We often exert greater cognitive resources (i.e., listening effort) to understand speech under challenging acoustic conditions. This mechanism can be overwhelmed in those with hearing loss, resulting in cognitive fatigue in adults, and potentially impeding language acquisition in children. However, the neural mechanisms that support listening effort are uncertain. Evidence from human studies suggest that the cingulate cortex is engaged under difficult listening conditions, and may exert top-down modulation of the auditory cortex (AC). Here, we asked whether the gerbil cingulate cortex (Cg) sends anatomical projections to the AC that facilitate perceptual performance. To model challenging listening conditions, we used a sound discrimination task in which stimulus parameters were presented in either 'Easy' or 'Hard' blocks (i.e., long or short stimulus duration, respectively). Gerbils achieved statistically identical psychometric performance in Easy and Hard blocks. Anatomical tracing experiments revealed a strong, descending projection from layer 2/3 of the Cg1 subregion of the cingulate cortex to superficial and deep layers of primary and dorsal AC. To determine whether Cg improves task performance under challenging conditions, we bilaterally infused muscimol to inactivate Cg1, and found that psychometric thresholds were degraded for only Hard blocks. To test whether the Cg-to-AC projection facilitates task performance, we chemogenetically inactivated these inputs and found that performance was only degraded during Hard blocks. Taken together, the results reveal a descending cortical pathway that facilitates perceptual performance during challenging listening conditions.Sensory perception often occurs under challenging conditions, such a noisy background or dim environment, yet stimulus sensitivity can remain unaffected. One hypothesis is that cognitive resources are recruited to the task, thereby facilitating perceptual performance. Here, we identify a top-down cortical circuit, from cingulate to auditory cortex in the gerbils, that supports auditory perceptual performance under challenging listening conditions. This pathway is a plausible circuit that supports effortful listening, and may be degraded by hearing loss.

Abstract Early sensory experience can exert lasting perceptual consequences. For example, a brief period of auditory deprivation early in life can lead to persistent spatial hearing deficits. Some forms of hearing loss (i.e., conductive; CHL) can distort acoustical cues needed for spatial hearing, which depend on inputs from both ears. We hypothesize that asymmetric acoustic input during development disrupts auditory circuits that integrate binaural information. Here, we identify prolonged maturation of the binaural auditory brainstem in the guinea pig by tracking auditory evoked potentials across development. Using this age range, we induce a reversible unilateral CHL and ask whether behavioral and neural maturation are disrupted. We find that developmental CHL alters a brainstem readout of binaural function which is not observed when the CHL is induced in adulthood. Startle-based behavioral measures reveal poorer spatial resolution of sound sources, but only for high-frequency sound stimuli. Finally, single-unit recordings of auditory midbrain neurons reveal significantly poorer neural acuity to a sound location cue that largely depends on high-frequency sounds. Thus, these findings show that unilateral deprivation can disrupt developing auditory circuits that integrate binaural information and may give rise to lingering spatial hearing deficits.

Abstract Development is a time of great opportunity. A heightened period of neural plasticity contributes to dramatic improvements in perceptual, motor, and cognitive skills. However, developmental plasticity poses a risk: greater malleability of neural circuits exposes them to environmental factors that may impede behavioral maturation. While these risks are well-established prior to sexual maturity (i.e., critical periods), the degree of neural vulnerability during adolescence remains uncertain. To address this question, we induced a transient period of hearing loss (HL) spanning adolescence in the gerbil, confirmed by assessment of circulating sex hormones, and asked whether behavioral and neural deficits are diminished. Wireless recordings were obtained from auditory cortex neurons during perceptual task performance, and within-session behavioral and neural sensitivity were compared. We found that a transient period of adolescent HL caused a significant perceptual deficit (i.e., amplitude modulation detection thresholds) that could be attributed to degraded auditory cortex processing, as confirmed with both single neuron and population-level analyses. In contrast, perceptual deficits did not occur when HL of the same duration was induced in adulthood. To determine whether degraded auditory cortex encoding was attributable to an intrinsic change, we obtained auditory cortex brain slices from adolescent HL animals, and recorded synaptic and discharge properties from auditory cortex pyramidal neurons. There was a clear and novel phenotype, distinct from critical period HL: excitatory postsynaptic potential amplitudes were elevated in adolescent HL animals, whereas inhibitory postsynaptic potentials were unchanged. This is in contrast to critical period deprivation, where there are large changes to synaptic inhibition. Taken together, these results show that diminished adolescent sensory experience can cause long-lasting behavioral deficits that originate, in part, from a dysfunctional cortical circuit. Abstract Figure Summary of experimental design and main findings.