皮質神経細胞と行動におけるスペクトルコントラストに対する聴覚選択性

Auditory Selectivity for Spectral Contrast in Cortical Neurons and Behavior.

• Nina L T So
• Jacob A Edwards
• Sarah M N Woolley

抄録

音声コミュニケーションは、複雑な環境下で他者から発せられる音声を識別し、処理し、それに反応する聞き手の能力に依存しています。これらの信号を正確に認識するためには、動物の聴覚系は、発声音を他の環境音と区別する音響的特徴をしっかりと表現しなければなりません。発声は一般的にスペクトル構造を持っており、パワーは周波数軸に沿って規則的に変動し、スペクトルコントラストを作り出します。スペクトルコントラストは、基本周波数の整数倍で発生するスペクトルパワーのピークを指す高調波性と密接に関連しています。スペクトルコントラストと調和性は自然音を代表するものであるが、コミュニケーション行動に対するサリエンスが異なり、異なる神経機構が関与している可能性がある。本研究では、雄のゼブラフィンチを用いて、発声音の行動認識と神経処理における発声に典型的なスペクトル特徴の重要性を検証した。本研究では、発声の特徴であるスペクトル特徴の重要性を、雄ゼブラフィンチを用いて検証し、自然な発声と合成された発声に対する行動反応は、離散的な周波数成分の存在に依存しているが、周波数間の調和比には依存していないことを示した。その結果、発声音のスペクトル分解能に敏感な一次聴覚野のニューロンの特定の集団を同定した。その結果、行動や神経反応の選択性は、高調波性ではなく、スペクトルコントラストに対する感度によって説明されることがわかった。この選択性は大脳皮質内で発現し、視床受容体領域には存在しないが、深部出力領域には存在する。また、深部出力領域では、コントラストに敏感なニューロンは、非選択的なニューロンと比較して、時間的応答と変調密度に対する選択性が異なることがわかった。聴覚のコード化と知覚は、発声コミュニケーションに重要な役割を果たしています。聴覚ニューロンは、発声を環境中の他の音と区別する音響的特徴を符号化し、行動を指示する知覚を生成しなければなりません。聴覚ニューロンは、発声音を他の音と区別するための音響的特徴をコード化し、行動を指示する知覚を生成しなければなりません。本研究では、鳴禽類の発声応答行動は刺激のスペクトルコントラストには依存するが、調和性には依存しないことを明らかにした。また、聴覚野のニューロンの中には、反応選択性が行動選択性と類似している個体群が存在することを明らかにした。このニューロンの応答選択性は、調和性よりもむしろスペクトルコントラストに対する感度によって説明される。本研究では、発声の際にどこにでも存在する音響的特徴を検出することで、聴覚系がどのようにして社会的に関連した信号を符号化しているのかを理解することができる。

Vocal communication relies on the ability of listeners to identify, process, and respond to vocal sounds produced by others in complex environments. To accurately recognize these signals, animals' auditory systems must robustly represent acoustic features that distinguish vocal sounds from other environmental sounds. Vocalizations typically have spectral structure; power regularly fluctuates along the frequency axis, creating spectral contrast. Spectral contrast is closely related to harmonicity, which refers to spectral power peaks occurring at integer multiples of a fundamental frequency. Although both spectral contrast and harmonicity typify natural sounds, they may differ in salience for communication behavior and engage distinct neural mechanisms. Therefore, it is important to understand which of these properties of vocal sounds underlie the neural processing and perception of vocalizations.Here, we test the importance of vocalization-typical spectral features in behavioral recognition and neural processing of vocal sounds, using male zebra finches. We show that behavioral responses to natural and synthesized vocalizations rely on the presence of discrete frequency components, but not on harmonic ratios between frequencies. We identify a specific population of neurons in primary auditory cortex that are sensitive to the spectral resolution of vocal sounds. We find that behavioral and neural response selectivity is explained by sensitivity to spectral contrast rather than harmonicity. This selectivity emerges within the cortex; it is absent in the thalamorecipient region and present in the deep output region. Further, deep-region neurons that are contrast-sensitive show distinct temporal responses and selectivity for modulation density compared with unselective neurons. Auditory coding and perception are critical for vocal communication. Auditory neurons must encode acoustic features that distinguish vocalizations from other sounds in the environment and generate percepts that direct behavior. The acoustic features that drive neural and behavioral selectivity for vocal sounds are unknown, however. Here, we show that vocal response behavior scales with stimulus spectral contrast but not with harmonicity, in songbirds. We identify a distinct population of auditory cortex neurons in which response selectivity parallels behavioral selectivity. This neural response selectivity is explained by sensitivity to spectral contrast rather than to harmonicity. Our findings inform the understanding of how the auditory system encodes socially-relevant signals via detection of an acoustic feature that is ubiquitous in vocalizations.

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