Hörselsystemets centrala delar och mognad över tid

Institutionen för neurovetenskap enheten för logopedi Hörselsystemets centrala delar och mognad över tid Gabriella Cohen Hörselnedsättningar: Kognition, Kommunikation, Intervention 7.5 hp, VT 2016

Inledning Anledningen till mitt val av ämne för min PM var ett behov av mer kunskap om vad som sker med ljudsignalen efter den passerat innerörat. Likaså fanns en önskan om att lära mig mer om hur de centrala hörselbanorna fungerar för att bättre kunna hjälpa barn med uttals- och lyssningssvårigheter i mitt dagliga arbete som logoped. Eftersom barns språk mognar över tid funderade jag på om mognadsprocesser även har observerats i hörselsystemet. Ett ytterligare motiv för min fördjupning var att undersöka om det finns kritiska perioder för hörselsystemet och om de har en tidsmässig överensstämmelse med de kritiska perioder som definierats för språkutvecklingen. Bakgrund Enligt Plack (2016) är huvudsyftet för sinnesorganen att samla information om den värld man för närvarande befinner sig i, skicka denna information till hjärnan och därigenom bygga upp en mental representation av världen i syfte att planera nästa steg. Av människans sinnesorgan är balans och hörsel de som anläggs tidigast hos embryot och som blir först färdigutvecklade (Anniko 2001). Örat är ett sinnrikt organ som svarar för att vi kan uppfatta ljud, orientera oss och hålla balansen (Anniko 2001). Vad är då ljud? Enkelt uttryckt är det förändringar i lufttryck. Hörselsystemets yttre delar tar emot dessa förändringar, denna tryckvåg når trumhinnan och överförs som en mekanisk rörelse via hörselbenen till innerörat (Plack 2016). Innerörat/cochlean, som är ett vätskefyllt hålrum, består av många olika delar. Den främsta uppgiften är att omvandla tryckvågorna till elektriska impulser som kan skickas vidare upp genom det centrala hörselsystemet till hörselbarken i hjärnbarken (Plack 2016, Hua 2010). Syfte Syftet med denna PM är att beskriva hörselsystemets centrala delar och mognad över tid. Metod Jag har tagit information från flera kapitel ur The sense of hearing av C. Plack (2016) och från ett kompendium av H. Hua (opublicerad sammanställning, 2010) för PM:ens första del. I den andra delen har jag sammanställt två artiklar där olika forskargrupper har undersökt om hörselsystemet mognar eller på annat sätt förändras från barndom till vuxen ålder (Pasman et Sida 2

al. 1999, Fitzroy et al. 2015). Forskarna vet sedan tidigare att hjärnbarkens mätbara elektriska signaler skiljer sig mellan ett barn och en vuxen människa (Pasman et al. 1999), men inte hur. Resultat Inledningsvis presenterar jag en sammanställning av hörselsystemets centrala delar. Därefter sammanfattar jag resultatet från två artiklar om hörselsystemets mognad över tid. Afferenta nervbanor (sensoriska) Hörselnerven (Nervus vestibulocochlearis, kranialnerv VIII) I de vätskefyllda hålrummen i cochlean har ljudvågor omvandlats till elektriska impulser som bär på information om frekvens, intensitet och duration bilateralt). Denna information överförs till det centrala nervsystemet genom hörselnerven. Hörselnerven är en nervbana som innehåller i princip lika många nervfibrer som det finns inre och yttre hårceller (dvs ca 15-18.000) i cochlean. Nervfibrerna i hörselnerven är tonotopiskt arrangerade vilket betyder att ljudsignalens olika frekvenser skickas genom specifikt dedikerade nervfibrer, via utvalda nervkärnor, genom hela det centrala hörselsystemet. Afferenta nervsignaler skickas uppåt mot hjärnbarken via en mängd nervkärnor som har till uppgift att tolka informationen och vidarebefordra informationen från hörselsystemets yttre och inre delar genom hörselnerven till nästa nervkärna ända upp till hörselbarken (Plack 2016), se Figur 1. Figur 1. De centrala hörselbanorna från cochlean via hjärnstammen, förlängda märgen och thalamus till hörselbarken. Källa: https://embryology.med.unsw.edu.au/embryology/index.php/hearing_-_neural_pathway Sida 3

Cochleariskärnorna i hjärnstammen (Nucleus cochlearis) Denna nervkärna är den första omkopplingsstationen längs med hörselnerven. Här delas nervsignalerna upp i två strömmar: den ventrala (främre) som för med sig information om tidsaspekter och intensitet till nästa nervkärna, och den dorsala (bakre) som forskarna tror kan vara involverad i att identifiera ljud. Cochleariskärnornas neuron är mycket komplexa och varierade, och forskare tror att de ansvarar för den första bearbetningen av ljudets olika funktioner. Neuronen i cochleariskärnorna antas kunna verka antingen inhiberande eller exciterande (Plack 2016). Olivkärnorna i förlängda märgen (Oliva superior) I dessa kärnor mottas information binauralt (från båda öronen) från både ventrala och dorsala delen av cochleariskärnornas nervbanor. Olivkärnorna består av två delar, mediala och laterala olivkärnan. Mediala olivkärnan känner av tidsskillnader mellan ljud binauralt. Laterala olivkärnan uppfattar intensitetskillnader i ljud binauralt. Forskarna antar att olivkärnorna ansvarar för att behandla information från båda öronen för att med exakthet kunna avgöra varifrån ljudet kommer. Neuronen i olivkärnorna skickar vidare nervsignaler till laterala lemnisken och fyrhögarna, bilateralt (Plack 2016, Hua 2010). Laterala lemnisken, en trakt av nervfibrer i hjärnstammen (Nucleus laterali lemniscus) Forskarna är osäkra på vad den laterala lemnisken egentligen har för funktion för hörseln. Den kan vara inblandad i att lokalisera ljudkällor och i att identifiera ljud. Det forskarna är säkra på är att den laterala lemnisken tar emot nervsignaler och skickar nervsignaler vidare uppåt i hörselnerven (Plack 2016). Fyrhögarna, övre delen av hjärnstammen (Colliculus inferior) Denna nervkärna spelar en central roll då samtliga uppåtgående hörselnervbanor sammanstrålar här innan de fortsätter upp mot hörselbarken. Vissa neuron i denna kärna kan vara delaktiga i bearbetning av intensitet (ljudstyrka) och pitch (upplevd tonhöjd). Den kan också ha betydelse för vidare bearbetning av olivkärnornas information angående lokalisering av ljudkällor. Det mest troliga är att denna kärna ansvarar för en mängd auditiv bearbetning som forskarna ännu inte vet så mycket om (Plack 2016). Sida 4

Mediala knäkroppen (del av thalamus) Till mediala knäkroppen kommer nervfibrer från Colliculus inferior. Mediala knäkroppen är en del av thalamus, hjärnans stora centrala neurala omkopplingsstation. Via thalamus skickas den afferenta ljudinformationen vidare mot hörselbarken (Plack 2016). Efferenta nervbanor (motoriska) Förutom sensoriskt afferenta nervbanor finns även motoriskt efferenta nervbanor som förmedlar information från hörselbarken till nedre delar av hörselnerven, till och med så långt ner som till cochlean, där de bildar synapser med både yttre och inre hårceller. Dessa efferenta nervbanor kan t.ex. påverka hur basilarmembranet i cochlean rör sig. Det verkar som om högre delar av hörselsystemet, och eventuellt även kognitiva centra, kan kontrollera aktiviteten i lägre delar och på så sätt påverka hur ljudsignaler bearbetas. Dessa efferenta nervbanor kan vara inblandade i perceptuell inlärning. Efferenta nervsignaler skulle således kunna förändra hur neuron i hjärnstammens nervkärnor bearbetar ljud, t.ex. för att effektivisera och öka neuronens förmåga att inhämta relevant information ur ljudsignalen samt att göra neuronen anpassningsbara (Plack 2016). Hörselbarken (del av hjärnbarken) Hörselbarken är indelad i primära och sekundära hörselbarken och är en del av hjärnbarken. Hjärnbarken ansvarar för högre kognitiva processer samt för bearbetning av sensorisk och motorisk information. Hörselbarken finns i temporalloben bilateralt och ligger gömd i sidofåran, sulcus Sylvii. Vissa delar av hörselbarken organiserar ljudinformationen tonotopiskt (dvs efter frekvensområde) och andra inte. Hörselbarken svarar på all form av ljudstimuli men har även en associeringsfunktion till andra delar av hjärnbarken (Hua 2010). Plack (2016) menar att hörselbarkens uppgift är mycket komplicerad. Den utför en detaljerad analys av ljudsignalernas specifika särdrag, vilket betyder att olika neuron har olika uppgifter. Det kan t.ex. vara känslighet för ett specifikt sorts ljud, ljuduppfattning från båda öronen, förändring av frekvens över tid m.m. Hörselbarkens selektiva förmåga kan representera olika stadier i själva processen av ljudidentifieringen. Ljudsignalerna identifieras inte fullständigt förrän de når andra delar av hjärnbarken, t.ex. bakre delar av temporalloben och parietalloben, och uppfattas då som t.ex. språk, musik, oljud, funktionellt ljud etc. På så sätt kopplas information från hörselbarken ihop med information från andra sinnen (t.ex. syn, lukt, balans) för att vi så bra som möjligt ska kunna förstå den omgivning vi befinner oss i (Plack 2016). Sida 5

Hörselsystemets mognad över tid Nedan presenteras två longitudinella studier där olika forskargrupper undersökt huruvida hörselsystemets centrala delar mognar över tid. Studie 1 - Pasman et al. (1999) I den första studien av Pasman et al (1999) undersöktes 264 patienter som var mellan 28 fosterveckor och 16 år gamla under en treårsperiod. I försöken mättes testpersonernas Auditory Cortical Evoked Responses (ACR), dvs. elektriska signaler från hörselbarken, genom att fästa elektroder utanpå huvudet. Metoden möjliggör mätningar av flera olika aspekter hos signalen såsom amplitud eller latens. I den här studien fokuserade forskarna på att mäta vågformer och förändringar i dess morfologi (sammansatta form) över tid. Patienter med onormal Auditory Brainstem Evoked Responses (ABR) exkluderades. Resultatet från denna studie visade att ACR:s vågform är åldersbunden och förändras i olika perioder. Två tydliga övergångsperioder kunde identifieras; den första mellan fostervecka 36-41 och den andra mellan 4-6 år. Den vuxna människans mer komplexa vågform tar sin slutliga form mellan 14-16 års ålder. Pasman et al. menar att mer forskning behövs för att ta fasta på om mognaden av ACR:s vågformer överensstämmer med andra viktiga förändringar i det centrala hörselsystemet. Enligt författarna har tidigare forskning visat på en viss koppling mellan ACR:s komplexitet och språkstörning hos äldre barn. Pasman et al. redogör även för att forskare kunnat påvisa avvikande ACR hos barn med läs- och skrivsvårigheter. Studie 2 Fitzroy et al. (2015) I en longitudinell studie över fyra år av Fitzroy et al. (2015) undersöktes hur auditiva kortikala funktioner utvecklas och mognar under tonåren hos 68 tonåringar mellan 14-17 år. Alla deltagare hade normal hörsel, ingen neurologisk diagnos och en IQ-poäng över 80. Deltagarna fick lyssna på konsonant-vokal, [da]-stimuli, i höger öra medan de såg en film. Filmljudet presenterades i vänster öra. Deltagarna instruerades att fokusera på filmljudet, s.k. passiv testning. EEG-data insamlades genom en elektrodmössa som mätte elektriska potentialer från neuron i hjärnbarken. Från dessa elektriska potentialer kan en serie av karakteristiska dalar och toppar Sida 6

observeras som ett svar på ljudstimuli. I studien mättes latens, amplitud och variation genom att mäta negativa elektriska potentialer dalar (N1 och N2) och positiva elektriska potentialer toppar (P1 och P2). Följande tre resultat framkom (se Figur 2) 1. Latensen minskade för N1 och N2, men var oförändrad för P1 och P2. Detta fynd har forskarna tolkat som att hastigheten hos auktionspotentialen ökar på grund av ökad myelinisering. 2. Amplituden minskade för P1 och N2, ökade för N1 och var oförändrad för P2. Detta menar forskarna är ett resultat av att antalet synapser ökat mellan nervceller. 3. Variationen minskade hos samtliga komponenter. Enligt forskarna skulle detta påvisa en stabilisering av de centrala hörselfunktionerna i hjärnbarken. Figur 2. Medelvärden som visar latens, amplitud och variationav elektriska potentialer från neuron i hjärnbarken per åldersgrupp. Källa: Fitzroy et al. (2015). Longitudinal maturation of auditory cortical function during adolescence. Slutsatsen forskarna drar i denna studie är att de har bevis för att auditiva kortikala funktioner mognar i tonåren. Sammantaget indikerar således dessa fynd att många aspekter av det centrala hörselsystemet fortsätter att utvecklas från barndom till tonår, ända in i vuxen ålder. Det betyder också att en viss plasticitet finns kvar i tonåren vilket skulle innebär Sida 7

förutsättningar för att lära sig uppfatta nya ljud men också att hörselsystemet är känsligt för understimulering. Författarna menar att detta kan betyda att det inte är för sent att lära sig uppfatta nya ljud i tonåren, men också att det är mycket viktigt att få rätt ljudstimulans, t.ex. om barnet har en hörselnedsättning. Diskussion En reflektion efter att ha läst artiklarna om hörselsystemets mognad är att språket utvecklas över tid och att de kritiska perioder som finns för språkinlärningen till viss del verkar överensstämma med de kritiska perioderna för hörselsystemets mognad över tid. Särskilt intressant är den kritiska perioden som forskarna sett mellan 4-6 års ålder. I denna ålder börjar barn kunna särskilja språkljud bättre och deras uttal och fonologiska medvetenhet förfinas. Enligt språkforskare sker 90 % av all språkinlärning genom att vi överhör andras samtal (Nakeva von Mentzer 2016-02-02). Det betyder att en normalt fungerande hörsel är avgörande för att språkinlärningen ska fungera optimalt. Ett problem enligt Plack (2016) är att den mesta av vår kunskap om hörselbarkens funktion har hämtats från neurofysiologiska studier på djur (däggdjur) och inte människor. Plack (2016) menar därför att det på en högre bearbetningsnivå i hjärnbarken kan finnas betydande skillnader mellan hur olika arter uppfattar och bearbetar ljud och att dessa förmågor är artspecifika. Forskarna är relativt säkra på hur överföringen av ljud från innerörat till hörselnerven går till men de har fortfarande en relativt vag uppfattning om hur hjärnstammens hörselbanor och hjärnbarken fungerar i detalj. Fitzroy et al. (2015) gör t.ex. antagandet att hörselsystemets mognad beror på en ökad myelinisering och ökat antal synapser mellan nervceller i de centrala hörselfunktionerna i hjärnbarken. Forskningen inom detta område är ännu i sin linda men samtliga forskare verkar numera vara överens om att de behöver samarbeta tvärvetenskapligt och använda neurofysiologiska mätmetoder tillsammans med beteendemätningar för att nå ett så bra forskningsresultat som möjligt. Slutsats Jag avslutar min PM med fler frågor än svar. Vad är lyssningssvårigheter? Vad är en språkstörning, uttalssvårigheter eller dyslexi? Vad händer med människans språkliga Sida 8

funktioner vid en hörselnedsättning? Vad händer om det också finns andra svårigheter såsom t.ex. uppmärksamhetssvårigheter, kognitiva svårigheter, sociala interaktionssvårigheter, synnedsättning eller minnessvårigheter? Vid närmare reflektion över hur hörselbarken associerar med samtliga andra sinnesområden i hjärnbarken så inser jag att det troligtvis blir följdeffekter och att de kan vara allvarliga. Ju mer jag lär mig om hörselsystemet och dess funktioner desto mer framstår människans förmåga att uppfatta, analysera och tolka ljud i det centrala nervsystemet ungefär såsom forskaren Stuart Rosen uttryckt det i en artikel från 2005: A riddle wrapped in a mystery inside an enigma, vilket på svenska skulle lyda ungefär en klurighet omgärdat av ett mysterium inuti en gåta. Sida 9

Referenser Anniko, Matti. (2001). Öron-, näs- och halssjukdomar, huvud- och halskirurgi. Andra upplagan. Liber AB, Stockholm. Fitzroy AB, Krizman J, Tierney A, Agouridou M and Kraus N. (2015). Longitudinal maturation of auditory cortical function during adolescence. Frontiers in Human Neuroscience, vol 9, article 530. Hua, Håkan. (2010). Störningar i den centrala auditiva processen. Miller, Carol A. (2010). Auditory Processing Theories of Language Disorders: Past, Present, and Future. Language, Speech and Hearing Services in Schools, vol. 42, 309-319. Nakeva von Mentzer, Cecilia. (2016-02-02). Tidig perceptuell och kognitiv utveckling hos hörselskadade barn. Muntlig presentation, Uppsala Universitet. Pasman JW, Rotteveel JJ, Maassen B, Visco YM. (1999). The Maturation of auditory cortical evoked responses between (preterm) birth and 14 years of age. European Journal of Paediatric Neurology, vol 3, 79-82. Plack, Christopher J. (2016). The sense of Hearing. Second edition. Routledge, New York. Rosen, Stuart. (2005). A Riddle Wrapped in a Mystery Inside an Enigma: Defining Central Auditory Processing Disorder. American Journal of Audiology, vol. 14, 139 142. Sida 10