Auditory Frequency Selectivity
E d i t e d by
Brian C. J . Moore
University of C a m b r i d g e C a m b r i d g e , E n g l a n d a n d
Roy D. Patterson
M R C A p p l i e d P s y c h o l o g y Unit C a m b r i d g e , E n g l a n d
Plenum Press
New York and London
Published in cooperation with NATO Scientific Affairs Division
PHASE RESPONSE OF LOW-FREQUENCY COCHLEAR GANGLION CELLS IN THE STARLING
P e t e r M. N a r i n s O t t o G l e i c h D e p a r t m e n t o f B i o l o g y and
B r a i n R e s e a r c h I n s t i t u t e U n i v . o f C a l i f o r n i a L o s A n g e l e s , CA 90024 USA
I n s t i t u t f U r Z o o l o g i e T e c h . U n i v . Mlinchen L i c h t e n b e r g s t r a s s e 4 8046 G a r c h i n g
FRG
INTRODUCTION
The a v i a n i n n e r e a r h a s r e c e n t l y b e e n t h e f o c u s o f s e v e r a l a n a t o m i c a l s t u d i e s a i m e d a t c h a r a c t e r i z i n g t h e d e v e l o p m e n t and f o r m a t i o n o f t h e h a i r c e l l s a l o n g t h e b a s i l a r membrane ( R e b i l l a r d e t a l . , 1982; L i p p e and R u b e l , 1983; C h a n d l e r , 1984; R y a l s and R u b e l , 1985; C o t a n c h e and C o r w i n , 1 9 8 6 ) , as w e l l as p h y s i o l o g i c a l s t u d i e s o f t h e r e s p o n s e p r o p e r t i e s o f t h e a u d i - t o r y p e r i p h e r y ( S a c h s e t a l . , 1974, 1980; G r o s s and A n d e r s o n , 1976; M a n l e y and L e p p e l s a c k , 1977; M a n l e y , 1980; M a n l e y e t a l . , 1 9 8 5 ) . I t i s b e c o m i n g i n c r e a s i n g l y c l e a r t h a t t h e i n n e r e a r o f t h e b i r d i s b o t h a c o n v e n i e n t and s t r u c t u r a l l y r e l a t i v e l y s i m p l e m o d e l f o r u n d e r s t a n d i n g a c o u s t i c p r o c e s s i n g o f s o u n d s by v e r t e b r a t e s .
The p u r p o s e o f t h i s s t u d y i s t o i n v e s t i g a t e t h e p r e f e r r e d p h a s e o f f i r i n g o f s t a r l i n g c o c h l e a r g a n g l i o n c e l l s as a f u n c t i o n o f s t i m u l u s f r e - quency and i n t e n s i t y . I t i s h o p e d t h a t e x p a n d i n g t h e d a t a b a s e o f a v i a n a u d i t o r y r e s p o n s e p r o p e r t i e s w i l l e n a b l e c o m p a r i s o n s o f s i m i l a r i t i e s and d i f f e r e n c e s t o mammalian and o t h e r non-mammalian v e r t e b r a t e s t o be made, and w i l l y i e l d i n s i g h t s i n t o b o t h t h e m e c h a n i s m s and e v o l u t i o n o f h e a r i n g .
A d u l t s t a r l i n g s ( S t u r n u s v u l g a r i s ) ( N = l l ) were a n e s t h e t i z e d by i n t r a - p e c t o r a l i n j e c t i o n o f p e n t o b a r b i t o l s o d i u m ( N e m b u t a l , 90-120 mg/kg b o d y w e i g h t ) . The s u r g i c a l p r e p a r a t i o n h a s b e e n d e s c r i b e d p r e v i o u s l y ( M a n l e y et a l . , 1985) and c o n s i s t e d o f u s i n g a d o r s o - l a t e r a l a p p r o a c h t o remove the bone o v e r l y i n g t h e m i d d l e e a r c a v i t y i n o r d e r t o e x p o s e t h e b a s a l end o f t h e c o c h l e a . T h e n , u p o n o p e n i n g t h e i n n e r e a r i n t h e r e g i o n o f t h e r e c e s s u s s c a l a e t y m p a n i , t h e c o c h l e a r g a n g l i o n was o b s e r v a b l e as a w h i t e band d e e p i n t h e s c a l a t y m p a n i . I n d i v i d u a l c e l l s w e r e p e n e t r a t e d u s i n g c o n v e n t i o n a l g l a s s m i c r o p i p e t t e s f i l l e d w i t h 3M KC1 w i t h t i p d i a m e t e r s o f about 0.2 urn and i m p e d a n c e s i n t h e r a n g e o f 15-90 Megohms. The a n i m a l was a r t i f i c i a l l y r e s p i r a t e d , p l a c e d i n s i d e a v i b r a t i o n - i s o l a t e d , a n e c h o i c chamber and m a i n t a i n e d a t a c o n s t a n t t e m p e r a t u r e o f 3 9 ° - 4 1 ° C .
A s p e c i a l l y - d e s i g n e d h o u s i n g c o n t a i n e d an e a r p h o n e f o r s o u n d p r e s e n - t a t i o n (AKG DKK 32) and a c a l i b r a t e d m i c r o p h o n e ( B r U e l and K j a e r 4133) f o r METHODS
m o n i t o r i n g and c a l i b r a t i n g t h e a c o u s t i c s t i m u l u s . The o u t p u t p o r t o f t h i s h o u s i n g was s e a l e d a r o u n d t h e t y m p a n i c membrane o f t h e b i r d w i t h s i l i c o n e g r e a s e , c r e a t i n g a c l o s e d - f i e l d a c o u s t i c d e l i v e r y s y s t e m . The s y s t e m was r o u t i n e l y c a l i b r a t e d b e f o r e e a c h e x p e r i m e n t ; i t s f r e q u e n c y r e s p o n s e was f l a t (±1 dB) b e t w e e n 0.05 and 4.0 k H z , and t h e p h a s e r e s p o n s e was u s e d t o r e f e r a l l p h a s e m e a s u r e m e n t s t o t h e s t i m u l u s w a v e f o r m a t t h e a n i m a l ' s t y m p a n i c membrane.
A c o u s t i c s e a r c h s t i m u l i w e r e n o t u s e d , s i n c e c o c h l e a r g a n g l i o n c e l l s i n t h e s t a r l i n g a r e s p o n t a n e o u s l y a c t i v e ( M a n l e y e t a l . , 1 9 8 5 ) . When a s i n g l e c e l l was i s o l a t e d , i t s CF and b e s t t h r e s h o l d w e r e f i r s t d e t e r m i n e d m a n u a l l y u s i n g 50 ms t o n e b u r s t s p r e s e n t e d a t 4 / s . The FTC was t h e n o b t a i n e d u s i n g 100 ms (2.5 ms r i s e - f a l l t i m e ) f i x e d - l e v e l t o n e b u r s t s a t 4/s s u c h t h a t e a c h o f 24 f r e q u e n c i e s was p r e s e n t e d t w i c e o v e r t h e r a n g e f r o m 0.025-4.0 kHz. The s t i m u l u s l e v e l was t h e n i n c r e m e n t e d i n 8 dB s t e p s b e t w e e n 10 and 90 dB SPL. F a m i l i e s o f i s o - r e s p o n s e c u r v e s w e r e p l o t t e d f o r d i f f e r e n t d i s c h a r g e r a t e s ; a 40% i n c r e a s e o v e r s p o n t a n e o u s r a t e was t h e t h r e s h o l d c r i t e r i o n c h o s e n f o r t h e FTC.
I n a d d i t i o n , p e r i o d h i s t o g r a m s o f 100 r e s p o n s e s p i k e s w e r e g e n e r a t e d u s i n g t h e p o s i t i v e - g o i n g z e r o - c r o s s i n g o f t h e s t i m u l u s w a v e f o r m t o t r i g g e r t h e d i g i t a l i n p u t o f t h e c o m p u t e r (DEC MINC 11/23) w h i c h a l s o l o g g e d t h e r e a l - t i m e o f o c c u r r e n c e o f t h e s p i k e e v e n t s t o t h e n e a r e s t 1 u s .
V e c t o r s t r e n g t h ( G o l d b e r g and Brown, 1969) and p r e f e r r e d f i r i n g p h a s e (mode) w e r e d e t e r m i n e d f r o m e a c h h i s t o g r a m . We c a l c u l a t e d t h e s i g n i f i - c a n c e o f p h a s e - l o c k i n g u s j n g a R a y l e i g h t e s t o f c i r c u l a r d a t a , and a l i k e l i h o o d v a l u e L = 2 n ( V S ) , w h e r e n=number o f s p i k e s , and V S = v e c t o r
s t r e n g t h ( M a r d i a , 1972; Bunnen and Rhode, 1 9 7 8 ) . F o r a h i s t o g r a m w i t h 100 s p i k e s , a VS > 0.26 i s h i g h l y s i g n i f i c a n t ( p < 0 . 0 0 1 ) . The p h a s e - v s . -
f r e q u e n c y f u n c t i o n was t h e n c o n s t r u c t e d e x c l u s i v e l y f r o m t h o s e p e r i o d h i s t o g r a m s e x h i b i t i n g s i g n i f i c a n t p h a s e - l o c k i n g . P e r i o d h i s t o g r a m s w e r e o b t a i n e d i n r e s p o n s e t o p u r e t o n e s s e p a r a t e d by 25, 50 o r 100 Hz s t e p s , d e p e n d i n g on and a l w a y s e n c o m p a s s i n g t h e c e l l ' s CF. A l l s t i m u l u s and r e s p o n s e d a t a w e r e s t o r e d on an a n a l o g t a p e r e c o r d e r f o r s u b s e q u e n t a n a l y s i s .
The w e i g h t e d a v e r a g e g r o u p d e l a y f o r a p a r t i c u l a r c e l l was e s t i m a t e d by t h e s l o p e o f i t s p h a s e - v s . - f r e q u e n c y f u n c t i o n . S i n c e t h e w e i g h t e d a v e r a g e g r o u p d e l a y s a r e f u n c t i o n s o f s t i m u l u s l e v e l i n t h e mammalian e a r ( A n d e r s o n e t a l . , 1 9 7 1 ) , i t i s i m p o r t a n t t o compare t h e s e d e l a y s a t a f i x e d i n t e n s i t y . We c h o s e 90 dB SPL a s o u r s t a n d a r d s i n c e we t e s t e d most c e l l s a t t h i s l e v e l , and i t p r o b a b l y r e s u l t s i n c l o s e t o t h e minimum d e l a y f o r t h i s method ( f o r a c o m p l e t e d e s c r i p t i o n o f t h e t e c h n i q u e , s e e A n d e r s o n e t a l . , 1971, o r H i l l e r y and N a r i n s , 1 9 8 4 ) .
RESULTS
We m e a s u r e d t h e p h a s e r e s p o n s e o f s i n g l e l o w - f r e q u e n c y c o c h l e a r g a n g ' l i o n c e l l s as a f u n c t i o n o f s t i m u l u s f r e q u e n c y i n t h e s t a r l i n g (N=28), and t h e i n t e n s i t y - d e p e n d e n c e o f t h i s r e s p o n s e (N=23). In o u r p r e p a r a t i o n o n l y c e l l s w i t h CFs b e t w e e n 0.1 kHz and 1.6 kHz w e r e e n c o u n t e r e d ; o v e r t h i s f r e q u e n c y r a n g e a l l c e l l s e x h i b i t e d s t r o n g p h a s e - l o c k i n g t o s i n u s o i d a l s t i m u l i o v e r a w i d e r a n g e o f i n t e n s i t i e s . F i g . 1 shows a t y p i c a l FTC f r o m t h e c o c h l e a r g a n g l i o n o f t h e s t a r l i n g , s u p e r i m p o s e d on w h i c h a r e t h e v e c t o r s t r e n g t h s o f p h a s e - l o c k i n g t e s t e d a t t h e f r e q u e n c y - i n t e n s i t y c o o r - d i n a t e s o f t h e b a s e o f e a c h v e r t i c a l l i n e . A l s o shown i n f i g . 1 a r e two s e r i e s o f p e r i o d h i s t o g r a m s - one c o n t a i n e d a t t h r e e i n t e n s i t i e s a t t h e f i b e r ' s CF (0.8 k H z ) , and t h e o t h e r a t t h r e e i n t e n s i t i e s a b o v e t h e CF, a t 1.0 kHz. F i g . 1 i l l u s t r a t e s a r e s u l t t y p i c a l f o r o u r s a m p l e , n a m e l y t h a t a t o r n e a r t h e n e u r o n ' s CF, t h e p r e f e r r e d f i r i n g p h a s e c h a n g e s r e l a t i v e l y l i t t l e w i t h i n t e n s i t y , w h e r e a s a b o v e CF, t h e r e i s a p r o g r e s s i v e p h a s e l e a d
1 0
CD 0 >
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of 1 0 - L CD 0 •-
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2 0 -I 22
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St i mu1 us P h a s e [ d e g r e e s ] . 1
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"O 5 0 - o -C 4 0 -
U) CD 3 0 - L _C (-• 2 0 -
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. . , II
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i i i — i — 0.1 0 . 2 OA 0 . 8 1.6 3 . 2
F r e q u e n c y [ k H z 1
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1 8 0
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1 0
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0 1 8 0 3 6 0
St imu1 us Phase [ d e g r e e s ] T y p i c a l FTC f r o m s t a r l i n g c o c h l e a r g a n g l i o n c e l l (CF=0.8 kHz) w i t h v e c t o r s t r e n g t h s i n d i c a t e d by v e r t i c a l b a r s ( c a l i b r a t i o n b a r : V S = 0 . 5 ) . Heavy b a r s a t CF c o r r e s p o n d t o p e r i o d h i s t o g r a m s ( a ) -
( c ) (VS=0.68, 0.81, and 0.53, r e s p e c t i v e l y ) , w h e r e a s h e a v y b a r s a t 1 kHz c o r r e s p o n d t o h i s t o g r a m s ( d ) - ( f ) (VS=0.66, 0.68 and 0.35, r e s p e c t i v e l y ) . P h a s e - l o c k i n g a t i n d i c a t e d p o i n t s o u t s i d e FTC i s n o n - s i g n i f i c a n t ( s e e t e x t ) . A r r o w s a b o v e h i s t o g r a m s i n d i c a t e p r e f e r r e d f i r i n g p h a s e . H i s t o g r a m b i n w i d t h s : 1 0 ° .
w i t h i n c r e a s i n g i n t e n s i t y . L i k e w i s e , b e l o w CF, t h e r e i s a p r o g r e s s i v e p h a s e l a g w i t h i n t e n s i t y ( f i g . 4 ) . S i m i l a r r e s u l t s h a v e b e e n r e p o r t e d f o r t h e a u d i t o r y n e r v e o f t h e mammal ( A n d e r s o n e t a l . , 1971; A l l e n , 1983;
0 . 0 2 5
0 . 0 0 5
Ch
F i g . 2.
0 OS 1.0 L5 2.0 a r a c t e r i s t i c F r e q u e n c y [ k H z ]
•o
£
(0 LxJ
2J5
2.0
1.5
1.0
07
0.1 0.2 OA 0.8 1.6 3.2 C h a r a c t e r i s t i c F r e q u e n c y [kHz]
( a ) S l o p e o f p h a s e - v s . - f r e q u e n c y f u n c t i o n s o b t a i n e d a t an i n t e n s i t y o f 90 dB SPL p l o t t e d a g a i n s t t h e c e l l ' s CF. O v e r t h e f r e q u e n c y r a n g e t e s t e d , t h e s l o p e d o e s n o t show a s i g n i f i c a n t d e p e n d e n c e on CF ( p > 0 . 0 5 ) . (b) T r a v e l t i m e e s t i m a t e d f r o m d a t a i n
( a ) by s u b t r a c t i n g 0.8 ms f r o m e a c h p o i n t , c o r r e s p o n d i n g t o t h e a c o u s t i c p l u s n e u r a l d e l a y ( s e e t e x t ) , m u l t i p l y i n g e a c h v a l u e by t h e s c a l e f a c t o r l / 2 i r , and r e p l o t t i n g on a l o g s c a l e . R e g r e s s i o n i s s i g n i f i c a n t a t t h e 0.05 l e v e l .
R u g g e r o and R i c h , 1 9 8 3 ) , t h e f r o g ( N a r i n s , 1986; H i l l e r y and N a r i n s , 1 9 8 6 ) , t h e c a i m a n ( K l i n k e and P a u s e , 1 9 8 0 ) , and t h e n u c l e u s magno- c e l l u l a r i s o f t h e b a r n o w l ( S u l l i v a n and K o n i s h i , 1 9 8 4 ) .
F i g . 2a shows t h e s l o p e s o f t h e i n d i v i d u a l b e s t - f i t l i n e a r r e g r e s s i o n l i n e s t h r o u g h t h e p h a s e - v s . - f r e q u e n c y f u n c t i o n s f o r a l l f i b e r s t e s t e d a t 90 dB SPL (N=21), as a f u n c t i o n o f t h e f i b e r ' s CF. S u r p r i s i n g l y , f o r low- f r e q u e n c y c e l l s i n t h e s t a r l i n g , s l o p e v a r i e s l i t t l e w i t h f i b e r CF; t h e b e s t - f i t r e g r e s s i o n l i n e t h r o u g h t h e d a t a i n f i g . 2a i s e s s e n t i a l l y f l a t . A l l p h a s e - v s . - f r e q u e n c y s l o p e s i n o u r s a m p l e f o r t h e l o w - f r e q u e n c y c e l l s a r e b e t w e e n 0.01 and 0.02 r a d i a n / H z . T r a n s f o r m i n g t h e d a t a by s u b t r a c t i n g 0.8 ms ( o b t a i n e d f r o m l a t e n c y m e a s u r e m e n t s f o r a 3.0 kHz n e u r o n i n t h e s t a r l i n g i n r e s p o n s e t o a h i g h - l e v e l r a r e f a c t i o n c l i c k , H. O e c k i n g h a u s , p e r s . comm.), s c a l i n g f o r t h e a p p r o p r i a t e u n i t s , and p l o t t i n g on a l o g - l o g s c a l e , one o b t a i n s t h e t r a v e l t i m e as a f u n c t i o n o f CF ( f i g . 2 b ) . The b e s t - f i t l i n e a r r e g r e s s i o n l i n e t h r o u g h t h e s e p o i n t s ( r = 0 . 5 2 ; p<0.05) i n d i c a t e s t h a t t r a v e l t i m e p r o g r e s s i v e l y i n c r e a s e s w i t h d e c r e a s i n g CF.
F i g . 3a-c shows t y p i c a l p h a s e - v s . - f r e q u e n c y f u n c t i o n s f o r a l l s i n g l e c e l l s t e s t e d a t 70, 80 and 90 dB SPL, r e s p e c t i v e l y . We f o u n d t h a t t h e d a t a p o i n t s f o r e a c h o f t h e s e f u n c t i o n s c o u l d be r e a s o n a b l y w e l l f i t by a s i n g l e l i n e a r r e g r e s s i o n l i n e t h r o u g h them (0.976<r<0.999; a l l p < 0 . 0 0 1 ) , and t h a t t h e s l o p e s o f t h e p h a s e - v s . - f r e q u e n c y f u n c t i o n s a r e d e p e n d e n t on t h e s t i m u l u s i n t e n s i t y u s e d t o d e r i v e them. T h i s may be s e e n more d r a m a - t i c a l l y i n f i g . 4 a - c w h i c h i l l u s t r a t e s a s e r i e s o f p h a s e - v s . - f r e q u e n c y f u n c t i o n s f o r t h r e e c e l l s , e a c h o f w h i c h was t e s t e d w i t h a r a n g e o f
s t i m u l u s l e v e l s . N o t e t h a t f o r e a c h c e l l t h e r e i s a " c r o s s o v e r f r e q u e n c y "
a t w h i c h t h e p h a s e r e s p o n s e i s i n t e n s i t y - i n d e p e n d e n t . U n l i k e t h e d a t a f r o m t h e n u c l e u s m a g n o c e l l u l a r i s o f t h e b a r n o w l f o r w h i c h t h e " c r o s s o v e r f r e q u e n c y " o c c u r r e d at^ t h e c e l l ' s CF ( S u l l i v a n and K o n i s h i , 1 9 8 4 ) , i n t h e s t a r l i n g c o c h l e a r g a n g l i o n i t a p p e a r s t o o c c u r c o n s i s t e n t l y a b o v e CF f o r c e l l s w i t h C F s a b o v e 0.3 kHz.
From d a t a s u c h as t h o s e i n f i g . 5, one c a n c a l c u l a t e t h e s l o p e o f t h e p h a s e - v s . - f r e q u e n c y f u n c t i o n s f o r d i f f e r e n t s t i m u l u s s o u n d p r e s s u r e
l e v e l s . F i g . 5a shows s u c h a p l o t ; t h e f u n c t i o n a l d e p e n d e n c e o f t h e s l o p e on s t i m u l u s l e v e l i s c l e a r : i n c r e a s i n g t h e s o u n d p r e s s u r e l e v e l d e c r e a s e s t h e s l o p e o f t h e p h a s e - v s . - f r e q u e n c y p l o t , e q u i v a l e n t t o d e c r e a s i n g t h e w e i g h t e d a v e r a g e g r o u p d e l a y .
3 0.5 1.0 1.5 2.0 2 . 5 S O 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2 . 5 5.0 0 0 . 5 1.0 1.5 2 . 0 2 . 5 S O
° - F r e q u e n c y [ k H z ]
F i g . 3. P h a s e - v s . - f r e q u e n c y f u n c t i o n s f o r a l l c o c h l e a r g a n g l i o n c e l l s t e s t e d a t (a) 70 dB SPL (N=7), (b) 80 dB SPL (N=6) and ( c ) 90 dB SPL (N=15). E a c h f u n c t i o n was a d j u s t e d a l o n g t h e v e r t i c a l a x i s i n one c y c l e i n c r e m e n t s u n t i l i t p a s s e d a s c l o s e l y as p o s s i b l e t o t h e o r i g i n .
F r e q u e n c y [ k H z 1
F i g . 4. P h a s e - v s . - f r e q u e n c y f u n c t i o n s o b t a i n e d a t a s e r i e s o f s t i m u l u s l e v e l s f o r t h r e e c o c h l e a r g a n g l i o n c e l l s i n t h e s t a r l i n g .
V e r t i c a l l i n e s i n e a c h p a n e l i n d i c a t e t h e c e l l ' s C F : ( a ) 0.8 kHz, (b) 0.5 kHz and ( c ) 0.5 kHz. (a) and (b) show a d i s c r e t e
" c r o s s o v e r f r e q u e n c y " , w h e r e a s ( c ) d o e s n o t . F o r t h e s e t h r e e c e l l s , and a l l c e l l s i n o u r s a m p l e w i t h C F s a b o v e 0.3 k H z , t h e
" c r o s s o v e r f r e q u e n c y " l i e s a b o v e C F . L and H i n d i c a t e low and h i g h s t i m u l u s l e v e l s , r e s p e c t i v e l y .
I n f i g . 5b we h a v e p l o t t e d t h e s l o p e s o f t h e f u n c t i o n s r e l a t i n g t h e p r e f e r r e d f i r i n g p h a s e o f a c e l l v s . s t i m u l u s i n t e n s i t y ( s e e i n s e t ) a t t h e c e l l ' s CF (N=17). We f i n d t h a t t h e p r e f e r r e d p h a s e o f f i r i n g f o r c e l l s w i t h C F s a r o u n d 0.3 kHz shows t h e l e a s t d e p e n d e n c e on s t i m u l u s i n t e n s i t y
( i n s e t c u r v e 1 ) . C e l l s w i t h C F s a b o v e 0.3 kHz ( e . g . , c e l l s i n f i g . 4) showed a p r o g r e s s i v e p h a s e l a g w i t h i n c r e a s i n g i n t e n s i t i e s o f C f t o n e s ( i n s e t c u r v e 2 ) , w h e r e a s c e l l s w i t h C F s b e l o w 0.3 kHz showed a p r o g r e s s i v e
3) _
0> (D
(f) CJ CD
(- C o o CD -P a u o c
— D CO Ll
0 . 0 6
0 . 0 4
0 . 0 2
0 . 0 0
- 0 . 0 2
- 0 . 0 4
- 0 . 0 6 B
• •
•
• • •
CO CD P-
•
0 '
•
xX -
d B S P L 0 2 0 4 0 6 0 8 0
S o u n d P r e s s u r e [ d B S P L '.
1 0 0 0.1 0 . 2 0 4 0 . 8 1.6 3 . 2
C h a r a c t e r i s t i c F r e q u e n c y [ k H z !
F i g . 5. (a) P h a s e - v s . - f r e q u e n c y s l o p e s m e a s u r e d f o r a l l c o c h l e a r g a n g l i o n c e l l s f o r w h i c h t h e s e s l o p e s w e r e d e t e r m i n e d a t more t h a n one i n t e n s i t y (N=7), a s a f u n c t i o n o f s t i m u l u s l e v e l . T h e i n t e n s i t y - d e p e n d e n c e o f t h e s l o p e s i s c l e a r ( r = - 0 . 9 4 ; p<0.001). (b) S l o p e o f p h a s e - i n t e n s i t y f u n c t i o n a t CF as a f u n c t i o n o f t h e CF o f t h e c e l l . T h e s i g n o f t h e s l o p e i s z e r o f o r c e l l s w i t h C F s n e a r 0.3 kHz ( i n s e t , no. 1 ) , p o s i t i v e f o r c e l l s w i t h C F s > 0.3 kHz ( i n s e t , n o . 2) and n e g a t i v e f o r c e l l s w i t h C F s < 0.3 kHz ( i n s e t , no. 3 ) .
p h a s e l e a d w i t h i n c r e a s i n g i n t e n s i t i e s o f CF t o n e s ( i n s e t c u r v e 3 ) . The b e s t - f i t r e g r e s s i o n l i n e t h r o u g h t h e s e d a t a ( r = 0 . 7 5 ; p<0.001) c r o s s e s t h e
" z e r o " s l o p e p o i n t a t a b o u t 0.3 kHz.
DISCUSSION
We h a v e shown t h a t l o w - f r e q u e n c y a v i a n c o c h l e a r g a n g l i o n c e l l s e x h i b i t r e m a r k a b l y s t r a i g h t p h a s e - v s . - f r e q u e n c y f u n c t i o n s o v e r a w i d e r a n g e o f i n t e n s i t i e s . Some e x c e p t i o n s t o t h i s g o o d n e s s - o f - f i t w e r e i n d e e d f o u n d :
(1) a t t h e l o w e s t and t h e h i g h e s t i n t e n s i t i e s t e s t e d t h e f u n c t i o n s t e n d e d t o a s y m p t o t e f o r f r e q u e n c i e s a b o v e CF, and (2) a t t h e l o w e s t f r e q u e n c i e s t e s t e d f o r a g i v e n c e l l , we o c c a s i o n a l l y o b s e r v e d a p h a s e p l a t e a u ( e . g . , f i g s . 3a, 3 c , 4 ) . The s l o p e s o f t h e p h a s e - v s . - f r e q u e n c y f u n c t i o n s , a f t e r s u b t r a c t i o n o f t h e a p p r o p r i a t e n e u r a l and a c o u s t i c d e l a y s r e f l e c t a s m a l l r a n g e o f t r a v e l t i m e s ( 1 . 3 7 - 2 . 4 0 ms) a c r o s s t h e l o w - f r e q u e n c y ( a p i c a l ) end o f t h e a v i a n b a s i l a r p a p i l l a . We a r e aware t h a t i n t h e mammalian e a r t r a v e l t i m e s o b t a i n e d w i t h t h i s m e t h o d t e n d t o be s y s t e m a t i c a l l y o v e r - e s t i m a t e d ( R u g g e r o , 1 9 8 0 ) , b u t t h i s e r r o r s h o u l d be minimum i n t h e b i r d s i n c e t h e p h a s e - v s . - f r e q u e n c y f u n c t i o n s a r e e x t r e m e l y s t r a i g h t .
W i t h e v i d e n c e a c c u m u l a t i n g f o r e l e c t r i c a l t u n i n g i n v e r t e b r a t e h a i r c e l l s ( C r a w f o r d and F e t t i p l a c e , 1981; L e w i s and H u d s p e t h , 1983; Ashmore and P i t c h f o r d , 1 9 8 5 ) , i t i s t e m p t i n g t o l o o k f o r c o r r e l a t e s o f o u r c o c h l e a r g a n g l i o n c e l l d a t a i n t h e h a i r c e l l r e s p o n s e . C r a w f o r d and F e t t i p l a c e (1981) show one c e l l i n w h i c h t h e y m e a s u r e d t h e p h a s e o f t h e r e c e p t o r p o t e n t i a l as a f u n c t i o n o f f r e q u e n c y f o r v a r i o u s s o u n d i n t e n - s i t i e s . T h i s p o t e n t i a l shows a p r o g r e s s i v e p h a s e l a g w i t h i n c r e a s i n g i n t e n s i t y f o r t e s t f r e q u e n c i e s b e l o w CF and a s l i g h t p h a s e l e a d w i t h i n c r e a s i n g i n t e n s i t y f o r t e s t f r e q u e n c i e s a b o v e CF. T h i s c o r r e l a t e s q u a l i t a t i v e l y w i t h t h e o b s e r v e d d i r e c t i o n o f p h a s e s h i f t w i t h i n t e n s i t y f o r a v i a n c o c h l e a r g a n g l i o n c e l l s .
I n t h e s q u i r r e l monkey, l i n e a r p h a s e - v s . - f r e q u e n c y f u n c t i o n s f o r s i n g l e a u d i t o r y n e r v e f i b e r s and a s y s t e m a t i c d e c r e a s e i n t r a v e l t i m e w i t h i n c r e a s i n g CF d e r i v e d f r o m t h e s l o p e s o f t h e s e f u n c t i o n s , c o u p l e d w i t h the known t o n o t o p y o f t h e b a s i l a r membrane h a v e b e e n i n t e r p r e t e d as r e f l e c t i n g t h e t r a v e l l i n g wave known t o o c c u r on t h e mammalian b a s i l a r membrane ( A n d e r s o n e t a l . , 1 9 7 1 ) . M i d - f r e q u e n c y a u d i t o r y n e r v e f i b e r s o r i g i n a t i n g i n t h e i n n e r e a r o f t h e f r o g ( w h i c h c o n t a i n s no b a s i l a r membrane), a l s o show l i n e a r p h a s e - v s . - f r e q u e n c y f u n c t i o n s , w i t h s y s t e m a t i c s t e e p e n i n g o f t h e i r s l o p e s f o r d e c r e a s i n g C F s ( H i l l e r y and N a r i n s , 1 9 8 4 ) . T h e s e o b s e r - v a t i o n s h a v e a l s o b e e n i n t e r p r e t e d a s b e i n g c o n s i s t e n t w i t h a l o w -
v e l o c i t y , p r o p a g a t i n g m e c h a n i c a l d i s t u r b a n c e a l o n g t h e a m p h i b i a n p a p i l l a . v o n Be*ke"sy (1960) showed t h a t t h e p o s i t i o n o f r e s o n a n c e s h i f t s b a s a l w a r d a l o n g t h e c o c h l e a r p a r t i t i o n w i t h i n c r e a s i n g s t i m u l u s f r e q u e n c y i n t h e c h i c k e n , b u t t o d a t e t h e r e h a s b e e n no c o n v i n c i n g d e m o n s t r a t i o n o f t h e e x i s t e n c e o f a t r a v e l l i n g wave i n t h e a v i a n i n n e r e a r . The d i r e c t m e c h a n i c a l m e a s u r e m e n t s o f t h e p i g e o n b a s i l a r membrane m o t i o n ( S m o l d e r s e t a l . , t h i s v o l u m e ) and o u r p h a s e m e a s u r e m e n t s o f c o c h l e a r g a n g l i o n c e l l s i n t h e s t a r l i n g a r e b o t h c o n s i s t e n t w i t h t h e e x i s t e n c e o f a t r a v e l l i n g wave i n t h e a v i a n i n n e r e a r .
I f one a d o p t s t h e s i m p l e d e f i n i t i o n o f a t r a v e l l i n g wave a s p r o p o s e d by W i l s o n e t a l . (1985) b a s e d on t h e o b s e r v a t i o n s o f v o n Be*ke*sy ( 1 9 6 0 ) ,
t h e n one c a n n o t d i s t i n g u i s h , on t h e b a s i s o f n e u r a l p h a s e m e a s u r e m e n t s a l o n e , b e t w e e n a wave p r o p a g a t i n g i n a medium, o r d e l a y l i n e , and a wave p r o p a g a t i n g a c r o s s a b a n k o f r e s o n a t o r s . An a r r a y o f s i m p l e r e s o n a t o r s w i l l , o f c o u r s e , e x h i b i t a f r e q u e n c y - d e p e n d e n t p h a s e s h i f t i n r e s p o n s e t o a p u r e t o n e , w i t h t h e t o t a l p h a s e s h i f t a c r o s s t h e a r r a y e q u a l t o TT/2 t i m e s t h e number o f r e s o n a t o r s t a g e s ( L e w i s e t a l . , 1 9 8 5 ) . I t seems
l i k e l y t o u s t h a t a c t i v e c e l l u l a r p r o c e s s e s c o u p l e d t o b a s i l a r membrane m o t i o n g i v e r i s e t o t h e p h a s e b e h a v i o r i n t h e a v i a n c o c h l e a .
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ACKNOWLEDGEMENTS
We t h a n k G e o f f M a n l e y f o r h i s g e n e r o u s s u p p o r t a n d f o r p r o v i d i n g a p r o d u c t i v e e n v i r o n m e n t i n w h i c h t o c a r r y o u t t h i s r e s e a r c h . We a r e
g r a t e f u l t o M a t t a u s B e t z f o r p r o g r a m m i n g a s s i s t a n c e , B i r g i t S e i b e l f o r h e l p w i t h t h e f i g u r e p r e p a r a t i o n a n d T r a c y K e l l y f o r t y p i n g t h e m a n u s c r i p t . T h i s w o r k was s u p p o r t e d by t h e D e u t s c h e F o r s c h u n g s g e m e i n s c h a f t w i t h i n t h e p r o g r a m o f t h e SFB 204 " G e h b r " , t h e A l e x a n d e r v o n Humboldt F o u n d a t i o n and t h e N a t i o n a l I n s t i t u t e s o f H e a l t h / N I N C D S G r a n t No. NS19725.
