Harmful environmental sounds are a prevailing source for chronic hearing impairments, including noise induced hearing loss, hyperacusis, or tinnitus. How these symptoms are related to pathophysiological damage to the sensory receptor epithelia and its effects along the auditory pathway, such as functional reorganizations in the auditory cortex (ACx), have been documented in numerous studies. An open question concerns the temporal evolution of maladaptive changes after damage and their manifestation in the balance between afferent thalamocortical input and corticocortical input to the ACx. To address this, we investigated the loci of plastic reorganizations across the tonotopic axis of the auditory cortex of male Mongolian gerbils (Meriones unguiculatus) acutely after a sound trauma and after several weeks. We used a laminar residual current-source density analysis to dissociate adaptations of intracolumnar input and horizontally relayed corticocortical input to synaptic populations across cortical layers in ACx. A pure tone-based sound trauma caused acute changes of subcortical inputs and corticocortical inputs at all tonotopic regions, particularly showing a broad elimination of tone-evoked inputs at tonotopic regions with a pre-trauma best frequency between 2-8 kHz. At other cortical sites, the overall columnar activity acutely decreased, while relative contributions of lateral corticocortical inputs increased. After 4-6 weeks, cortical activity to the altered sensory inputs showed a general increase of local thalamocortical input reaching levels higher than before the trauma. Hence, our results suggest a detailed mechanism for overcompensation of altered frequency input in the auditory cortex that relies on a changing balancing of thalamocortical and intracortical input and is confined to the spectral neighborhood of the trauma frequency.

Abstract Intracortical, horizontal connections seem ideally suited to contribute to cortical processing by spreading information across cortical space and coordinating activity between distant cortical sites. In sensory systems experiments have implicated horizontal connections in the generation of receptive fields and have in turn led to computational models of receptive field generation that rely on the contribution of horizontal connections. Testing the contribution of horizontal connections at the mesoscopic level has been difficult due to the lack of a suitable method to observe the activity of intracortical horizontal connections. Here, we develop such a method based on the analysis of the relative residues of the cortical laminar current source density reconstructions. In the auditory cortex of Mongolian gerbils, the method is then tested by manipulating the contribution of horizontal connections by surgical dissection. Our results indicate that intracortical horizontal connections contribute to the frequency-tuning of mesoscopic cortical patches. Futhermore, we dissociated a type of cortical gamma oscillation based on horizontal connections between mesoscopic patches from gamma oscillations locally generated within mesoscopic patches. The data further imply that global and local coordination of activity during sensory stimulation occur in a low and high gamma frequency band, respectively. Taken together the present data demonstrate that intracortical horizontal connections play an important role in generating cortical feature tuning and coordinate neuronal oscillations across cortex.