- AutorIn
- M. Sc. Philip Marius Ruthig
- Titel
- Lateral Specializations of Microanatomy in the mammalian Auditory Cortex
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-841526
- Datum der Einreichung
- 15.07.2022
- Datum der Verteidigung
- 03.02.2023
- Abstract (DE)
- In dieser Arbeit untersuche ich die hemisphärischen Spezialisierungen des frühen auditorischen cortikalen Systems bei Säugetieren, wobei der Schwerpunkt auf der Verarbeitung vokaler Kommunikation liegt. Das erste Hauptkapitel (2.2) ist ein Literaturübersichtskapitel, das den aktuellen Stand der Wissenschaft über die Lateralisierung der Verarbeitung von Kommunikationslauten im auditorischen Cortex (AC) von Menschen, nicht-menschlichen Primaten und Nagetieren zusammenfasst. Durch funktionelle Bildgebung beim Menschen wurde eine linkshemisphärische Präferenz für einige Merkmale von Sprache gezeigt, die hauptsächlich abhängig von zeitlicher und spektraler Komplexität der genutzten Stimuli sind. Dieses Modell der AC-Lateralisierung basiert auf zwei sich ergänzenden Theorien von David Poeppel und Robert Zatorre, die stimulusspezifische Spezialisierung des rechten und linken AC beschreiben. Es ist jedoch unklar, inwieweit diese Spezialisierung durch eine Bottom-up-Selektivität für akustische Merkmale von Stimuli oder durch eine Top-down-Modulation aus anderen corticalen Spracharealen begründet ist. Ein hilfreiches Modell für eine Untersuchung dieser Fragen sind nichtmenschliche Primaten. Obwohl nichtmenschliche Primaten eine weniger ausgeprägte funktionelle Lateralisierung im AC zeigen, sind die Eigenschaften der AC-Felder und das auf lateral asymmetrischen Prozessen basierte Verhalten qualitativ ähnlich zum menschlichen Äquivalent. Studien an Nagetieren zeigen sogar mikrostrukturelle neuronale Verschaltungen, die der Bottom-up-Selektivität für akustische Merkmale in beiden Hemisphären zugrunde liegen könnten. Funktionell ist der linke AC der Maus speziell auf Kommunikationsrufe abgestimmt, während der rechte AC eine eher allgemeine Rolle erfüllt. Außerdem zeigen Nager auch eine anatomische Lateralisierung des AC, z. B. hinsichtlich der Größe und intracorticaler Konnektivität. Analog zur Maus sind auch einige dieser funktionellen und anatomischen Merkmale im menschlichen AC lateralisiert sind. Somit weist die Verarbeitung komplexer vokaler Kommunikation bei Nagetieren und Primaten gemeinsame Merkmale auf. Meiner Ansicht nach ist eine Synthese der Ergebnisse von Menschen, nichtmenschlichen Primaten und Nagetieren notwendig, um die neuronalen Schaltkreise der vokalen Kommunikationsverarbeitung zu identifizieren. Allerdings sind Daten, die in verschiedenen Arten generiert wurden und die jeweils genutzten Methoden oft schwer zu vergleichen - jüngste Fortschritte könnten jedoch eine bessere Integration von Methoden über verschiedene Spezies hinweg ermöglichen. Bemühungen um eine Standardisierung von Datenformaten und Analysewerkzeugen würden der vergleichenden Forschung zugutekommen und Synergien zwischen psychologischer und biologischer Forschung auf dem Gebiet der vokalen Kommunikationsverarbeitung und der auditorischen Neurowissenschaften im Allgemeinen ermöglichen. In meiner zweiten Publikation (Kapitel 3.1) beschreibe ich die in dieser Arbeit generierten Daten und beschreibe ausführlich das verwendete Gewebeklärungsverfahren iDISCO+ sowie Details des lichtmikroskopischen Aufbaus und der Aufnahme. Darüber hinaus gewähre ich vollen Zugang zu den Rohdaten auf der Datenbank BioImage Archive und stelle dar, wie die Daten in Zukunft wiederverwendet werden könnten. Die zur Verfügung gestellten Daten sind Aufnahmen von ganzen Maushirnen die einer immunhistochemische Färbung von neuronalen Zellkörpern (HuC/HuD), Zellkernen (TO-PRO-3), myelinisierten Neuriten (Myelin Basic Protein) unterzogen wurden. Weiterhin wurde auch die Autofluoreszenz aufgenommen. Für alle Kanäle stelle ich Übersichtsdaten des gesamten Gehirns zur Visualisierung und Registrierung sowie eine detaillierte Ansicht der sensorischen cortikalen Felder auf Zellebene (0,54 x 0,54 x 6 µm Voxelgröße XYZ) zur Analyse bereit. Die Daten erlauben beispielsweise Analysen hinsichtlich der räumlichen Zellverteilung, Zelldichten und Faserrichtungen innerhalb des Neocortex und können für Forscher, die die cortikale Mikrostruktur im auditorischen, visuellen oder anderen benachbarten Regionen des Neocortex untersuchen, eine wertvolle Grundlage bieten. Im letzten Kapitel dieser Arbeit analysiere ich die oben genannten Daten, um die hemisphärischen Spezialisierungen im linken und rechten AC von Mäusen zu quantifizieren. Während die Dominanz der linken Hemisphäre bei der Verarbeitung vokaler Kommunikation seit Jahrzehnten auch bei der Maus dokumentiert ist, sind die zugrundeliegenden strukturellen Eigenschaften nicht bekannt. In dieser Studie habe ich den linken und rechten primären AC von Mäusen auf zellulärer Ebene untersucht. Dort habe ich die räumlichen Verteilungen der neuronalen Zellkörper und der intracortikalen Faserrichtungen gemessen. Wir finden lateralisierte Spezialisierungen in der cortikalen Myelinisierung, die individuell variabel und möglicherweise geschlechterabhängig sind. Wir zeigen auch, dass die räumliche Verteilung der neuronalen Zellkörper im linken und rechten AC weitgehend symmetrisch ist. Im linken AC ist der mittlere Abstand zwischen den neuronalen Zellkörpern tendenziell größer. Der linke AC weist auch insgesamt eine höhere Zelldichte auf. Unsere Ergebnisse unterstützen eine geschlechtsspezifische hemisphärischen Spezialisierung der Myelinisierung im AC und einer mikrostrukturellen Asymmetrie des linken und rechten AC auf Zellebene. Darüber hinaus habe ich die verwendete iDISCO+-Methode an Primatengewebe angepasst und die Durchführbarkeit einer dreidimensionalen Bewertung der Mikrostruktur im Neocortex nicht-menschlicher Primaten gezeigt. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass sich funktionelle Spezialisierungen des AC in strukturellen Unterschieden im linken und rechten AC von Mäusen manifestieren. Um die Frage der Reizverarbeitung im AC von Säugetieren weiter zu untersuchen, ist es vielversprechend, Ergebnisse von mehreren Spezies zu einem gemeinsamen Modell des AC zu integrieren. Die Organisation der auditorischen Areale ist bei nicht-menschlichen Primaten und Säugetieren vergleichbar. Dasselbe gilt für die meisten funktionellen und verhaltensbezogenen Asymmetrien. Daher möchte ich dazu ermutigen, mehr Studien durchzuführen, die Vergleiche zwischen verschiedenen Arten beinhalten.
- Abstract (EN)
- In this thesis, I investigate hemispheric specializations of the early auditory cortical system in mammals, with a focus on vocal communication processing. The first main chapter (2.2) is a review chapter which summarizes recent findings on the lateralization of communicative sound processing in the auditory cortex (AC) of humans, non-human primates, and rodents. Functional imaging in humans has demonstrated a left hemispheric preference for some features of speech, mostly dependent on temporal and spectral complexity. This model of AC lateralization is based on two complemental theories proposed by David Poeppel and Robert Zatorre, focusing on stimulus specific specialization of right and left AC. However, it is unclear to which degree this is caused by bottom-up acoustic feature selectivity or top-down modulation from higher-order language areas. A helpful model for these questions are non-human primates. Although non-human primates show a less pronounced functional lateralization in AC, the properties of AC fields and behavioral asymmetries are qualitatively similar. Rodent studies even demonstrate microstructural circuits that might underlie bottom-up acoustic feature selectivity in both hemispheres. Functionally, the left AC in the mouse appears to be specifically tuned to communication calls, whereas the right AC may have a more ‘generalist’ role. Rodents also show anatomical AC lateralization, such as differences in size and connectivity. Several of these functional and anatomical characteristics are also lateralized in human AC. Thus, complex vocal communication processing shares common features among rodents and primates, including humans. We argue that a synthesis of results from humans, non-human primates, and rodents is necessary to identify the neural circuitry of vocal communication processing. However, data from different species and methods are often difficult to compare. Recent advances may enable better integration of methods across species. Efforts to standardize data formats and analysis tools would benefit comparative research and enable synergies between psychological and biological research in the area of vocal communication processing and auditory neuroscience in general. In my second publication (chapter 3.1), I describe the data generated in this thesis, and comprehensively describe the employed iDISCO+ tissue clearing procedure and details of the light sheet microscopic setup. Furthermore, I give full access to the raw data on BioImage Archive and discuss incentives for future reuse of the data. The stained and cleared mouse brains feature an immunohistochemical staining of neuronal cell bodies (HuC/HuD), cell nuclei (TO-PRO-3), myelinated neurites (Myelin Basic Protein), and an autofluorescence channel. For all channels, I provide whole-brain overview data for visualization and registration and a detailed view of sensory cortical areas on cellular level (0.54 x 0.54 x 6 µm voxel size XYZ) for analysis. The data provide insight into cell distribution, cell densities and fibre directions in the neocortex and can be a valuable asset for projects investigating cortical microstructure in auditory, visual, or other neighboring regions of the neocortex. In chapter 3.2, I analyze the data to quantify hemispheric specializations in the left and right AC of mice. While left hemispheric dominance for the processing of vocal communication has been documented for decades, underlying structural properties remain poorly understood. In this study, I map the left and right primary AC of mice on a cellular level. I measured distributions of cell body locations and intracortical fiber directions. I find lateralized specializations in cortical myelination that are individually variable, and possibly sex dependent. I also show that the spatial distribution of neuronal cell bodies is largely symmetric in the left and right AC. In the left AC, there is a tendency for higher mean distance between neuronal cell bodies. The left AC also shows higher cell density overall. The results support the notion of a sex-specific hemispheric specialization of AC myelination and a microstructural asymmetry of the left and right AC on neuronal cell level. Furthermore, I adapted the employed iDISCO+ methodology to primate tissue and demonstrated the feasibility of microstructural three-dimensional assessment of microstructure in the non-human primate neocortex. In conclusion, these results demonstrate that functional specializations manifest in structural differences in the left and right AC of mice. To further investigate the question of stimulus processing in the AC of mammals, it is worthwhile to integrate findings from multiple species. The organization of auditory areas is quite conserved across non-human primates and mammals, and the same applies for most functional and behavioral asymmetries. Therefore, I want to encourage more studies to include comparisons across different species.
- Freie Schlagwörter (DE)
- Neurobiologie, Hören, Neuroanatomie
- Freie Schlagwörter (EN)
- Neurobiology, Hearing, Neuroanatomy
- Klassifikation (DDC)
- 570
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Universität Leipzig, Leipzig
- Version / Begutachtungsstatus
- angenommene Version / Postprint / Autorenversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-841526
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 20.03.2023
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
- CC BY 4.0
- Inhaltsverzeichnis
TABLE OF CONTENTS LATERAL SPECIALIZATIONS OF MICROANATOMY IN THE MAMMALIAN AUDITORY CORTEX I SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG II ACKNOWLEDGEMENTS III BIBLIOGRAPHISCHE DARSTELLUNG IV ABBREVIATIONS VIII ABSTRACT IX ZUSAMMENFASSUNG XI 1 INTRODUCTION 1 1.1 MOTIVATION & AIM OF THIS STUDY 1 1.2 STRUCTURE OF THE THESIS 1 2 BACKGROUND 3 2.1 PERIPHERY OF THE AUDITORY CORTEX – INFERIOR COLLICULUS, MEDIAL GENICULATE BODY AND HIGHER ORDER NEOCORTICAL NETWORKS 3 2.2 COMMON PRINCIPLES IN THE LATERALIZATION OF AUDITORY CORTEX STRUCTURE AND FUNCTION FOR VOCAL COMMUNICATION IN PRIMATES AND RODENTS 4 2.2.1 Abstract 4 2.2.2 Introduction 4 2.2.3 Human language processing in auditory cortex is lateralized due to bottom-up and top-down mechanisms 5 2.2.4 New invasive methods in animal models allow unprecedented assessment of AC communication circuitry 7 2.2.5 Side preferences in vocal behaviors reflect brain lateralization across several species 8 2.2.6 Basic acoustic features and their cortical processing in mammalian vocal communication 9 2.2.7 Animal models provide insight into characteristics of AC fields 11 2.2.8 A possible microanatomical basis of lateralized processing 15 2.2.9 Current technology could enable synthesis of animal and human data 17 2.2.10 Conclusion 19 2.2.11 Acknowledgements 19 3 LIGHT SHEET MICROSCOPY SHOWS LATERALIZED MICROSTRUCTURE IN MOUSE AC 21 3.1 NEURONS, NUCLEI, AND MYELINATED NEURITES IN MOUSE SENSORY NEOCORTEX IMAGED WITH LIGHT SHEET MICROSCOPY 22 3.1.1 Abstract 22 3.1.2 Background & Summary 22 3.1.3 Methods 23 3.1.4 Data Records 26 3.1.5 Technical Validation 26 3.1.6 Usage Notes 26 3.1.7 Code Availability 27 3.1.8 Acknowledgements 27 3.1.9 Author contributions 27 3.1.10 Competing interests 27 3.1.11 Figures 28 3.1.12 Tables 31 3.2 MOUSE AUDITORY CORTEX MICROANATOMY IS LATERALLY COMPLEX 33 3.2.1 Abstract 33 3.2.2 Introduction 33 3.2.3 Methods 34 3.2.4 Results 41 3.2.5 Discussion 46 3.2.6 Limitations of this study 50 3.2.7 Control analyses 51 3.2.8 Supplementary data 55 3.2.9 Code availability 58 3.2.10 Acknowledgments 58 4 IDISCO+ CLEARING IS ADAPTABLE TO MARMOSET TISSUE 59 4.1 TISSUE ACQUISITION AND ANIMAL KEEPING 59 4.2 METHODS 59 4.2.1 Tissue processing 59 4.2.2 MBP Molecular structure prediction and sequence alignment 59 4.3 COMPARISON OF MOUSE AND MARMOSET TISSUE AND THE CHALLENGES TO OVERCOME 59 4.4 CLEARING PROCEDURES FROM RODENT RESEARCH CAN BENEFIT PRIMATE RESEARCH 62 5 DISCUSSION 65 5.1 HOW DO WE COLOR IN THE BLACK BOXES THAT FMRI LEAVES BEHIND? 65 5.1.1 Invasive approaches can help advance functional models of AC function 66 5.1.2 Comparative approaches can deliver insight into putative neural networks 67 5.1.3 Data provided with this Thesis 68 5.2 CLINICAL RELEVANCE OF LATERALIZED PROCESSING IN AUDITORY CORTEX 68 5.3 CONCLUSION: MAMMALIAN AC FUNCTION IS BASED ON LATERALIZED CORTICAL NETWORKS 68 REFERENCES VII CURRICULUM VITAE XLV