Auditory cortical processing : Binaural interaction in healthy and ROBO1-deficient subjects

Abstract

Two functioning ears provide clear advantages over monaural listening. During natural binaural listening, robust brain-level interaction occurs between the slightly different inputs from the left and the right ear. Binaural interaction requires convergence of inputs from the two ears somewhere in the auditory system, and it therefore relies on midline crossing of auditory pathways, a fundamental property of the mammalian central nervous system.

Binaural interaction plays a significant role in sound localization and other auditory functions, e.g. speech comprehension in a noisy environment. However, the neural mechanisms and significance of binaural interaction and the development of crossed auditory pathways are poorly known. This thesis aimed to expand, by means of magnetoencephalography (MEG), knowledge about binaural cortical processing and midline crossing of auditory pathways in subjects with the defective dyslexia susceptibility gene ROBO1 and in healthy individuals.

Study I demonstrated that in dyslexic individuals who carry a weakly expressing haplotype of the ROBO1 gene, binaural interaction is strongly impaired as compared with healthy, age- and sex-matched controls. Moreover, the observed impairment correlated with the expression level of the ROBO1 gene: the weaker the expression, the more abnormal was the binaural interaction. On the basis of previous animal studies and the quite well known anatomy of the subcortical auditory system, we suggest that the normally extensive crossing of auditory pathways is defective in ROBO1-deficient dyslexic subjects.

All auditory illusions emerging in healthy individuals rely on normal neurophysiology, and thus illusions elicited by binaural sounds can be valuable in revealing auditory binaural processing. Studies II and III examined the neural basis of peculiar pitch perception and sound localization during the auditory octave illusion originally described by Diana Deutsch in 1974. In the octave illusion, dichotic tones separated by an octave alternate rapidly between the ears so that when the left ear receives the low tone, the right ear receives the high tone and vice versa. Study II demonstrated that transient 100-ms responses (N100m), generated in the auditory cortices, follow the sound location perceived during the illusion. Study III further showed that modifications in normal binaural interactions contribute to the illusory pitch perception.

Currently, binaural interaction can be studied non-invasively in detail by means of cortical steady-state responses and MEG-based frequency-tagging. Steady-state responses have also been used in clinical settings to evaluate hearing in non-collaborative patients. Until now, only simple acoustic stimuli have been used to elicit steady-state responses, although in our daily lives we communicate with physically much more complex sounds, such as speech and music. Study IV demonstrated that natural sounds with carefully selected sound parameters can also be used as reliable stimuli in future steady-state studies, and therefore to scrutinize the role and mechanisms of binaural interaction.

This thesis links the dyslexia susceptibility gene, ROBO1, to neurodevelopment of auditory system and binaural processing, reveals the sound localization and pitch perception mechanisms during the octave illusion, and provides knowledge about steady-state responses to natural sounds, thereby advancing future binaural interactions studies.

Kahdesta toimivasta korvasta on selvää hyötyä ihmiselle, vaikka monien äänien havaitseminen onnistuukin varsin hyvin yhden korvan avulla. Esimerkiksi äänten paikallistaminen sekä puheen ymmärtäminen meluisassa ja kaikuvassa ympäristössä pohjautuvat pitkälti vasemmasta ja oikeasta korvasta tulevien hieman erilaisten viestien väliseen vuorovaikutukseen aivoissa. Tämän ns. binauraalisen vuorovaikutuksen merkitys ja hermostollinen perusta tunnetaan toistaiseksi kuitenkin varsin huonosti.

Tässä väitöskirjassa tutkittiin aivoissa tapahtuvaa binauraalista vuorovaikutusta sekä vuorovaikutukselle välttämätöntä kuuloratojen risteämistä aivojen keskilinjan yli magnetoenkefalografian (MEG) avulla. Tutkimuksiin osallistui sekä lukivaikeudesta kärsiviä henkilöitä, joilla kaikilla on sama heikosti toimiva, lukivaikeudelle altistava ROBO1-geenin muutos, että terveitä henkilöitä.

Tutkimustulokset osoittivat, että lukivaikeudesta kärsivillä henkilöillä, joilla ROBO1-geeni toimii heikosti, binauraalinen vuorovaikutus on merkittävästi heikompaa kuin terveillä verrokkihenkilöillä. Lisäksi havaittiin, että binauraalinen vuorovaikutus oli sitä heikompaa, mitä heikommin ROBO1-geeni toimi. Aiemmat eläinkokeet ovat osoittaneet, että ihmisen ROBO1-geeniä vastaavat geenit säätelevät banaanikärpäsillä ja hiirillä monien hermoratojen risteämistä aivojen keskilinjan yli puolelta toiselle. Toisaalta normaali binauraalinen vuorovaikutus perustuu kuuloratojen osittaiseen risteämiseen aivoissa. Näin ollen tutkimuksessa havaittu poikkeavan heikko binauraalinen vuorovaikutus johtunee kuuloratojen puutteellisesta risteämisestä.

Terveiden henkilöiden binauraalisia mekanismeja tutkittiin lisäksi ns. oktaavi-illuusion avulla. Koska terveillä henkilöillä esiintyvät illuusiot pohjautuvat normaaliin aivotoimintaan, binauraaliseen vuorovaikutukseen liittyvät illuusiot voivat olla hyödyllisiä aivomekanismien selvittämisessä. Oktaavi-illuusiossa vasempaan ja oikeaan korvaan annetaan yhtä aikaa erilaiset, oktaavin päässä toisistaan olevat äänet, jotka sen jälkeen vaihtavat nopeasti paikkaa puolelta toiselle. Tyypillisesti sekä havaitun äänen korkeus että paikka ovat osittain ristiriidassa annettujen äänten kanssa. Tulosten perusteella aivojen nopea 100-ms vaste liittyy havaittuun paikkaan ja poikkeava binauraalinen vuorovaikutus havaittuun äänen korkeuteen. Tutkimustulokset tuovat lisää tietoa äänten havaitsemisesta ja paikantamisesta aivoissa.

Toistaiseksi binauraalista vuorovaikutusta on tutkittu tarkasti vain puhtailla äänillä. Neljännessä osatyössä havaittiin, että myös luonnolliset äänet, kuten musiikki ja puhe synnyttävät MEG:llä mitattavissa olevia jatkuvaisvasteita, joita voitaneen käyttää binauraalisen vuorovaikutuksen tutkimiseen sekä mahdollisesti myös erilaisten kuulo-ongelmien tutkimisessa.