Een experiment met Mongoolse renmuizen geeft bevestiging voor het stochastisch resonantiemodel voor auditieve perceptie. Uit het experiment blijkt dat een gesimuleerd gehoorverlies ervoor zorgt dat het gehoor juist gevoeliger wordt in het gebied waar minder is te horen. Ook lieten de muizen gedrag zien dat bij tinnitus hoort.
Patrick Krauss van de Friedrich-Alexander-Universiteit in Erlangen in Duitsland ziet in het experiment bewijs voor het door hem ontwikkelde auditieve model gebaseerd op zogeheten ‘diepe neurale netwerken’ waarin adaptieve stochastische resonantie centraal staat.
Het heeft volgens hem ook implicaties voor de behandeling van tinnitus. Met een pilotstudie hebben de onderzoekers inmiddels laten zien de perceptie van tinnitus significant te kunnen verminderen. Uitgebreider onderzoek is nodig om dit te bevestigen.
Stochastische resonantie
Stochastische resonantie is het fenomeen dat een signaal dat te zacht is voor een sensor om opgemerkt te worden, wél gedetecteerd wordt wanneer we er juist een signaal (bijvoorbeeld ruis) met een bepaalde sterkte aan toevoegen. Dit verschijnsel doet zich bijvoorbeeld bij elektronische signalen voor. Willekeurige elektrische activiteit kan een elektronisch signaal verstoren. Wanneer het er echter in de juiste verhouding aan wordt toegevoegd, kan het signaal er door versterkt worden.
Stochastische resonantie in het auditieve systeem
Stochastische resonantie doet zich niet alleen voor in elektronische systemen ook in biologische systemen komt het voor. Zo blijkt uit een eerder experiment dat oren van een kikker gevoeliger kunnen worden door ze te stimuleren met een ruis. In de neurowetenschappen helpt het principe van stochastische resonantie te verklaren waarom zenuwstelsels nog robuust weten te werken in omgevingen met ruis.
Volgens onderzoeker Patrick Krauss van de Universiteit in Erlangen is het ook een zeer belangrijk verwerkingsprincipe van ons gehoorsysteem. Dit wordt ook wel auditief systeem genoemd. Volgens het model dat hij hanteert, doet de stochastische resonantie zich voor in de ‘dorsal cochleair nucleus’. Dat is het eerste belangrijke tussenstation dat bij de verwerking van de auditieve informatie wordt aangedaan. De gehoorzenuw die afkomstig is van het slakkenhuis (cochlea) bereikt hier de hersenstam. Er zijn twee dorsale cochleaire kernen: één links en één rechts. Op het niveau van deze kernen vindt er nog geen vermenging van het signaal van het linker- en rechteroor plaats. Dat doet zich in een later stadium juist wél weer voor.
Vermenging van signalen van het auditief en somatosensorisch systeem
In de ‘dorsal cochleair nucleus’ komen signalen vanuit het slakkenhuis samen met signalen van het somatosensorische systeem. Dat laatste is het systeem dat is betrokken bij tast, pijn, temperatuur en houding en de beweging van lichaamsdelen. De signalen afkomstig van het gehoorsysteem en het somatosensorisch systeem houden weinig verband met elkaar. Krauss denkt daarom dat de signalen afkomstig uit het laatste systeem dienen als een willekeurig zenuwsignaal en daarmee als zenuwruis. Deze ruis is weer nodig om de stochastische resonantie zijn werk te laten doen.
Rem af van somatosensorische systeem
In zowel een goed als een verminderd functionerend auditief systeem wordt de neuronale ruis permanent aangepast (het systeem is adaptief). Dit zou afhankelijk zijn van wat er binnenkomt. Bij een verminderde input vanuit het gehoor zal de interne neuronale ruis worden verhoogd. Zo kan de rem van het somatosensorische systeem er af gaan, wat op zijn beurt kan leiden tot een toename van de gevoeligheid voor de informatie afkomstig van het gehoor richting het centrale zenuwstelsel. Deze veronderstelling wordt volgens Krauss ondersteund door onderzoek dat laat zien dat de somatosensorische projecties op de cochleair nucleus daadwerkelijk opgevoerd worden na eenzijdige doofheid.
Model stochastische resonantie
De onderzoekers hebben een model gemaakt gebaseerd op zogeheten ‘diepe neurale netwerken’. Met dit model hebben de onderzoekers met een simulatie van het auditieve systeem aannemelijk gemaakt dat stochastische resonantie er zelfs voor kan zorgen dat het verstaan van spraak verbetert en het gehoor deels herstelt na een opgedaan gehoorverlies.
Tinnitus door toename interne ruis
Het model laat ook zien dat de toename van interne neuronale ruis overeenkomt met de waargenomen toename van spontane vuurfrequentie in het auditieve systeem, zoals dit zich voordoet bij permanent gehoorverlies. De toename kan zich bijvoorbeeld voordoen door opvoering van somatosensorische input aan het auditieve systeem. Deze hyperactiviteit in het zenuwstelsel wordt in flink wat studies in verband gebracht met tinnitus.
Model lijkt robuust
Het model van de onderzoekers uit Erlangen geeft een goede verklaring hoe slechthorendheid, tinnitus, neurale hyperactiviteit en de Zwicker illusie (zie kader) met elkaar verband houden en lijkt dan ook robuust.
Het model geeft ook een verklaring waarom mensen met slechthorendheid en tinnitus een betere gehoordrempel hebben dan mensen met alléén slechthorendheid. De gevoeligheid van het gehoor zou worden verbeterd bij mensen mét tinnitus. Tinnitus zou overeenkomen met de perceptie van een toename in interne ruis veroorzaakt door het somatosensorische systeem. Deze ruis zorgt ervoor dat het gehoor gevoeliger wordt door de eerder beschreven stochastische resonantie. Hetzelfde geldt voor de Zwicker-toonsensatie.
Zwicker illusie
De Zwicker illusie is een korte auditieve illusie die tinnitus oproept. De illusie werd in 1964 ontdekt door Eberhard Zwicker werkzaam bij Bell Labs. De naar hem genoemde Zwicker toon bestaat uit een breedbandige ruis (witte ruis) met een spectraal gat erin (bepaalde frequenties weggelaten). Wanneer het geluid wordt uitgeschakeld is er een zwakke toon waar te nemen die enkele seconden aanhoudt. De meeste luisteraars horen een toon die overeenkomt qua toonhoogte met het gat in de witte ruis. De illusie is in onderstaande demonstratie te ervaren. Het dragen van een hoofdtelefoon is voor de demonstratie wel nodig.
Geluiden van buitenaf kunnen gehoor ook verbeteren
Niet alleen interne neuronale ruis kan ons gehoor verbeteren, ook geluiden van buitenaf kunnen dit, zo heeft ander onderzoek laten zien. Ruissignalen met een bepaald frequentiespectrum kunnen het horen verbeteren bij goedhorenden, zelfs tot boven de absolute gehoordrempel. Volgens Krauss passen ook deze bevindingen goed in zijn model.
Implicaties voor behandeling tinnitus
Volgens Krauss hebben de implicaties van zijn model ook geleid tot een nieuwe strategie voor de aanpak van tinnitus. In een pilotstudie hebben de onderzoekers aangetoond dat het aanbieden van een bij de tinnitus spectraal passend extern signaal dat vlak bij de drempel ligt, de perceptie van tinnitus significant kan verminderen. De interne ruis wordt daarmee vervangen. Zodra uitgebreider onderzoek gepubliceerd is dat de bevindingen van deze pilotstudie bevestigen, zal daarover op deze website worden bericht.
Experiment met muizen om model te staven
De onderzoekers wilden meer bewijs verzamelen voor de hypothese dat adaptieve stochastische resonantie een zeer belangrijke rol speelt in het auditieve systeem en bij het waarnemen van fantoom geluiden (tinnitus). Daartoe hebben ze een nieuw experiment opgezet met Mongoolse renmuizen.
Simulatie gehoorverlies
Bij de Mongoolse muizen werd een gehoorverlies gesimuleerd door ze ruis aan te bieden waarbij bij bepaalde frequenties juist géén geluid wordt aangeboden (notched noise). Het aangeboden geluid had een gemiddelde intensiteit en was niet schadelijk voor het gehoor. Na het experiment hadden de muizen weer een normaal gehoor.
De muizen bleken verbazingwekkend genoeg verbeterde gehoordrempels te hebben in het gebied van de notch (waar ze dus geen geluid kregen aangeboden). De gehoordrempels erbuiten bleven onveranderd. Ook bleek hun gedrag te duiden op het waarnemen van fantoomgeluiden (tinnitus). Bij muizen die werden blootgesteld aan breedbandige ruis veranderde de drempel niet en ze vertoonden ook geen gedrag dat op tinnitus duidt.
Resultaten met stochastisch resonantie model
Beide gevonden effecten bij de muizen waarbij een gesimuleerd gehoorverlies kregen aangeboden, laten volgens Krauss en collega zien dat deze in lijn zijn met de hypothese dat stochastische resonantie een belangrijke rol speelt in auditieve perceptie.
De gevonden resultaten komen overeen met studies die zijn gedaan met oorpluggen waarbij gezonde mensen deze gedurende twee weken moesten dragen. Ook hiermee werd een gehoorverlies gesimuleerd. Na het uitdoen hadden ook zij last van tinnitus.
Bron: Simulated transient hearing loss improves auditory sensitivity. Patrick Krauss en Konstantin Tziridis.
Publisher URL: http://www.nature.com/articles/s41598-021-94429-5.pdf DOI: 10.1038/s41598-021-94429-5
Dit artikel wordt mede mogelijk gemaakt door Insentis.nl
