Plasticity in the neural coding of auditory space in the mammalian brain

Sound localization relies on the neural processing of monaural and binaural spatial cues that arise from the way sounds interact with the head and external ears. Neurophysiological studies of animals raised with abnormal sensory inputs show that the map of auditory space in the superior colliculus is shaped during development by both auditory and visual experience. An example of this plasticity is provided by monaural occlusion during infancy, which leads to compensatory changes in auditory spatial tuning that tend to preserve the alignment between the neural representations of visual and auditory space. Adaptive changes also take place in sound localization behavior, as demonstrated by the fact that ferrets raised and tested with one ear plugged learn to localize as accurately as control animals. In both cases, these adjustments may involve greater use of monaural spectral cues provided by the other ear. Although plasticity in the auditory space map seems to be restricted to development, adult ferrets show some recovery of sound localization behavior after long-term monaural occlusion. The capacity for behavioral adaptation is, however, task dependent, because auditory spatial acuity and binaural unmasking (a measure of the spatial contribution to the “cocktail party effect”) are permanently impaired by chronically plugging one ear, both in infancy but especially in adulthood. Experience-induced plasticity allows the neural circuitry underlying sound localization to be customized to individual characteristics, such as the size and shape of the head and ears, and to compensate for natural conductive hearing losses, including those associated with middle ear disease in infancy.

Spatial processing in the auditory cortex of the macaque monkey

The patterns of cortico-cortical and cortico-thalamic connections of auditory cortical areas in the rhesus monkey have led to the hypothesis that acoustic information is processed in series and in parallel in the primate auditory cortex. Recent physiological experiments in the behaving monkey indicate that the response properties of neurons in different cortical areas are both functionally distinct from each other, which is indicative of parallel processing, and functionally similar to each other, which is indicative of serial processing. Thus, auditory cortical processing may be similar to the serial and parallel “what” and “where” processing by the primate visual cortex. If “where” information is serially processed in the primate auditory cortex, neurons in cortical areas along this pathway should have progressively better spatial tuning properties. This prediction is supported by recent experiments that have shown that neurons in the caudomedial field have better spatial tuning properties than neurons in the primary auditory cortex. Neurons in the caudomedial field are also better than primary auditory cortex neurons at predicting the sound localization ability across different stimulus frequencies and bandwidths in both azimuth and elevation. These data support the hypothesis that the primate auditory cortex processes acoustic information in a serial and parallel manner and suggest that this may be a general cortical mechanism for sensory perception.

Modular organization of intrinsic connections associated with spectral tuning in cat auditory cortex

Many response properties in primary auditory cortex (AI) are segregated spatially and organized topographically as those in primary visual cortex. Intensive study has not revealed an intrinsic, anatomical organizing principle related to an AI functional topography. We used retrograde anatomic tracing and topographic physiologic mapping of acoustic response properties to reveal long-range (≥1.5 mm) convergent intrinsic horizontal connections between AI subregions with similar bandwidth and characteristic frequency selectivity. This suggests a modular organization for processing spectral bandwidth in AI.

Role of cortical N-methyl-D-aspartate receptors in auditory sensory memory and mismatch negativity generation: implications for schizophrenia.

Working memory refers to the ability of the brain to store and manipulate information over brief time periods, ranging from seconds to minutes. As opposed to long-term memory, which is critically dependent upon hippocampal processing, critical substrates for working memory are distributed in a modality-specific fashion throughout cortex. N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors play a crucial role in the initiation of long-term memory. Neurochemical mechanisms underlying the transient memory storage required for working memory, however, remain obscure. Auditory sensory memory, which refers to the ability of the brain to retain transient representations of the physical features (e.g., pitch) of simple auditory stimuli for periods of up to approximately 30 sec, represents one of the simplest components of the brain working memory system. Functioning of the auditory sensory memory system is indexed by the generation of a well-defined event-related potential, termed mismatch negativity (MMN). MMN can thus be used as an objective index of auditory sensory memory functioning and a probe for investigating underlying neurochemical mechanisms. Monkeys generate cortical activity in response to deviant stimuli that closely resembles human MMN. This study uses a combination of intracortical recording and pharmacological micromanipulations in awake monkeys to demonstrate that both competitive and noncompetitive NMDA antagonists block the generation of MMN without affecting prior obligatory activity in primary auditory cortex. These findings suggest that, on a neurophysiological level, MMN represents selective current flow through open, unblocked NMDA channels. Furthermore, they suggest a crucial role of cortical NMDA receptors in the assessment of stimulus familiarity/unfamiliarity, which is a key process underlying working memory performance.

Decrements in auditory responses to a repeated conspecific song are long-lasting and require two periods of protein synthesis in the songbird forebrain.

Earlier work showed that playbacks of conspecific song induce expression of the immediate early gene ZENK in the caudo-medial neostriatum (NCM) of awake male zebra finches and that this response disappears with repeated presentations of the same stimulus. In the present study, we investigated whether repetitions of a song stimulus also elicited a decrement in the electrophysiological responses in the NCM neurons of these birds. Multiunit auditory responses in NCM were initially vigorous, but their amplitude decreased (habituated) rapidly to repeated stimulation, declining to about 40% of the initial response during the first 50 iterations. A similar time course of change was seen at the single unit level. This habituation occurred specifically for each song presented but did not occur when pure tones were used as a stimulus. Habituation to conspecific, but not heterospecific, song was retained for 20 h or longer. Injections of inhibitors of protein or RNA synthesis at the recording site did not affect the initial habituation to a novel stimulus, but these drugs blocked the long-term habituation when injected at 0.5-3 h and at 5.5-7 h after the first exposure to the stimulus. Thus, at least two waves of gene induction appear to be necessary for long-lasting habituation to a particular song.

Using auditory hallucinations as a therapeutic tool.

This paper integrates psychodynamic and cognitive theories understanding of schizophrenia and the function of auditory hallucinations to propose five principles for the successful treatment of auditory hallucinations within schizophrenia; connection, education, collaboration, empowerment, and independence. Pharmacological and biological research is acknowledged and integrated into psychological treatment using case information based on an autobiographical novel by a person diagnosed with schizophrenia.

Évaluation électrophysiologique auditive et examen du langage et de l’attention chez l’enfant né prématurément et l’enfant né à terme

L’objectif de cette thèse est l’étude du développement de l’attention auditive et des capacités de discrimination langagière chez l’enfant né prématurément ou à terme. Les derniers mois de grossesse sont particulièrement importants pour le développement cérébral de l’enfant et les conséquences d’une naissance prématurée sur le développement peuvent être considérables. Les enfants nés prématurément sont plus à risque de développer une variété de troubles neurodéveloppementaux que les enfants nés à terme. Même en l’absence de dommages cérébraux visibles, de nombreux enfants nés avant terme sont à risque de présenter des troubles tels que des retards langagiers ou des difficultés attentionnelles. Dans cette thèse, nous proposons donc une méthode d’investigation des processus préattentionnels auditifs et de discrimination langagière, à l’aide de l’électrophysiologie à haute densité et des potentiels évoqués auditifs (PEAs). Deux études ont été réalisées. La première visait à mettre sur pied un protocole d’évaluation de l’attention auditive et de la discrimination langagière chez l’enfant en santé, couvrant différents stades de développement (3 à 7 ans, 8 à 13 ans, adultes ; N = 40). Pour ce faire, nous avons analysé la composante de Mismatch Negativity (MMN) évoquée par la présentation de sons verbaux (syllabes /Ba/ et /Da/) et non verbaux (tons synthétisés, Ba : 1578 Hz/2800 Hz ; Da : 1788 Hz/2932 Hz). Les résultats ont révélé des patrons d’activation distincts en fonction de l’âge et du type de stimulus présenté. Chez tous les groupes d’âge, la présentation des stimuli non verbaux a évoqué une MMN de plus grande amplitude et de latence plus rapide que la présentation des stimuli verbaux. De plus, en réponse aux stimuli verbaux, les deux groupes d’enfants (3 à 7 ans, 8 à 13 ans) ont démontré une MMN de latence plus tardive que celle mesurée dans le groupe d’adultes. En revanche, en réponse aux stimuli non verbaux, seulement le groupe d’enfants de 3 à 7 ans a démontré une MMN de latence plus tardive que le groupe d’adulte. Les processus de discrimination verbaux semblent donc se développer plus tardivement dans l’enfance que les processus de discrimination non verbaux. Dans la deuxième étude, nous visions à d’identifier les marqueurs prédictifs de déficits attentionnels et langagiers pouvant découler d’une naissance prématurée à l’aide des PEAs et de la MMN. Nous avons utilisé le même protocole auprès de 74 enfants âgés de 3, 12 et 36 mois, nés prématurément (avant 34 semaines de gestation) ou nés à terme (au moins 37 semaines de gestation). Les résultats ont révélé que les enfants nés prématurément de tous les âges démontraient un délai significatif dans la latence de la réponse MMN et de la P150 par rapport aux enfants nés à terme lors de la présentation des sons verbaux. De plus, les latences plus tardives de la MMN et de la P150 étaient également corrélées à des performances langagières plus faibles lors d’une évaluation neurodéveloppementale. Toutefois, aucune différence n’a été observée entre les enfants nés à terme ou prématurément lors de la discrimination des stimuli non verbaux, suggérant des capacités préattentionnelles auditives préservées chez les enfants prématurés. Dans l’ensemble, les résultats de cette thèse indiquent que les processus préattentionnels auditifs se développent plus tôt dans l'enfance que ceux associés à la discrimination langagière. Les réseaux neuronaux impliqués dans la discrimination verbale sont encore immatures à la fin de l'enfance. De plus, ceux-ci semblent être particulièrement vulnérables aux impacts physiologiques liés à la prématurité. L’utilisation des PEAs et de la MMN en réponse aux stimuli verbaux en bas âge peut fournir des marqueurs prédictifs des difficultés langagières fréquemment observées chez l’enfant prématuré.

Contribuição para a validação da escala "children's auditory processing performance scale" para a população portuguesa

A perturbação do processamento auditivo pode afectar negativamente o comportamento auditivo da criança, levando, entre outros, a um baixo rendimento escolar e a alterações do comportamento. Por este motivo é importante a identificação precoce desta perturbação. No entanto em Portugal não se encontra nenhum instrumento de medida disponível para o efeito, o que motivou este estudo. Assim sendo, este estudo tem como objectivos a tradução, adaptação cultural e validação da escala Children's Auditory Processing Performance Scale (CHAPPS) (Smoski, Brunt, & Tannahill, 1992) para o Português Europeu. Depois de traduzida e adaptada culturalmente a escala foi validada. Esta foi administrada a 154 indivíduos, dos quais 125 eram pais/encarregados de educação e 29 eram professores de crianças em idade escolar, do 1º ciclo. A versão portuguesa da escala (P-CHAPPS) apresentou uma excelente consistência interna (=0,950), estabilidade temporal e uma correlação entre as subescalas e o total com valores entre 0,581 e 0,857. As características psicométricas da P-CHAPPS revelam que esta pode ser utilizada na população portuguesa, ficando assim disponível, em Portugal um instrumento de medida a ser utilizado na identificação precoce das perturbações do processamento auditivo.

Riconoscimento delle emozioni tramite strumentazione per EEG

Lo scopo di questa trattazione è quindi di illustrare il lavoro svolto nel tentativo di classificare le reazioni emozionali ad immagini con una forte carica emozionale, sia positiva che negativa. A tale scopo sono stati acquisiti i segnali EEG di diversi soggetti durante l’esposizione ad immagini di vario contenuto, insieme alla loro reazione dichiarata alle immagini stesse. Queste sono state immagazzinate, elaborate utilizzando diversi metodi di estrazione delle informazioni, ed infine si è tentato di effettuare un riconoscimento di pattern sui segnali tramite algoritmi di apprendimento supervisionato; i dati sono stati quindi divisi tra dati di “training”, utilizzati per la strutturazione dell’algoritmo, e dati di test, necessari per la verifica dell’affidabilità dell’algoritmo.

Évaluation électrophysiologique auditive et examen du langage et de l’attention chez l’enfant né prématurément et l’enfant né à terme

L’objectif de cette thèse est l’étude du développement de l’attention auditive et des capacités de discrimination langagière chez l’enfant né prématurément ou à terme. Les derniers mois de grossesse sont particulièrement importants pour le développement cérébral de l’enfant et les conséquences d’une naissance prématurée sur le développement peuvent être considérables. Les enfants nés prématurément sont plus à risque de développer une variété de troubles neurodéveloppementaux que les enfants nés à terme. Même en l’absence de dommages cérébraux visibles, de nombreux enfants nés avant terme sont à risque de présenter des troubles tels que des retards langagiers ou des difficultés attentionnelles. Dans cette thèse, nous proposons donc une méthode d’investigation des processus préattentionnels auditifs et de discrimination langagière, à l’aide de l’électrophysiologie à haute densité et des potentiels évoqués auditifs (PEAs). Deux études ont été réalisées. La première visait à mettre sur pied un protocole d’évaluation de l’attention auditive et de la discrimination langagière chez l’enfant en santé, couvrant différents stades de développement (3 à 7 ans, 8 à 13 ans, adultes ; N = 40). Pour ce faire, nous avons analysé la composante de Mismatch Negativity (MMN) évoquée par la présentation de sons verbaux (syllabes /Ba/ et /Da/) et non verbaux (tons synthétisés, Ba : 1578 Hz/2800 Hz ; Da : 1788 Hz/2932 Hz). Les résultats ont révélé des patrons d’activation distincts en fonction de l’âge et du type de stimulus présenté. Chez tous les groupes d’âge, la présentation des stimuli non verbaux a évoqué une MMN de plus grande amplitude et de latence plus rapide que la présentation des stimuli verbaux. De plus, en réponse aux stimuli verbaux, les deux groupes d’enfants (3 à 7 ans, 8 à 13 ans) ont démontré une MMN de latence plus tardive que celle mesurée dans le groupe d’adultes. En revanche, en réponse aux stimuli non verbaux, seulement le groupe d’enfants de 3 à 7 ans a démontré une MMN de latence plus tardive que le groupe d’adulte. Les processus de discrimination verbaux semblent donc se développer plus tardivement dans l’enfance que les processus de discrimination non verbaux. Dans la deuxième étude, nous visions à d’identifier les marqueurs prédictifs de déficits attentionnels et langagiers pouvant découler d’une naissance prématurée à l’aide des PEAs et de la MMN. Nous avons utilisé le même protocole auprès de 74 enfants âgés de 3, 12 et 36 mois, nés prématurément (avant 34 semaines de gestation) ou nés à terme (au moins 37 semaines de gestation). Les résultats ont révélé que les enfants nés prématurément de tous les âges démontraient un délai significatif dans la latence de la réponse MMN et de la P150 par rapport aux enfants nés à terme lors de la présentation des sons verbaux. De plus, les latences plus tardives de la MMN et de la P150 étaient également corrélées à des performances langagières plus faibles lors d’une évaluation neurodéveloppementale. Toutefois, aucune différence n’a été observée entre les enfants nés à terme ou prématurément lors de la discrimination des stimuli non verbaux, suggérant des capacités préattentionnelles auditives préservées chez les enfants prématurés. Dans l’ensemble, les résultats de cette thèse indiquent que les processus préattentionnels auditifs se développent plus tôt dans l'enfance que ceux associés à la discrimination langagière. Les réseaux neuronaux impliqués dans la discrimination verbale sont encore immatures à la fin de l'enfance. De plus, ceux-ci semblent être particulièrement vulnérables aux impacts physiologiques liés à la prématurité. L’utilisation des PEAs et de la MMN en réponse aux stimuli verbaux en bas âge peut fournir des marqueurs prédictifs des difficultés langagières fréquemment observées chez l’enfant prématuré.

Intracranial EEG correlates of implicit relational inference within the hippocampus

Drawing inferences from past experiences enables adaptive behavior in future situations. Inference has been shown to depend on hippocampal processes. Usually, inference is considered a deliberate and effortful mental act which happens during retrieval, and requires the focus of our awareness. Recent fMRI studies hint at the possibility that some forms of hippocampus-dependent inference can also occur during encoding and possibly also outside of awareness. Here, we sought to further explore the feasibility of hippocampal implicit inference, and specifically address the temporal evolution of implicit inference using intracranial EEG. Presurgical epilepsy patients with hippocampal depth electrodes viewed a sequence of word pairs, and judged the semantic fit between two words in each pair. Some of the word pairs entailed a common word (e.g.,‘winter - red’, ‘red - cat’) such that an indirect relation was established in following word pairs (e.g, ‘winter - cat’). The behavioral results suggested that drawing inference implicitly from past experience is feasible because indirect relations seemed to foster ‘fit’ judgments while the absence of indirect relations fostered 'do not fit' judgments, even though the participants were unaware of the indirect relations. A event-related potential (ERP) difference emerging 400 ms post-stimulus was evident in the hippocampus during encoding, suggesting that indirect relations were already established automatically during encoding of the overlapping word pairs. Further ERP differences emerged later post-stimulus (1500 ms), were modulated by the participants' responses and were evident during encoding and test. Furthermore, response-locked ERP effects were evident at test. These ERP effects could hence be a correlate of the interaction of implicit memory with decision-making. Together, the data map out a time-course in which the hippocampus automatically integrates memories from discrete but related episodes to implicitly influence future decision making.

Auditory message studies for route diversion. Final report.

Mode of access: Internet.

Further studies on auditory messages. Final report.

Mode of access: Internet.

Cumulative auditory effects resulting from multiple exposure to intense acoustic stimulation.

Pt. 1. Deafening effects of noise on the cat -- Pt. 2. Histological effects of intense sound on the inner ear.