Studying Adaptation to Sound-Source Azimuth in the Auditory System of the Mongolian gerbil (Meriones unguiculatus)

Locating the source of a sound is a key task of the auditory system and important for the survival of most species. In the present study we investigated target range adaptation in encoding of free-field spatial localization. Our goal was to search for neural correlates of sound location adaptation that could account for the differences observed during sound-localization tasks in which human listeners change their motor responses to locate a sound when this is embedded in different spatial contexts. We reasoned that the spike count to a given sound location should change in a systematic way in different contexts. That is, we expected to observe statistically different spike counts to be elicited by a speaker located at, say, -60 deg azimuth when embedded in a block of presentations encompassing the frontal hemifield (reference block) than when embedded in a block encompassing half a hemifield, i.e. from -90 to 0 deg (left-side block) or from 0 to +90 deg (right-side block). For this purpose we performed in vivo extracellular recordings from the left inferior colliculus (IC) and the right medial geniculate body of the thalamus (MGB) of anesthetized Mongolian gerbils (Meriones unguiculatus). To characterize spatial tuning we recorded rate-azimuth functions (RAFs), i.e. spike rate as a function of azimuth location. The statistical analysis performed on the IC units confirmed that spike rates in the contralateral block of stimulation but not in the ipsilateral block were systematically lower than their reference block counterparts. In contrast, in the MGB spike rates in the contralateral block did not differ significantly from those observed in the reference block. Our data show that depending on the spatial context neurons in the inferior colliculus (IC) but not in the medial geniculate body (MGB) systematically change their firing rates. Neural adaptation resulted in a systematic shift of RAF in IC units. Interestingly, this effect was only observed for the contralateral stimulation block relative to the recording hemisphere locations. Another part of our study was focused on the 0 deg azimuth location, which is the only sound-source position shared between all three stimulation blocks. Interestingly, adaptation effects were only found when 0-deg azimuth was embedded in the contralateral block and not when embedded in the ipsilateral block. In our experiment we showed an adaptation effect in neurons that could partially account for the behavioral response observed in humans. Furthermore, although we have seen adaptation for most IC units, it is noteworthy that not all units exhibit this trend, suggesting the presence of subpopulations of neurons that are unable to adapt. Further verification of this preliminary finding is needed to rule out effects that might be due to limitations in our experimental procedure.

Localizzare la fonte di un suono è un compito chiave del sistema uditivo e importante per la sopravvivenza della maggior parte delle specie. In questo lavoro di tesi abbiamo studiato l'adattamento nella codifica della localizzazione spaziale del suono. Il nostro obiettivo era cercare i correlati neurali dell’adattamento neurale alla localizzazione del suono che potessero spiegare le differenze osservate in ascoltatori umani che cambiano le loro risposte motorie per localizzare un suono quando questo è incorporato in diversi contesti spaziali. Abbiamo pensato che il numero dei potenziali d’azione in una data posizione del suono dovesse cambiare in modo sistematico in contesti diversi. Nella fattispecie ci aspettavamo di osservare numeri di potenziali d’azione statisticamente diversi evocati da uno stimolo situato, ad es., a -60 gradi quando incorporato in un blocco di presentazioni che comprende l'emicampo frontale (blocco di riferimento) rispetto a quando incorporato in un blocco che comprende mezzo emicampo, cioè da -90 a 0 gradi (blocco sinistro) o da 0 a +90 gradi (blocco destro). A tal fine abbiamo eseguito registrazioni extracellulari in vivo dal collicolo inferiore sinistro (IC) e dal corpo genicolato mediale destro del talamo (MGB) di gerbilli mongoli anestetizzati (Meriones unguiculatus). Per caratterizzare il campo recettivo spaziale abbiamo registrato le funzioni rate-azimuth (RAF), ovvero la frequenza di scarica in funzione della posizione angolare. L'analisi statistica eseguita sulle unità dell’IC ha confermato che le frequenze di scarica neuronali nel blocco di stimolazione controlaterale ma non nel blocco ipsilaterale erano sistematicamente inferiori rispetto alle controparti del blocco di riferimento. Al contrario, nel MGB le frequenze di scarica nel blocco controlaterale non differivano significativamente da quelle osservate nel blocco di riferimento. I nostri dati mostrano che, a seconda del contesto spaziale, i neuroni nell’ IC ma non nel MGB cambiano sistematicamente le loro frequenze di scarica. L'adattamento neurale ha portato a uno spostamento sistematico della RAF nelle unità IC. È interessante notare che questo effetto è stato osservato solo per il blocco di stimolazione controlaterale relativo alle posizioni dell'emisfero di registrazione. Un'altra parte del nostro studio si è concentrata sulla posizione di 0 gradi, che è l'unica posizione della sorgente sonora condivisa tra tutti e tre i blocchi di stimolazione. È interessante notare che gli effetti di adattamento sono stati trovati solo quando l'azimuth di 0° era incorporato nel blocco controlaterale e non quando era incorporato nel blocco ipsilaterale. Nel nostro esperimento abbiamo mostrato un effetto di adattamento nei neuroni che potrebbe in parte spiegare la risposta comportamentale osservata negli esseri umani. Inoltre, sebbene abbiamo osservato l'adattamento per la svariate unità IC, è degno di nota il fatto che non tutte le unità mostrino questa tendenza, suggerendo la presenza di sottopopolazioni di neuroni che non sono in grado di adattarsi. È necessaria un'ulteriore verifica di questo risultato preliminare per escludere effetti che potrebbero essere dovuti a limitazioni nella nostra procedura sperimentale.