Vlásková buňka: , Mimořádný mechanoreceptor obratlovců (1010 - 10-12m) postranní čára vestibulární aparát Cortiho orgán Anatomie a terminologie Mikrovily Rhabdomere Actin filamenfe Organization of sensory membráně of a ph ü to recept or in the fruit fty DfPSCpíiíVťJ |A) AtiiilDiiiy ui Li Drutuplütit pluitoreteptor. The sensury membrdnť fonn^i ii stmcliin', CiillitJ Ji rhftl)i]iHiu»nj, i'oiii|n<)Hi'(i of 50,000 mitiwilli. [R) Jhv niern-brane of thr mirmvilhis is hij»hly orßrinizprl hy ,1 sraffolding protein called ] iSf AI > {C), ivhich hinds io pmfpins in Hip fytnsnl iind pLdsn« membráně. l'F.C und 1'fCC proteins i:,phü5phalo; 11% inu»i-lo I 1,'1,5-triphospriLitc: DAC, diacylRlycerol; NINAC. n form of myosln; PKC, prolein kinaseC; LU, endoplasmic reliculutn; SMC. subinicroťulprťisiďníe. NÍNAC Cilie, rasinky VLu'tDtubulre I h ii-:. .inn-. n ■ i -n \l --i .Li :n ■ FFgure 2,3 Cilium (A) Structure of a cilium from a sea urchin, embryo- Not* me basal body (bl?) a I iUa bis* ni Itts citlum (cl. Magnification {B} Somatic drawing of n cmss section of cilium. (A fromChakrabarti et. al- Figure 2.4 Formation of disks of a rod photoreceptor Disks are intiated at the base of the rod outer segment adjacent to a cilium. (After Steinberg, 19&G,) Kde jsou kanály? Na bázi? Ne, Tip links Ca na vrcholcích Zpoždění < 40us -ionotropní (A) (C) Excitation -> Inhibition M- Tip links stretched Tip links slackened Channels open Channels closed Statokinetické čidlo - vestibulární aparát Obratlovci: evolučně staré 2 typy informací, 2 principy detekce A. STATOCYST - MACULA □QBE -sensory cells axons -U-1-1— recording from axon -applied stimulus B. CANAL - CRISTA , ii . .Ji\i Jn . i..... i hi I I > \ » cupula _I_L Orgán postranní čáry Smyslem tohoto systému je detekovat vibrace okolní vody, což umožňuje detekci kořisti, predátora nebo i objektů v okolí, což má blízko k echolokaci. Něco jako hmat na dálku. Receptory jsou vláskové b. zvané neuromasty obklopené epiteliálními bb. a opatřené želatinózní čepičkou. Z kanálků se vyvinulo jak savčí ucho, tak elektroreceptory. Naproti tomu se už nikdy znovu neobjevil u savců, kteří se do vody vrátili sekundárně. Video Primárně statokinetické čidlo - vestibulární aparát Sekundárně lagena se sluchovou funkcí Obr. í 6.4 Vláskové bu ň ky astavba vn itŕn íh □ u c haobratlovcú {ptákaj^ Sl u ch ové ústroj í j e ve s pojen í se st atok ^ s váčky {arnpulami}, v nich! se pohy buj e ielati nožní kupu la, detekují rotační zrychlení (a}. Lineární zrychlení a gravitaci detekují tri políčka vlaskových buněk {utriculus, sacculus, lagena}3 krystal ky v ielatinózní čepice e {b}. Tretí úrgán -Cortiho -3lúuží jako sluchový (c}. Gravitace a lineární zrychlení způsobí pohyb kupuly utrikulu a sakulu Sustained head tilt; no linear acceleration Backward _ ^^^^ ^^fi^^ Forward ^^^^ No head tilt; transient linear acceleration Forward acceleration Backward acceleration Figure 1 Forces acting on the head result in displacement of the otoconia. This example illustrates displacement of the utricular macula. For each of the head tilts and linear accelerations, some set of hair cells will be maximally excited, whereas another set will be maximally inhibited, according to the orientation of the hair cells. Note that head tilts and linear accelerations—when matched in direction and magnitude—produce similar otoconial movement, demonstrating that the otolith organs respond to both gravity and linear acceleration. Rotační zrychlení způsobí ohyb kupuly v ampulách polokruhovitých chodeb |]Tín!ĽÍ un i ■ ľ - ■ I. i j --li n 1 M L NEUROBIOLOGY {/ Gary G. Matthews Primárně statokinetické čidlo - vestibulární aparát Sekundárně lagena se sluchovou funkcí Fish (Myxinc) Frog !3ird Marrmna] Sluch kaprovitých ryb Jak přenést vibrace na endolymfu. Ještě bez lageny. Sinus impar Perilymph Webeři an ossicles Transverse eudolymphatic canal Air bladder internal ear Figure 8.10 Weberian ossicles. The figure shows a horizontal section through the anterior region of the body of a carp (Cyprinus carpio). The arrows indicate the direction of vibratfons from the swim bladder to the sacculus. I, II, III, and IV indicate the four vertebrae from which the ossicles are derived. Modified from Romer, 1970 Sluch ptáků a savců Kůstky: převod ze vzduchu do kapaliny. 22x silnější Svaly: m.tensor tympani a m.stapedius statokinetické ústroji kovadlinka třmfnek kladívko cochlea (hlemýžď) scala vestibul! scala media scala tympani Sluchový aparát savců Vnitřní ucho Animace ear. http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120108/bio e.swf Tektoriální membrána Vlásky nsrvůví ch thj núk jed u ztjkotVwiy v můfflllrifi* [ neri znbrawnsl. Cortiho orgán: 25.000 vláskových buněk ve dvou řadách Cortiho orgán: 25.000 vláskových buněk ve dvou řadách Zobrazení frekvence Problém: max frekvence AP je mnohem nižší než max. frekvence zvuku Člověk rozliší 1000Hz Od 1003Hz JSB v uchu Video oválné 700 Hz okrouhlé ová|né okénko okénko okénko ^helikotrema hlemýžď (rozvinutý) - 1 -■2 -'3 KťMi :iľ iľ.i-Jli^'i- 3 000 Hz 500 lií 4.W0 ti/. :;:.h.i Ur hlemýžď (rozvinutý) vnitřní vnější vnitřní vnéjší „mlčící většina" ^^^_^^^^^_| C. Kochleární potenciály a rozložení elektrolytů v oddílech hlemýždě Nemáme mutantní linie vláskových buněk jako u háďátka. Pressure Cytoplasm Figure 7.6 Conceptual model of C. e/egans touch receptor. Explanation and nomenclature in text. From N. Tavemarakis and M. Dhscoli, 1997, ' Mol ecu far modelling of rrrechanotransduction in the nematode Caenorhabditis e!egans\ Annual Review of Physiology, 59, 679. With permission, from the Annual Review of Physiology, Volume 59. < 1997, by Annual Reviews www.annualreviews.org Analýza vrozených vad dokázala příbuznost proteinů vl. buněk a bezobratlých Figure 4 Inner-ear structure and hair-cell transduction model, a, Gross view of part of the inner ear. Sound is transmitted through the external ear to the tympanic membrane; the stimulus is transmitted through the middle ear to the fluid-filled inner ear. Sound is transduced by the coiled cochlea. br Cross-section through the cochlear duct. Hair cells are located in the organ of Corti, resting on the basilar membrane. cr Sou nd causes vibrations of the basilar membrane of the organ of Corti; because flexible hair-cell stereocilia are coupled to the overlying tectorial membrane, oscillations of the basilar membrane cause back-and-forth deflection of the hair bundles, d, Scanning electron micrograph of hair bundle (from chicken cochlea). Note tip links (arrows). er Proposed molecular model for hair-cell transduction apparatus. Obecný molekulární Princip mechanorecepce Dva druhy adaptace: rychlá a pomalá, obě stojí na intracelulárních změnách Ca, různé mechanismy. Rychlá: během milisekundy, konstatní síla vede k rychlému poklesu proudu. Ten je svázán s rychlým pohybem svazku v opačném směru směrem ke klidové poloze svazku. Při otevření vnější silou Ca proudí do buňky, ta zavře část kanálů, proud klesne. Má to mechanickou korelaci: svazek se pohne zpět od kinocilie. Pomalá: Pomalé uvolnění tenze vrátkovacích spojů. Stereocilie obsahují nejen aktin ale, i myosin - adjustace tenze. Celý operační rozsah buňky se přesune, takže transdukce bude nejcitlivější v této nové oblasti. Rychlá adaptace: Testy tuhosti a měření pohybu vlásků Kinocjlium Glass fiber Rychlá adaptace: Proti pohyb uzavírající kanály a tlačící svazek zpět. Stimulus 0 o < a £ -100 oj £ Pí -200 L % g § i ,£> ty 40 20 3. 0 X 0 10 20 30 Time (ms) 40 50 Rychlá - Ca do buňky, Část kanálů se zavře, Svazek se pohne zpět Od kinocilie Pomalá - uvolnění tenze vrátkovacích spojů Obě závislé na Ca2+ a Adaptation Bundle Transduction motor movement Box 2 Figure Hair-cell transduction and adaptation, a, Transduction and fast adaptation. At rest (left panel), transduction channels spend -5% of the time openr allowing a modest Ca-~ entry (pink shading). A positive deflection (middle] stretches the gating spring (drawn here as the tip link); the increased tension propagates to the gate of the transduction channel, and channels open fully. The resulting Ca2" flowing in through the channels shifts the channels' open probability to favour channel closure (right). As the gates close, they increase force in the gating spring, whichmovesthe bundle back in the direction of the original stimulus, b, Transduction and slow adaptation. Slow adaptation ensues when the motor (green oval) slides down the stereocilium (lower right), allowing channels to close. After the bundle is returned to rest (lower left), gating-spring tension is very low; adaptation re-establishes tension and returns the channel to the resting state._ Otevření kanálů vyvolá pohyb celého svazku a influx kationtů. Depolarizace. Ca pak kanály inhibuje. Platí i obráceně: depolarizace vede k pohybu vlásků - základ pro aktivní pohyby svazku. Důkaz elektro-mechanického spřažení StereGCilium Transduction channel Tip link Adaptation motor Actin core Negative displacement Cuticular piate Open probability = 0 Open probability = CM Rest Open probability = 1 Pomalá - uvolnění tenze vrátkovacích spojů Kochleární zesilovač vnějších buněk Kempový otoakustické emise 2 teorie: A) Pohyb svazků stereocílií díky mechanismu „rychlé adaptace" Kochleární zesilovač vnějších buněk Kempový otoakustické emise B) Membrána s prestinem - pohyb celých buněk Transfected cell 150 nm Stimulus 200. Hz 440 m V 100 ms „Tancujíce membrána 00858227^03^09 B) Membrána s prestinem - pohyb celých buněk" Elektro-mechanické spřažení Endolymph +80 mV MI fj. I dum i-lMlirX'h UTjHfII Sum.1 t'alLLuru L-friiuiubf upuci: InLTiiiiL talLiunk turk-Tiilrau'riiLis fcjfti Ciiluiijni-jutiviitf puLjsiiucii'.-JiuiuiuL-; lIuhu tnwrnaJ i;üfciitnitHiöttnrf-aiuHi NEUROBIOLOGY Gary G. Matthews dinnneh ehre KuiirVf üt*-f>olarizailäi^ L Dtpff'larijci uv pJi;i^_- C jJf i UIEI - IIAJIU J Elektrická rezonance bez nutnosti mechanické Mimo savce Vlastnosti kanálů určují rezonanční frekvenci Injected current Plec trkal resonance Injected current 2 mV 20 ms F =75 Hz Low channel density Slow Kfö* channels Ca channel -Ca2+ Fo=30ü Hz High channel density Fast K^g channels f. + K~ channel Ca K,., channels Ca 10 ms Hraniční spektrální citlivost pro různá vlákna sluchového nervu - Každý má své frekvenční optimum Před dvaceti lety se zdálo, že je to jasné: elektrická stimulace vnějších buněk způsobila protažení a zkrácení. Podstata je taková, že proudy vznikající ohybem vlásků způsobí elektromechanickým spřažením aktivní rezonanci vlastní buňky ve stejné frekvenci jakou má dopadající zvuk. Strategická pozice vnějších buněk by zesílila lokální vibrace Cortiho orgánu a přes přenos kapalinou i vnitřní buňky. Na molekulární úrovni se předpokládalo, že je tento mechanismus založen na motorovém proteinu zvaném prestin. Basolaterální strana vnějších vb je na něj bohatá. Může měnit tvar tak rychle jak se může měnit napětí na membráně - až do stovek kHz. Jenže to je jen in vitro. Hlavní komponentou kochleárního zesilovače jsou tedy asi svazky vlásků spíše než buňka samotná. Tato síla je produktem otevírání a zavírání iontových kanálů. Jde o podobný děj, jakým se iontové proudy přizpůsobují trvalému ohybu vlásků. Tato Ca dependentní adaptace je v savčích vnějších vláskových buňkách nesmírně rychlá a pomáhá jim nejlépe odpovídat na zvukové frekvence příslušející jejich poloze v kochlei. 8 -io I- -20 h inner ear spontaneous OAE barn owl rnoustached bat loudspeaker fl stimulus M f2 fr&<|uency human i i 4 6 8 frequency (kHz) 10 12 62 63 microphone distorsion product OAE 60 O- (/) 40 CD ■u "a I 20 ■u c 3 u 0 f1 f2 2f1-f2 3f1-2f2 2f2-f1 3f2-2f1 57 59 61 63 frequency (kHz) Kromě I Neuron Omezei pod 1 k i ! i TrW Rovnováha Vedení a zpracování signálu Nervus vestibulocochlearis - VIII. hlavový nerv Oba nervové provazce společně vstupují jako sluchově rovnovážný nerv mezi most a mozeček B. Vestibulárníčidlo; vliv na okulomotoriku pohyb hlavy vestibulárnl čidlo 1^. okohybné svaty jádra nervů okohybných svalů vestibulární jádra ke svalům pro opěrnou motoriku C. Vestibulární čidlo: vliv na opěrnou motoriku norma porucha Za významné se považují tyto projekce: 1- k míšním somatickým motoneuronům - zabezpečují reflexní udržování vzpřímeného postoje 2- do kůry věstibulárního mozečku a z něho - pro mozečkovou kontrolu vzpřímené polohy těla 3- k motorickým jádrům očnicových svalů - věstibulookulomotorický reflex. Jeho význam se projeví u rotujících obrazů prostředí, kdy se detaily velmi rychle ztratí. 4- spoje se zrakovou kůrou a s proprioreceptory ve svalech - integrace informací o orientaci a pohybu 5 - přes talamus do mozkové kůry - zřejmě umožňující vědomé rozeznávání polohy hlavy v prostoru Sluchová dráha 90% z vnitřních v.b. FIGURE 9,20 Schemata of auditory system pathway*. Not all pathway; are shown Although iheta are two parallel pathways note lha! mfMritation from both m comes together very early in the auditory system, at the superior olives. Sluchová dráha LKochleární jádra Některé neurony citlivé na výšku, ní jiné na série. Laterální inhibice. Šurr 2. Horní oliva - křížení nutné pro Lokalizaci. Analýza koincidence 3. Inf. coll. - spodní hrbolek Tekta 4. Geniculate komplex - poslední před kůrou. Mnoho eferentních vlák 5. Prim a sec. Kůra Ve srovnání se zrakem mnoho prác ještě před kůrou ve kmeni -Savci nejprve pouze noční. Až řeč lokalizována do kůry. Talamus Tektum Pons Varoli LuthllM -SpJol -hi-i| .l-i mi - <"'■'.n.ir >i>llkulili iĽimriľ-ťu-, í i. ■■■ ...... -DwmI ľmirnnmtiil ■Anwimnlral Tonotopická a bilaterální organizace primární kůry Neurony citlivé na modulované frekvence nebo volání Některé sloupce sumují aktivitu z obou uší, jiné reagují na vstup jen z jednoho ucha a umlkají, přicházejí-li vstupy z obou. Jsou zde bb, které nereagují jen na určité čisté tóny ale jsou naladěny na specificky modulované frekvence stoupavé nebo klesavé. Podobně jako to uvidíme u zrakové kůry, jsou tu buňky aktivované zcela specifickými druhy volání -v primární kůře makaků. Dokonce voláními individuálních jedinců. Primární a sekundární sluchová kůra: Ví se, že: odstranění primární sluchové kůry nevede ani k hluchotě ani k oslabení sluchu. Také není porušeno vnímání ani diskriminace jednoduchých tónů. Rozlišování intenzity a výšky je zřejmě funkcí vyšších podporových center. Vymizí ale schopnost detekovat krátce trvající zvuk. Zdravý postřehne už 40ms, postižená osoba potřebuje prodloužení až na 95ms. Je tu neschopnost rozlišit dva krátce po sobě navazující zvuky a neschopnost rozlišit časové pořadí několika zvuků. Objevují se také poruchy v rozlišení složitějších zvukových vzorců. Postižený člověk např. nedokáže detekovat drobnou změnu ve dvou rychle zahraných sekvencích několika tónů nebo není schopen rozlišit podobné hlásky jako ba-pa, da-ta, sa-za apod. Poškození sekundární sluchové kůry způsobuje sluchovou agnózii. Jde o neschopnost porozumět slyšenému. Primární sluchová kůra se tedy zřejmě uplatňuje v analýze místa zdroje zvuku a složitějších zvukových vzorců jako jsou fonémy (významotvorné hlásky v jazyce) nebo zvukové komunikační signály u zvířat. Sekundární sluchová kůra má tedy vztah k porozumění slyšeného, především řeči a ke sluchové paměti. Psychoakustika: Hlasitost není totéž co ir a frekvence není totéž c Izofonv 0.2 0.5 1 Frequency (kHz) WiliiyÁ^ZilIřSKfSy/aiTsTO 30.0 r Určení hlasitosti zvuku tise jeäté hlasitěji 44+4 ++ +4-4 +44+ cochlea vláknu sluchového nervu akční potenci ú ty pri působeni zvuku A. „Hlasitá a tichá" informace ve sluchová m nervu (zvuková frekvence nezmenená) Poznáme ldB ze lOOdB Důležité-odhaduje se z toho směr zvuku Čím hlasitější, tím větší rozsah zabere. Vlákna sl. nervu specializovaná na určitou hlasitost. 1500 2000 2500 Frequency (Hi) 3000 35O0 4000 Určení směru zvuku - dva klíče akustických tlaků B. Prostorové slyšení: zpoždění zvuku a rozdíl la tencí Za optimálních podmínek dokáže člověk lokalizovat v horizontální rovině zvukový zdroj s přesností na 4°, což odpovídá asi lOus . Ve směru vertikálním je tato detekce méně gřesná. Časový klíč spočívá v tom, že určitá fáze akustické vlny dorazí k jednomu uchu dřív než je druhému. Používá se pro lokalizaci nižších frekvencí zvuku, zhruba do 2kHz, kdežto intenzitní je nezbytný pro lokalizaci zvuků o vyšších frekvencích._ Prostorové slyšení - časový klíč 0°: ITD = 0 |Uí> -20* ITD = -2001' # • 20": ITD = 200 ^ -160": ITD = -200 u . O Q 1Ó0": JTD = 200 ^ W; ITD = 0 jfó (i) Sound wave s s \ s \ Soundwave Cochlear fibre 1 Koincidenční detektor Simultánně ,,Q S S \ S ^~ Coincidence detector (strong response! 1 Q \ S \ \ yv-WQ N \ \ ^ v ; Coincidence detector (no response) i s Offset I II 1 1 II 1 1 II 1 1 II 1 11111 11111 1 TTTTT 1 TTTTT Figure 9.8 (i) Phase locking and coincidence detection. The 1 cochlear fibre fires in response to every second peak in the 1 sound wave, (a) If cochlear fibres from opposite ears converge 1 on a coincidence detector the latter will fire if the two signals 1 are delivered within a few tens of microseconds of each other; 1 (b) if the time differential is greater the detector will respond 1 only weakly or not at all. (ii) The principle of source location by 1 way of interaural time differences (ITDs). A sound source (S) 1 equidistant from the two ears will stimulate a certain 1 coincidence detector (dark circle); a sound source further from 1 one ear than the other will stimulate a different coincidence 1 detector. LE — left ear; RE = right ear. Further explanation in 1 text. After Konishl. 1993 Ve středním mozku jsou skupiny neuronů fungující jako koincidenční detektory. Jsou aktivovány jen tehdy, dorazí-li signály z obou uší přibližně ve stejnou dobu. Soví koincidenční detektor je schopen zjistit rozdíly lOmikros. Jiná buňka bude tedy aktivní při poloze zvuku 10° jiná při 20°. Tvoří tak vlastně mapy zvukového prostoru. Má se za to, že informace z této zvukové mapy je porovnávána s mapou zrakovou. Obě dráhy (časová i intenzitní) se slévají dohromady. Mají ale ještě významnou větev do optického tekta, odkud řídí pohyby hlavy a oči při upřeném pohledu na kořist. Na vyšší úrovni v koncovém mozku se ale mapový, uspořádaný charakter ztrácí. Koncový mozek a sluchová kůra mají asi na práci komplexnější úkoly jako je identifikace zdroje, výběr jednoho zvuku na pozadí dalších, určení upření pozornosti při dalších stimulech jiných modalit, vybavení zvuků a jejich významů z minulosti atd. Specifické buňky reagují na nástup zvuku, výšku, klesání a stoupání, intenzitu polohu v prostoru, pohyb určitým směrem Po jediné synapsi se už dráhy kříží - na rozdíl od zraku. Synapse zdržují. Medial Superior Olives (MSO) - časový rozdíl Lateral Superior Olives (LSO) - intenzitní rozdíl Vzdálenost zdroje - hlasitost spektrální složení zvuku Direct entrgy Reverberant energy FIGURE 10.11 The relative amounts of direct and reverberant energy coming from the listener's neighbor and the singer will inform him of the relative distances of the two sound sources. more Like a "boom." Note that this auditory cue is analogous to the visual depth cue of atmospheric perspective (more distant objects look more blurry). A final distance cue stems from the fact that, in most environments, the Barvy zvuku Komplexní tóny a Fourierova analýza zvuku Barvu tónů určuje spektrum Tenor saxophone _i eooo o Frequency (Hz) Harmonické frekvence Výška tónu zůstane beze změny i když hla^ Důležitější je vztah mezi harmonickými. Základní slyšená frekvence je nejmenší sp< i Ti htt sites.sinauer.com/wolfe3e/chaplO/missinqfundF.htm Harmonické frekvence Výška tónu zůstane beze změny i když hlavní frekvence chybí! Po součtu se hlavní frekvence objeví. (a) Violin (pluck) (b) Violin (bow) Proud (stream) zvuku Nástup a konec zvuku rozhodují o vjemu. Jsou velmi důležité pro rozlišení hlásek ( bill x will). (C) Speech ('ba' {d) Speech ('wa') http://sites.sinauer.com/wolfe3e/chaplO/timbreF.htm V reálném světě se objekty překrývají. Interpolací dosahujeme efekt doplnění - kontinuita zvuku auditory stream segregation Rozlišování různých zdrojů zvuků-segregace. Těžší než u zraku - vše v jednom. Prostorová, spektrální a časová segregace. Grouping - seskupování Dvě samostané „linky" - dva samostatné zdroje (proudy) zvuku Dvě samostatné melodie http://sites.sinauer.com/wolfe3e/chaplO/audstreamsegF.htm Kategorizovaná percepce Jde o obecný jev smyslového vnímání: stimuly, které jsou fyzikálně kontinuální, jsou přitom vnímány jen jako několik málo odlišných kategorií. Lateralizace sluchu psQ Dogs predominantly use their right ears when listening to other dogs, but use their left ears when hearing threatening stimuli (like a thunderstorm). (Siniscalchi et al. 2008); Lateralizace sluchu člověka ? 8 -io I- -20 h inner ear spontaneous OAE barn owl rnoustached bat loudspeaker fl stimulus M f2 fr&<|uency human i i 4 6 8 frequency (kHz) 10 12 62 63 microphone distorsion product OAE 60 a. ■Ji 40 CD -u "a I 20 ■u c 3 u 0 f1 f2 2f1-f2 3f1-2f2 2f2-f1 3f2-2f1 57 59 61 63 frequency (kHz) Fig. 2 Important anatomical features of auditory organs in insects, a Tympanal organ in the first abdominal segment of the locust {Locusto migratorla), inside view. The relatively large tympanum (tym) spans across a cuticular ring. The peripheral sensory ganglion (Mullers organ, MO) lies near the anterior edge, from where sensory dendrites reach out to sclerotized attachment points on the tympanum. The dendrites in the pyriform vesicle (pv) insert in a relatively thin membrane region, those of the elevated process (ep) in a thicker region-, tyn tympanal nerve, b Tympanal organ of tropical bushcricket (Mecopoda elongata) in the opened foreleg tibia and after impregnation with methylene blue. The charac(eristic crista acustica (ca) extends along a branch of the acoustic trachea (tr). It comprises ca. 40 scolopidial sensory neurons and is part of a larger mechauosensory organ complex in the insect leg; sn sensory neurons;ac attachment cells;post tytn posterior tympanum, c Scanning electron micrograph of DrosophUa head showing the two antennal hearing organs next to the compound eyes (ce). The branched arista (ar) is firmly attached to the third antenna] segment (3); both oscillate in the acousdc near-field (see also Fig. 7); 1,2,3 segments of left antenna, d Schematic representation of a single scolopidium with bipolar sensory neuron and accessory cells. The dendrite (dt) of the sensory neuron (sn) runs out into a ciliated terminal (ci); cd ciliary dilatation; ac. attachment cell; sc scolopale cell; cr ciliary root: bb basal body; ro rod; cp scolopidial cap tympanal spiracle organ amplifier D/A A/D converter computer L:ig. 3 Recording DPOAEs in the bushcricket Mecopoda elongota, experimental setup. The insect is secured to a metal holder and the forelegs fixed to two supports with beeswax. For acoustic stimulation, two pure-tone signals are generated via D/A-conversion and fed into two loudspeakers (lsl, ls2) following calibration and power amplification. Separation of the two stimulus channels is essential to preclude distortions in the technical sound-producing system. The resulting sound signal, which consists of the two stimuli as well as the DPOAE, is recorded via a microphone, then amplified and fed into a A/D converter. Sound-producing and sound-recording channels are gathered into a coupling device, whose tip is adapted to the diameter of the opening of the acoustic trachea (spiracle) in the prothorax of Meco-poda. One advantage of this arrangement is that the stimulating/recording device is applied to the prothoracic spiracle while the tympanal organ with its crista acustica remains freely accessible for experimental beor 60 ■ 40 ■ 20 ■ DPOAE-threstiolds 15 1 frequency (kHz) 10 100 =r is Cl-D < O a. a -15 hypoxia d electrical stimulation of auditory nerve V pra-tie-n tme-n t D CO ■ poct-lrqatme-nt 10 0 -10 20 40 60 stimulus level (clBSPL) 2 6 10 time (min) Fig. 4 DPOAE-measurements in the tympanal organ of the locust, a DPOAE-spectrum following two-tonestimuIation with 10 and 12 kHz: distortion products tweaks in red) reach sound intensities that are clearly distinguishable from background noise. Asterisk denotes 2f 1 — f2 distortion product, b Auditory threshold curves determined electro-physio logically for two groups of neurons {in red\ adapted fromRomer 1976) and expressed as sound intensity sufficient to elicit DPOAEs (in biact. adapted from Kossl and Eoyan 1998b) within the normal hearing range of locusts, c Reduction of DPOAE-levels following C02-treatment demonstrates the importance of active metabolic processes for generation of otoacoustic emissions (adapted from Kossl and Eoyan 1998a, b), d Brief electrical stimulation of the auditory nerve {horizontal bars) causes transient reduction of emission levels (acoustic stimuli: 10.5/12 kHz with 60/50 dB SPL: electrical nerve stimuladon: bipolar pulses of 10 uA. pulse frequency 200 Hz, pulse duration 2 ms: modified from Mockel et al. 2007) Fig. 5 The metathoracic tympanal organ of notodontid moths has only one auditory neuron: nonetheless, the ear produces distinct DPOAEs in the high fre-l[Uoiu) i;mvjo ,i Y.K'ui I od J rulings of Eggers U9J9; plate 23jdemoustrate that the tympanal scolopidium of die buiT-tip (Pfialera bucephaia) comprises only one sensory neu-ron (T tympan am: N tympan a 1 nerve: L ligament: remaining labels denote putative cell nuclei), b Schematized representation of the tympanal organ of notodont-ids; the scolopidial dendrite is attached to the tympanum, c DPOAE growth-functions in tympanal organ of another notodontid. the maple-prominent iPlitodon mcculitja), before and after treatment with ether acting as an anesthetic: the two sound stimuli were at69.? kHzi fl) and 75 kHz lf2) {modified from Kossl el al. 2007) tympana] travelling wave DPOAE audiograms 0.2 O.fl 1.0 1.4 distance across tympanum (mm) Fig. € Müller'% organ of Locusta migratoritv. travelling waves and DPOAEs before and after lesions, a External view of tympanum; diag-onai line indicates me as inj it £ points mi mm) for laser-vibromeü it-recordings of tympanic vibrations. Arrows mai'k position of pynforra vesicle (PV) and of folded body (FBI, b Stimulation with pure tones generates vibration patterns that resemble travelling waves across measuring points. Low frequency stimulation (at 3.3 kHz) causes displacements of PV and FB. while high-frequency stimulation iul 2ft kH/i generates amplitude maxima an he FV without displacing- FE. c Internal view of locust tympanum showing Müller's organ and PV (scanning elect! onmicrograph). The PV was severed from Müller's organ by setting a lesion through the dendritic attachments {yellow spot). J es ion j A- d 20 , lesion at PV Intact animal 5 6 7 8 9 10 15 20 25 30 frequency 12 [kHz] d DPOAE-levels at sound stimuli of constant intensity and varying frequency (fi). i.e.. so-called DP-gram Ifi/fl ratio maintained at 1.08: LI/ L2 of 60750 dB SPL). Upper: following a lesion at PV, DPOAE-levels above ca. 15 kHz (red carve) drop nearly to noise level (dashed black lines noise level expressed as the average (±1SD). Lower: sttbsequent lesion of FB and of Müller's organ itself tin the same preparation) cause a marked reduction of DPOAE-levels across the entire frequency range. The results indicate that high-frequency DPOAEs are only generated as long as the connection between sensory neurons and PV remains intact (a.b modified from Windmill el al. 2(105; c,d modified from Mockel et al, 2007) Fig. 7 Vibrating antennal ear of Drosophiia. a Schematic representation of the two distal antenna! segments with branched arista and arrangement of laser-vibrometric measurements (adapted from Gopfert et al. 2005) , Near-fielil sound vibrations of the arista rotate the third antenna! segment relative to the second, b Time course of spontaneous ("self-sustained") antenna! oscilladons in nan-mutant (having deficient TRPV channels): by comparison, in animals with deficient NompC TRP-channels spontaneous activity is reduced below that found in wild type flies, c Power spectra of such oscillations in the same Drosophiia strains. Black traces, spec trum obtained for one ari sta l gray, spectra from additional specimens of the same strain ike adapted from Gopfert et al. 2006) antenna I socket branched arista sensory neuron spontaneous antennal oscillations wild type NompC-mutant nan-mutant laser spot rotational vibrations 20 ms 1 10° 2 io2H 10 -4 J wild type (NompC control) nan-mutant 0.1 0.3 0.1 0.3 0.1 -r- 0.3 frequency (kHz) mammals sauropsids insects tympanal organ outer ha r cell short hair cell antennal organ ; cuticular plate tympanum primary mechano | milium jptor (iliiry root hearing range 10 Hz - >200 kHz ■ 30 Hz -11 kHz 1kHz-100 kHz 100 - 1000 Hz some species 0.5 - 62 kHz up to 40 dB SPL ■ i some species 0.8-11 kHz up to 25 dB SPL ? i spontaneous vibrations ! 100 -1000 Hz i i _____i____________________________■ ca.-3 dB SPL ■ : ■ ca.10dB SPL ca. 12 dB SPL 1---------------------------1 ! i ? j_______________________________'r 70 kHz ------1_ ! : ■ : negative ? I ■ ______!_______________________________ \ ? ! .___j„ __ .____ j <3kHz (force generation) _______L. bis -3 kHz (electr. evoked 0 A E) i ? i i ......L............................. ? ; I i spontaneous OAE DPOAE-sensitivity cell soma motility motile cilia/ stereo vi IN Fig. 8 Compiiiing the ears of mammals, sauropsids, and. insects: fundamental anatomical and bio-acoustical parameters. Hearing ranges are indicated without considering infra-sound perception, DPOAE-sensitivities are listed for minimal stimulus-levels that are just sufficient to evoke DPOAEs of -10 dB SPL. 1HC inner hair cell: OHCout- er hair cell: TM tectorial membrane; BM basilar membrane. Data sources: Frank et al. 1999 (motility of OHC-somata): Ricci et al. 2002 (motile stereo villi in mammalian cochlea): Mauley et al, 2001 (electri cally evoked OAEs in reptiles): Manley etal, 1993 (DPOAEs in liz aids). See text for detailed discussion O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Time (sec) FIGURE 7-18 The "cold-moist-dry" triad sensory sensillum of the cockroach contains three bipolar sensory neurons; one neuron of the hygroreceptor responds to high humidity ("moist" receptor) and one to low humidity ("dry" receptor). The receptor cavity of the poreless sensillum is filled with a dense secretion. (Modified from Yokohari and Tateda 1976; Schaller 1978.)