Kerngebiete der untersuchten Spezies als säugetiertypisch eingeordnet werden und erste Hinweise auf den Hörbereich des Klippschliefers ermittelt werden. Es wurden sowohl Ähnlichkeiten zwischen den Vertretern der Afrotheria aufgezeigt als auch Unterschiede bewertet, die höchstwahrscheinlich nicht auf der phylogenetischen Herkunft dieser Tiere beruhen.:1. Einleitung 2. Literaturübersicht 2.1 Afrotheria 2.1.1 Elephantidae 2.1.2 Hyracoideae/ Procaviidae 2.2 Schallverarbeitung im zentralen Nervensystem 2.2.1 Grundlagen zur neuronalen Kodierung des perzipierten Schalls 2.2.2 Nomenklatur 2.2.3 Die Kerngebiete des zentralen auditorischen Systems und deren Funktion 2.2.4 Schalllokalisation 2.3 Die extrazelluläre Matrix des Nervensystems 2.3.1 Perineuronale Netze: Aufbau und Visualisierung 2.3.2 Vorkommen, Evolution und Entwicklung perineuronaler Netze 2.3.3 Potentielle Funktionen perineuronaler Netze 3. Tiere, Material, Methoden 3.1 Material 3.1.1Chemikalien 3.1.2 Puffer und Lösungen 3.1.3 Antikörper 3.1.4 Geräte und Verbrauchsmaterialien 3.1.5 Tiere und Gewebe 3.2 Methoden, Schnittverfahren und Färbungen 3.2.1 Gehirnentnahme und Nachfixierung 3.2.2 Anfertigung der Schnittserien 3.2.3 Übersichtsfärbungen und anatomische Eingrenzung 3.2.4 Antigendemaskierung 3.2.5 Immunhistochemie 3.2.6 Nachbehandlung mit Sudan-Schwarz-B 3.2.7 Fotodokumentation 4. Ergebnisse 4.1 Makroskopische und mikroskopische Orientierung im Hirnstamm des Elefanten 4.2 Immunhistochemie: Antikörperreaktivität im Gehirn des Elefanten 4.3 Identifikation der Kerngebiete des zentralen auditorischen Systems des Elefanten 4.3.1 Nuclei cochleares des Elefanten 4.3.2 Komplex der oberen Olive des Elefanten 4.4 Makroskopische und mikroskopische Orientierung im Hirnstamm des Klippschliefers 4.5 Immunhistochemie: Antikörperreaktivität im Gehirn des Klippschliefers 4.6 Identifikation der Kerngebiete des zentralen auditorischen Systems des Klippschliefers 4.6.1 Nuclei cochleares des Klippschliefers 4.6.2 Der Komplex der oberen Olive des Klippschliefers 5. Diskussion 5.1 Identifikation der Kerngebiete des zentralen Auditorischen Systems des Elefanten 5.1.1 Nuclei cochleares 5.1.2 Komplex der oberen Olive 5.2 Perineuronale Netze im zentralen auditorischen System des Elefanten 5.3 Die Auditorischen Kerngebiete des Klippschliefers 5.4 Vergleich der zentralen auditorischen Kerngebeite und Perineuronalen Netze von Klippschliefer und Elefant 5.5 Limitationen und Fehlerbetrachtung 5.6 Ausblick 6. Zusammenfassung 7. Summary 8. Literaturverzeichnis 9. Anhang 9.1 Tabellenverzeichnis 9.2 Abbildungsverzeichnis 9.3 Protokolle

In this thesis I attempt to explain mechanisms of neuronal coding in the auditory system as a form of adaptation to statistics of natural stereo sounds. To this end I analyse recordings of real-world auditory environments and construct novel statistical models of these data. I further compare regularities present in natural stimuli with known, experimentally observed neuronal mechanisms of spatial hearing. In a more general perspective, I use binaural auditory system as a starting point to consider the notion of function implemented by sensory neurons. In particular I argue for two, closely-related tenets: 1. The function of sensory neurons can not be fully elucidated without understanding statistics of natural stimuli they process. 2. Function of sensory representations is determined by redundancies present in the natural sensory environment. I present the evidence in support of the first tenet by describing and analysing marginal statistics of natural binaural sound. I compare observed, empirical distributions with knowledge from reductionist experiments. Such comparison allows to argue that the complexity of the spatial hearing task in the natural environment is much higher than analytic, physics-based predictions. I discuss the possibility that early brain stem circuits such as LSO and MSO do not \"compute sound localization\" as is often being claimed in the experimental literature. I propose that instead they perform a signal transformation, which constitutes the first step of a complex inference process. To support the second tenet I develop a hierarchical statistical model, which learns a joint sparse representation of amplitude and phase information from natural stereo sounds. I demonstrate that learned higher order features reproduce properties of auditory cortical neurons, when probed with spatial sounds. Reproduced aspects were hypothesized to be a manifestation of a fine-tuned computation specific to the sound-localization task. Here it is demonstrated that they rather reflect redundancies present in the natural stimulus. Taken together, results presented in this thesis suggest that efficient coding is a strategy useful for discovering structures (redundancies) in the input data. Their meaning has to be determined by the organism via environmental feedback.

Tinnitus aurium ist eine Hörempfindung, der kein äußeres Schallereignis zu Grunde liegt, die aber vom Betroffenen als reales, oft störendes Geräusch wahrgenommen wird. Untersuchungen am Tiermodell zeigen, dass die Tinnitusaktivität nicht wie ursprünglich angenommen im Innenohr entsteht, sondern innerhalb des zentralen auditorischen Systems generiert wird. Ein Tinnitus der für einen längeren Zeitraum bestehen bleibt ist meist nicht mehr reversibel. Man nimmt daher an, dass anhaltende molekulare Veränderungen in den Neuronen des zentralen Nervensystems zu einer Stabilisierung der Tinnitusaktivität führen. Solche anhaltenden Veränderungen gehen mit der Bildung bestimmter plastizitätsrelevanter Proteine einher. In der vorliegenden Arbeit wurde die die Bildung der Plastizitätsmarker Arg3.1 und c-Fos im auditorischen und limbischen System der Mongolischen Wüstenrennmaus (Meriones unguiculatus) nach experimenteller Tinnitusauslösung durch Salicylat untersucht und mit der Bildung dieser Proteine nach akustischer Stimulation und Salinebehandlung verglichen. Es zeigte sich, dass Arg3.1 im auditorischen Cortex (AC) vermehrt in Regionen gebildet wird in denen Neurone lokalisiert sind, die in Einklang mit der Tonotopie am besten auf die Stimulationsfrequenz antworten. Nach Salicylatinjektion liegen Arg3.1-Neurone vermehrt im hochfrequenten Bereich des AC vor. Dagegen führen Salineinjektionen zu einer uneinheitlichen Verteilung und einer schwächeren Arg3.1-Markierung. C-Fos-Neurone werden nach allen Behandlungen wesentlich häufiger gefunden und zeigen eine breitere Verteilung. In subcorticalen auditorischen Gebieten liegen im Vergleich zu den anderen Behandlungen nach Salicylatinjektion wesentlich weniger c-Fos-Neurone vor, ein Befund, der auf die salicylatbedingte Reduktion des Hörvermögens zurück geführt werden kann. In der zentralen (CeA) und lateralen Amygdala führen nur Salicylatinjektionen zu einer deutlichen Arg3.1 und c-Fos Markierung. In situ-Hybridisierungs Experimenten zeigen, dass auch die arg3.1-mRNA nur nach Salicylatinjektion in CeA erhöht ist. Die simultane Gabe von Salicylat zusammen mit dem muscarinergen Acetylcholinrezeptor-Antagonisten Scopolamin führt im Vergleich zu einer reinen Salicylatgabe zu einer Unterdrückung der Arg3.1- und c-Fos- Bildung im AC, während die Anzahl der markierten Neurone in CeA vergleichbar ist. Eine nähere Charakterisierung der Arg3.1-Neurone über Fluoreszenz-Doppelmarkierungen ergab, dass Arg3.1 in einer Untergruppe von c-Fos-Neuronen gebildet wird. Zudem liegt Arg3.1 im AC nur in exzitatorischen Pyramidenzellen vor. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass es nach experimenteller Tinnitusauslösung zu plastischen Veränderungen im AC und der Amygdala kommt. Dabei wird die Aktivierung des AC vermutlich über verstärkte Rückkopplungmechanismen innerhalb des auditorischen Systems, als Reaktion auf den durch salicylatbedingten Hörschaden generiert, während die plastischen Veränderungen im AC über die Aktivierung der Amygdala und ihre Projektionen in den Nucleus basalis moduliert werden. Zudem verändern sich im AC ausschließlich die exzitatorischen Pyramidenzellen.

Introduction This dissertation studied structures and functions of auditory cortex in musicians with a rare auditory perception called absolute pitch (AP) using an in-vivo neuroimaging technique magnetic resonance imaging (MRI). The absolute pitch is defined as an ability to recognize pitch chroma, which is musical naming in the twelve-tone equal-temperament (12-TET) system (e.g., “C#”), of any given tonal sound without external references. It has been of interest of many psychologists since the experimental methods have been introduced in psychology over a century. Early behavioral experiments reported many findings that were validated in later studies with computerized measurement of behaviors. Over the recent two decades, in-vivo neuroimaging studies have found alteration in structures and functions of the brains of musicians with AP compared to control musicians without AP. However, quantitative models on the behaviors of neural systems behind the AP have not been suggested yet. Of course, neuronal modeling is a challenging problem in cognitive neuroscience studies in general. In order to generate such models to explain auditory perceptions such as AP, detailed information on structures and functions of neural systems must be obtained. In this context, we examined microarchitecture of the auditory cortex in musicians with AP using ultra- high field MRI that currently enables the highest spatial resolution of in-vivo imaging at the moment. In addition, we examined the functional connectivity between the auditory cortex and the other regions of the whole cortex. In the dissertation, detailed introduction of the pitch chroma perception is given throughout the human auditory systems from peripheral apparatus to non-primary auditory cortex in the Chapter I. In-depth discussion on the in-vivo imaging techniques, image processing, and statistical inferences focusing on the strength and potential pitfalls of the methods and their common practice in the Chapter II. In the Chapter III and IV, I explained MRI studies of the PhD project in details with discussions on the findings. Finally in the Chapter V, I summarized the major findings and discuss possible interpretation based on the framework of ‘dual auditory pathway hypothesis’. Study of Myeloarchitecture In the first study (Chapter III), a novel MRI sequence named magnetization-prepared two rapid gradient echo (MP2RAGE) was used to investigate cortical myelination. Myeloarchitecture of cerebral cortex is the one of the important histological concepts to understand organization of cortical column as well as cytoarchitecture. Neurons in the cortex are not only linked to the other distant neurons through the white matter but also connected vertically and horizontally to adjacent neurons. These short/long-distance axonal connections form myeloarchitecture of the cortex. The MP2RAGE sequence estimates a physical quantity called longitudinal relaxation rates (R1), which is sensitive to myelin concentration of the tissue. When compared to control musicians without AP, we found greater R1 in the anterior part of the right supratemporal plane in the musicians with AP. Given the finding was specific to the middle depth of cortex, the finding is unlikely related to long-distance axonal connections but likely to local connections. The precise location of the group difference was determined as the right planum polare in the template brain as well as in all individual brains. Based on the finding, I speculated that the working principles of the AP processes might be related to the dual auditory pathway hypothesis. In the theory, spatial auditory information is processed along the dorsal pathway (from the primary auditory cortex, to planum temporale, supramarginal gyrus, parietal lobules, and dorsolateral prefrontal cortex) whereas non-spatial auditory information is processed along the ventral pathway (from the primary auditory cortex to planum polare, temporal pole, anterior insular, and ventrolateral prefrontal cortex) in analogous to visual system. Because pitch chroma is spatially invariant property of an auditory object, and also it is less useful for auditory scene segregation compared to separation based on general pitch range (i.e., pitch height), I suggested the observation of cortical myelin in the anterior non-primary auditory cortex might be related to the absolute recognition of pitch chroma in AP listeners. Another potential implication of the heavy myelination is the function of myelination in neural development. In a rat model, it was demonstrated that the myelination of cortex triggers protein interactions that greatly restrict neuroplasticity after the ‘critical period’ of normal development. From genetic studies, it has been found that the onset of musical training is crucial in the acquisition of AP. Since the planum polare is related to pitch chroma processing, the increase of myelination in this region might indicate the preservation of the pitch chroma representation. Study of Intrinsic Functional Connectivity In the second study (Chapter IV), to further test the hypothesis that this highly myelinated planum polare works differently in the auditory networks, analysis of intrinsic functional connectivity using functional MRI (fMRI) measurement acquired during resting was performed. Although spontaneous neural activities during resting was once regarded as Gaussian noise without particular information, extensive researches revealed that the resting-state data (fMRI and also M/EEG) bears substantial information on the subnetworks of brain that subserve various perceptual and cognitive functions. Particularly for the perception of AP, it has been known that spontaneous and unintended recognition of pitch chroma from ambient sounds such as the siren of an ambulance. Thus it is reasonable to assume that the AP-specific network would be constantly active even at rest. From the resting-state fMRI data, greater cross-correlations between the right planum polare, which was found to be highly myelinated, and several cortical areas including the right lateral superior temporal gyrus, the anterior insula, and the left inferior frontal cortex were found in musicians with better AP performance. Moreover, greater cross-coherences between the right planum polare and the medial part of superior frontal gyrus, the anterior cingulate cortex, and the left planum polare were found in musicians with greater AP performance. As speculated, the involvement of the ventral auditory pathway in the AP-specific resting state network was strongly suggested from the tightened functional coupling between anterior supratemporal planes and the left inferior frontal cortex. Interestingly, the right planum polare exhibited greater cross-coherence with the important hub regions of the default mode network, i.e., anterior cingulate cortex and medial parts of the superior frontal cortex and the orbitofrontal cortex, implicating a link between the auditory network and default-mode network in AP listeners. This might be related to constant AP processes in AP listeners, which results in spontaneous and unintentional recognition of AP. Conclusion In the dissertation, novel MRI data from musicians with AP were provided adding knowledge of the myeloarchitectonic characteristics and related intrinsic functional connectivity of the auditory cortex to the current understanding on the neural correlates of AP. The findings were in favor of the proposed involvement of the ventral auditory pathway, which is known for processing spatially invariant properties of auditory objects. Further studies on neural behaviors of the auditory cortex in relation to the myeloarchitecture are needed in developing computational models of AP in the future.
Einleitung Diese Dissertation untersucht Strukturen und Funktionen des auditorischen Kortex in Musikern mit einer seltenen auditorischen Wahrnehmen, dem absoluten Gehör (aG), mit Hilfe des in-vivo Bildgebungsfahrens der Magnetresonanztomographie (MRT). Das absolute Gehör bezeichnet die Fähigkeit die Tonklasse (z.B. „C#“) innerhalb des 12-tönigen Systems gleichmäßiger Stimmung (12-TET) ohne externe Referenz benennen zu können. Das Phänomen des absoluten Gehöres ist Gegenstand psychologischer Untersuchungen seitdem die experimentellen Methoden vor über einem Jahrhundert vorgestellt wurden. Erste behaviorale Experimente berichteten zahlreiche Ergebnisse, die später in computer-gestützten Messverfahren validiert werden konnten. In den letzten 20 Jahren konnten Studien, unter Nutzung bildgebender Verfahren, Veränderungen in der Struktur und Funktion in den Gehirnen von Musikern mit absolutem Gehör feststellen. Bisher wurden jedoch noch keine quantitativen Modelle vorgestellt, die das Verhalten neuronaler Systeme beschreiben, die dem absoluten Gehört zugrunde liegen. Die Modellierung neuronaler Systeme stellt ein anspruchsvolles Problem der gesamten kognitiven Neurowissenschaften dar. Detaillierte Informationen bezüglich der Struktur und Funktion des neuronalen Systems müssen gesammelt, um mit Hilfe von Modelle auditorische Empfindungen wie das absolute Gehör erklären zu können. In diesem Zusammenhang haben wir die Mikroarchitektur des auditorischen Kortex von Musiker mit absolutem Gehör mit Hilfe eines ultrahohem Feld-MRTs untersucht; eine Methode mit der derzeit höchsten räumlichen Auflösung aller in-vivo Bildgebungsverfahren. Außerdem wurde die funktionelle Konnektivität zwischen dem auditorischen Kortex und anderen Regionen des gesamten Kortex untersucht. In Kapitel I der Dissertation wird detailliertes Grundwissen zur Empfindung von Tonklassen, vom menschlichen auditorischen System bis zum nicht-primären auditorischen Kortex, vermittelt. Eine vertiefte Diskussion der in-vivo Bildgebungsverfahren, der Bildverarbeitung und den statistischen Rückschlüssen ist Thema von Kapitel II, mit einem Fokus auf der üblichen Verwendung, den Stärken und potentiellen Fehlern der verwendeten Methoden. In den Kapiteln III und IV habe ich die MRT-Studien der Doktorarbeit erklärt und die Ergebnisse diskutiert. Kapitel V fasst die wesentlichen Forschungsergebnisse zusammen und diskutiert eine mögliche Interpretation der Ergebnisse auf Grundlage der Dual Auditory Pathway Hypothese. Untersuchung der Myelinarchitektur In der ersten Studie (Kapitel III) wurde eine neuartige MRT Sequenz, die magnetization-prepared two rapid gradient echo (MP2RAGE) Sequenz, genutzt um die kortikale Myelinisierung zu untersuchen. Die Myelinarchitektur des zerebralen Kortex ist eine der wichtigsten histologischen Konzepte, um sowohl die Organisation einer kortikalen Kolumne als auch die Zytoarchitektur zu verstehen. Die Neuronen des Kortex sind nicht nur an entfernte Neuronen über die weiße Substanz gekoppelt, sondern auch durch vertikale und horizontale Verbindungen an unmittelbar benachbarte Neuronen. Diese kurzen und langen axonalen Verbindungen formen die Myelinarchitektur des Kortex. Die MP2RAGE Sequenz bewertet die longitudinalen Relaxations Raten (R1), welche sensitiv für die Myelinkonzentration des untersuchten Gewebes ist. Verglichen mit einer Kontrollgruppe von Musikern ohne aG konnten wir einen höheren R1- Wert im anterioren Teil der rechten supra-temporalen Ebene in Musikern mit aG feststellen. Da das Ergebnis spezifisch für eine mittlere Tiefe des Kortex war ist es wahrscheinlicher, dies auf lokale Verbindungen als auf lange axonale Verbindungen zurückzuführen. Als genauer Ort der Gruppendifferenz wurde das rechte planum polare sowohl in einem idealisierten Gehirn als auch in den individuellen Gehirnen der Probanden festgestellt. Aufgrund dieses Ergebnisses habe ich die Hypothese aufgestellt, dass die Wirkungsweise des absoluten Gehörs mit der Dual Auditory Pathway-Theorie zusammenhängt. Diese Theorie besagt, dass räumliche auditorische Information entlang einer dorsalen Bahn (vom primären auditorischen Kortex zum planum temporale, supramarginalen Gyrus, Parietallappen und dorsolateralen präfrontalen Kortex) und nicht-räumliche Informationen entlang einer ventralen Bahn (vom primären auditorischen Kortex zum planum polare, Temporalpol, anterior insular und ventrolateralen präfrontalen Kortex), ähnlich dem visuellen System, verarbeitet werden. Da die Tonklasse eine räumlich invariante Eigenschaft eines auditorischen Objektes ist und es zudem für die auditorische Szenenunterscheidung weniger bedeutsam ist als die generelle Tonhöhe, habe ich die Vermutung angestellt, dass das kortikale Myelin im anterioren nicht-primären auditorischen Kortex mit dem absoluten Gehört für die Tonklasse im Zusammenhang steht. Eine weitere Implikation der starken Myelinisierung betrifft die Funktion von Myelin in der neuronalen Entwicklung. Im Tiermodell einer Ratte konnte gezeigt werden, dass die Myelinisierung des Kortex Proteininteraktionen auslöst, die die Neuroplastizität nach einer ‚kritischen Periode‘ der normalen Entwicklung erheblich einschränkt. Genetische Studien haben gezeigt, dass der Beginn der musikalischen Ausbildung für die Entwicklung des absoluten Gehöres entscheidend ist. Da das planum polare mit der Verarbeitung von Tonklassen in Verbindung gebracht wird, könnte ein Anstieg der Myelinisierung in diesem Bereich einen Erhalt der Tonklassenrepräsentation bedeuten. Untersuchung der intrinsischen funktionellen Konnektivität In der zweiten Studie (Kapitel IV) wurde die Hypothese, dass das stark myelinisierte planum polare in den auditorischen Netzwerken verschieden wirkt, mittels funktioneller MRT (fMRT) im entspannten Wachzustand weiter untersucht. Spontane Hirnaktivität wurde lange Zeit als Gaußsches Rauschen ohne spezielle Informationen angesehen. Umfangreiche Studien konnten jedoch zeigen, dass Messungen des Ruhezustandes, sowohl fMRT als auch M/EEG, Information bezüglich der Sub-Netzwerke tragen, die Hirnfunktionen der Wahrnehmung und Kognition unterstützen. Besonders in Bezug auf die Wahrnehmung mit absolutem Gehör konnte festgestellt werden, dass Umgebungstöne wie die Sirene eines Krankenwagens unbewusst hinsichtlich der Tonklasse erkannt werden. Diese Erkenntnis stützt die Annahme, dass das aG-Netzwerk auch im Ruhezustand aktiv ist. Mit Hilfe der fMRT-Daten wurde festgestellt, dass die Kreuzkorrelation zwischen dem stark myelinisierten rechten planum polare und weiteren kortikalen Arealen wie dem rechten lateral- superioren temporalen Gyrus, der anterioren insula und dem linken inferior-frontalen Kortex in Musikern mit besserer aG-Performanz erhöht ist. Weiterhin wurde eine erhöhte Kreuzkorrelation zwischen dem rechten planum polare und dem medialen Teil des superior-frontalen Gyrus, dem anterioren cingulate Kortex und dem linken planum polare in Musikern mit noch besser aG- Performanz festgestellt. Die erhöhte funktionelle Kopplung der anterioren supra-temporalen Ebene mit dem linken inferior-frontalen Kortex bekräftigt die Hypothese, dass der ventrale auditorische Pfad in dem aG- spezifischen Netzwerk des Ruhezustands beteiligt ist. Bemerkenswerterweise zeigte das rechte planum polare eine erhöhte Kreuzkorrelation mit wichtigen Hub-regionen des Default-Mode Netzwerkes, also dem anterioren cingulate Kortex und medialen Teilen des superior-frontalen Kortex, sowie dem orbito-frontalen Kortex. Dies bedeutet eine Verknüpfung des auditorischen Netzwerkes und des Default-Mode Netzwerkes in Menschen mit absolutem Gehör und könnte mit aG-Prozessen zusammenhängen, die die spontane und unbewusste Erkennung des absoluten Gehörs erlauben. Schlussfolgerung In dieser Dissertation wurden MRT-Daten von Musikern mit absolutem Gehör untersucht und damit zur Erweiterung des Wissensstandes bezüglich der Myelinarchitektur und der damit zusammenhängenden funktionellen Konnektivität des auditorischen Kortex beigetragen. Die Ergebnisse sprechen zugunsten der Einbindung des ventralen auditorischen Pfades, bekannt für die Verarbeitung räumlich-invarianter Eigenschaften auditorischer Objekte. Weitere Untersuchungen bezüglich des neuronalen Verhaltens des auditorischen Kortex in Verbindung mit der Myelinarchitektur sind notwendig, um quantitative Modelle des absoluten Gehörs entwickeln zu können.