（动物学专业论文）老年小鼠下丘神经元对调频声的调制方向和调制率选择性研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 调频( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，f m ) 声在动物的通讯及人类的语言声信号中是 普遍存在的。其调制方向( s w e e pd i r e c t i o n ) 和调制率( m o d u l a t e dr a t e ) 对于听觉中 枢系统表征不同类别的声信号起着重要作用。在各级听觉中枢的研究表明，神经元 对f m 声的调制方向和调制率有一定的选择性。本实验以老年昆明小鼠为模式动物， 采用常规电生理胞外记录方法，通过改变时程( d u r a t i o n ) 及调制范围( m o d u l a t e d r a n g e ，m r ) 的参数来研究下丘( i n f e r i o re o l l i c u l u s ，i c ) 神经元对f m 声的调制方向和 调制率选择性，以及时程和m 鼬时方向和调制率选择性的影响。 本实验选用1 6 只老年小鼠，共获得9 2 个声反应神经元。记录了对纯音和f m 声 的反应。结果显示：( 1 ) 在老年小鼠下丘记录到的神经元中，最小阈值( m i n i m a l t h r e s h o l d ，m t ) 升高，而且有较多的最佳频率( b e s tf r e q u e n c y , b f ) 偏高的神经元。 测定了8 5 个神经元( 4 6 0 ，3 9 8 5 ) 的时程选择性，其中短通型占3 3 0 ( 2 8 8 5 ) ， 带通型占1 1 8 ( 1 0 8 5 ) ，长通型占1 2 ( 1 8 5 ) ，反带通型神经元占4 7 ( 4 8 5 ) ，无规 律型神经元占4 7 ( 4 8 5 ) ，全通型占4 4 6 ( 3 8 8 5 ) ，其比例较高。( 2 ) 当时程固定时， 随着m r 的增大，调制方向选择性神经元逐渐增多，且下扫选择性神经元比例加大。 在同一m r 下，时程的改变可影响调制方向选择性神经元的比例，在6 4m s 时，方向 选择性神经元最多，而下扫选择性神经元的比例在各个时程下始终高于上扫。提示 老年小鼠较偏爱下扫选择性，而这种偏爱是建立在较大的m r 上的。这与成年鼠中 对上扫f m 声较敏感不同。( 3 ) 在时程选择性神经元中，时程选择性是其调制率选择 性的主导因素。在不同的m r 下，仅3 8 5 ( 1 5 3 9 ) 的时程选择性神经元的调制率选 择性表现出与其时程选择性相关，远低于成年鼠( 7 8 6 3 3 4 2 ) 。( 4 ) 在具有时程选 择性的神经元中，有1 2 8 ( 5 3 9 ) 的神经元随m r 的不同而表现出不同的调制率选择 性，另外在非时程调谐神经元中，5 2 2 ( 2 4 4 6 ) 的神经元表现出了调制率选择性， 其中8 3 3 ( 2 0 2 4 ) 的神经元是在m r 接近时才表现出调制率选择性。说明m r 是神经 元调制率选择性的重要影响因素，尤其是在非时程调谐神经元中。 本实验结果提示，神经元的调制方向选择性的主要影响因素是m r 。神经元的 时程选择性与调制率选择性密切相关，m r 也是调制率选择性的重要影响因素，尤 其在无规律型和全通型神经元中。m r 对方向和调制率选择性的影响，推测与兴奋 性频率反应区或调谐曲线两边的抑制区有关，当m r 超出兴奋性频率调谐曲线范围 硕士学位论文 m a s t e r st i t e s i s 时，f m 声会激活一个抑制性输入，时程对调制方向和调制率的选择性的影响可能 与此有关。本实验还比较了成年鼠与老年鼠下丘神经元对时程选择性的差异，发现 在时程选择性神经元中，全通型神经元的比例明显增高，表明老年鼠听觉中枢神经 元的时程选择性下降，该结果对阐明为什么老年人和老年动物对语言节奏、声信号 时程分辨能力减弱的原因提供了新的实验依据。 关键词：调制方向选择性；调制率选择性；调制范围；时程；老年小鼠 硕士学位论文 m a s t e r st t i e s i s a b s t r a c t f r e q u e n c y - m o d u l a t e d ( f m ) s o u n di sp r e v a l e n ti nt h ev o c a l i z a t i o no fm o s ta n i m a l s a n dh u m a n s p e e c h t 1 1 ef ms w e e p sd i r e c t i o na n dm o d u l a t i o nr a t e ( m r ) p l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nc h a r a c t e r i z i n gd i f f e r e n tt y p e so fa c o u s t i cs i g n a l s m a n ys t u d i e si n d i f f e r e n ta u d i t o r ys t r u c t u r e sh a v es h o w nt h a tn e u r o n sh a v ed i r e c t i o na n dr a t es e l e c t i v i t y i nt h i se x p e r i m e n t ，t h ea g e dk mm i c e w e r eu s e dt os t u d yt h es e l e c t i v i t yf o rt h ed i r e c t i o n a n dr a t eo ff ms w e e p s b yc h a n g i n gt h ed u r a t i o na n dm o d u l a t e dr a n g e i nf r e ef i e l ds t i m u l a t i o nc o n d i t i o n s ，w ee x a m i n e dr e s p o n s e so ft h ei n f e r i o rc o l l i c u l a r ( i c ) n e u r o n st of ms o u n d si n16a g e dm i c e ( 14t o18m o n t h s ) b yu s i n ge x t r a c e l l u l a r r e c o r d i n g 9 2a c o u s t i c a ls e n s i t i v ei cn e u r o n sw e r er e c o r d e d t h er e s u l t ss h o w e da s f o l l o w s ：( 1 ) b e s tf r e q u e n c y ( b f ) a n dm i n i m u mt h r e s h o l d ( m do fa g e dm i c ei cn e u r o n s w e r eh i g h e rt h a nt h a to fa d u l tm i c e n e a r l yh a l fo fi cn e u r o n s ( 4 6 9 ，3 9 8 5 ) e x h i b i t e d d u r a t i o ns e l e c t i v i t yu n d e r p u r et u l l es t i m u l a t i o nc o n d i t i o n a m o n gt h e s en e u r o n s ，3 3 o w e r es h o r t - p a s s ( 2 8 8 5 ) ，11 8 ( 1 0 8 5 ) w e r eb a n d p a s s ，1 2 ( 1 8 5 ) w a sl o n g p a s s a s m a l lf r a c t i o no fn e u r o n ss h o w e db a n d r e j e c t e df e a t u r e s “7 ，4 8 5 ) t h er e m a i n sw e r e n o n 。s e l e c t i v i t yf o rd u r m i o n ( i n c l u d i n g4n o n - r e g u l a rn e u r o n s ) t h ep r o p o r t i o no fa l l - p a s s n e u r o n s ( 4 4 6 38 8 5 ) w a sh i g h e rt h a nt h a to fa d u l tm i c e ( 2 ) a tg i v e nd u r a t i o n , t h e n u m b e ro fd i r e c t i o ns e l e c t i v en e u r o n sa n dd o w n w a r ds e l e c t i v en e u r o n sw e r eg r a d u a l l y i n c r e a s e d 、i mw i d e n i n gt h em 心w ef o u n tt h a tt h ed i r e c t i o ns e l e c t i v i t yo fi cn e u r o n s w a sa f f e c t e db yt h es w e e pd u r a t i o na tc e r t a i nm i b ，b u tt h ep r o p o r t i o no fd o w n w a r d s e l e c t i v en e u r o n sw a sa l w a y sh i g h e rt h a nt h a to fu p w a r ds e l e c t i v en e u r o n s t h e s ed a t a s u g g e s t e dt h a ta g e dm i c ep r e f e r r e dt h ed o w n w a r df ms w e e p s ( 3 ) a m o n gd u r a t i o n s e l e c t i v en e u r o n s ，t h ed u r a t i o nt u n i n gc h a r a c t e r i s t i c sw a st h ed o m i n a n tf a c t o rf o rr a t e s e l e c t i v i t y u n d e rd i f f e r e n tm r s ，t h ef mr a t es e l e c t i v i t yo f3 8 5 f l5 3 9 ) d u r a t i o n s e l e c t i v en e u r o n ss h o w e dt h es a m et u n i n gc h a r a c t e r i s t i c s t l l i sp e r c e n t a g ew a sl o w e r t h a ni nt h ea d u l tm i c e o nt h eo t h e rh a n d ，t h ep r o p o r t i o no ft h er e a lf m r a t es e l e c t i v e n e u r o n sw a sv e r ys m a l l ( 4 ) i nt h ed u r a t i o ns e l e c t i v en e u r o n s ，w eo b s e r v e dt h a tf e w n e u r o n s ( 12 8 ，5 3 9 ) d i s p l a y e dd i f f e r e n tf mr a t es e l e c t i v i t yf e a t u r e su n d e rt h e s t i m u l a t i o nc o n d i t i o no fd i f f e r e n tm r s f o rt h e s en o n d u r a t i o ns e l e c t i v en e u r o n s 5 2 2 ( 2 4 4 6 ) o ft h e ms h o w e df mr a t es e l e c t i v i t y t h em a j o r i t yo ft h e m ( 8 3 3 ，2 0 2 4 ) 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s s h o w e dt h er a t es e l e c t i v i t yo n l yw h e nt h em rw a sc l o s et oo rb e y o n dt h ee x c i t a t o r y f r e q u e n c yb a n d ，s u g g e s t i n gt h a tm rw a sa ni m p o r t a n tf a c t o ri nf mr a t es e l e c t i v i t y , e s p e c i a l l yi nt h e n o n d u r a t i o ns e l e c t i v en e u r o n s o u rr e s u l t si n d i c a t et h a tm ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r si ns h a p i n gt h ef m d i r e c t i o ns e l e c t i v i t y f o rd u r a t i o nt u n i n gn e u r o n s ，t h e i rf mr a t e s e l e c t i v i t yi sh i g h l y c o r r e l a t e dw i t ht h ed u r a t i o nt u n i n gc h a r a c t e r i s t i c s i th i n t st h a tt h en e u r a lm e c h a n i s mo f r a t es e l e c t i v i t yo fi cn e u r o n sm a yb et h es a m ea st h em e c h a n i s mu n d e r l y i n gt h ed u r a t i o n s e l e c t i v i t y o nt h eo t h e rh a n d ，m ri sa l s oi n v o l v e di nd e t e r m i n i n gt h ef mr a t es e l e c t i v i t y i ns o m ei cn e u r o n s ，e s p e c i a l l yi nt h en o n - d u r a t i o ns e l e c t i v en e u r o n s f u r t h e r m o r e ，w e n o t i c e dt h a tt h e r ew e r es o m ed i f f e r e n c e so fr e s p o n s et of ms w e e p sb e t w e e na g e da n d a d u l tm i c ei cn e u r o n s t h e s ed a t as u g g e s tt h a tt h es e l e c t i v i t yt of ms o u n d sp a r a m e t e r s i nt h ei cn e u r o n sm a yb ec o r r e l a t e dt od e v e l o p m e n ta n d a g i n go fa u d i t o r ys y s t e m k e yw o r d s ：f ms w e e p ；d i r e c t i o ns e l e c t i v i t y ；m o d u l a t e dr a t es e l e c t i v i t y ；m o d u l a t e d r a n g e ；d u r a t i o n ；a g e dm i c e 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 日期：2 0 0 9 年5 月4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 储签名：敏烁 日期：2 0 0 9 年、5 月2 日 导师签名： 日期：2 0 0 9 年5 月4 日 本人已经认真阅读“c a l l s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l l s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程 中 的规定享受相关权益。回壶诠塞握交卮溢后；旦坐生；旦二生；旦三生筮查! 导师签名： 日期： 2 0日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 老年性听力研究及现状 1 引言 随着老年人口的比例增高，我国正逐渐步入一个老龄化社会，在今后的几十年 中，人口老龄化将是我国的一个严重的社会问题。而老年性听力损失( p r e s b y c u s i s ) 是老龄化的普遍问题之一。老年性听力损伤是指听力随年龄的增长而退化，听觉系 统衰老引起的耳聋。 1 1 1 老年性听力损伤的组织病理及分类 根据外周听器的变化，s c h u k n e c h t 将老年性听力损失分为六种类型 1 , 2 l ：感觉性 老年性听力损伤( s e n s o r yp r e s b y c u s i s ) ，主要是柯蒂氏器外毛细胞损伤；神经性老 年性听力损伤( n e u r a lp r e s b y c u s i s ) ，螺旋神经节和听神经纤维减少或损伤；代谢性 ( 血管性) 老年性听力损伤( m e t a b o l i cp r e s b y c u s i s ) ，耳蜗外侧壁血管纹功能降低或萎 缩；耳蜗传导性老年性听力损伤化o c l l l e a rc o n d u c t i v ep r e s b y c u s i s ) ，可能由于基底膜 的弹性降低；混合型老年性听力损伤( m i x e d ) ，可能多种因素综合作用；不确定型 老年性听力损伤( i n d e t e r m i n a t e ) ，可能为细胞功能的降低所引起。 另外，一些形态学方面的研究也反映了老年性听力损伤的病理特征，研究表明 老年大鼠的耳蜗腹侧核的神经元较少，胞质、胞核皱缩，脂褐素沉积，尼氏体减少， 胞质内形成空泡等形态学特征 3 1 。近年来，在分子生物学和遗传学上对老年性听力 损伤的研究很多，j o h n s o n 等h 确定t c 5 7 纯系株的老年性听力损伤为单基因遗传， 而且发现耳听力损伤基因( a g e r e l a t e dh e a r i n gl o s s ，a h l ) 在1 0 号常染色体上，有甜儿 等位基因的纯系株老鼠才会出现听力损伤。老年性听力损伤鼠耳蜗中线粒体d n a ( m t d n a ) 缺失可引起神经性老年听力损伤【5 j 。 1 1 2 老年性听力损伤的研究现状 据有关报道目前我国老年人口有1 3 亿。在未来的几十年中，我国老年人口数量 将持续增长。我国家庭人口数量的减少，导致家庭结构的变化，老年人两人或一入 独居家庭将不断增多，这表示在未来的几十年中更多的老年人将得不到很好的家庭 照顾。听力障碍是严重影响老年人生活质量的疾病，美国报告的老年性听力损伤发 病率约3 0 - 4 0 ，而国内目前还没有准确统一的数据，估计约在3 5 1 - 7 6 6 之间 1 6 1 。老年性听力损失已是非常严重的老年性疾病之一，交流的困难严重干扰和影响 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 了老年人的正常生活。 1 2 神经元的时程选择性研究 声通讯是动物进化的一个重要方面，在动物的日常生活中，经常用声音传递一 些信息，比如求救、求爱、示警等活动。在声音信号中，时程( d u r a t i o n ) 是指一个 声音从发生到结束的时间，同频率、声强度一样，是声通讯信号中一个重要的信息 载体，在动物之间的交流中承担一定的信息成分。 1 2 1 神经元的时程选择性及时程选择性神经元 时程选择性( d u r a t i o ns e l e c t i v i t y ) 是指听觉神经元对某一特定时程的声信号最 为敏感的特性。神经元对时程的选择特性最早发现于蛙的中脑 7 1 ，在后来的研究 中表明在蛙的求偶行为中时程选择性有重要的作用，时程的长短承载了重要的信 息。时程选择性在蝙蝠的回声定位中有重要的作用，在蝙蝠的听觉神经元上被广泛 研究。所有蝙蝠因其觅食方式以及捕食阶段的不同，其回声定位都具有独特的频谱 特征和时间模式。棕蝠( b i gb r o w nb a t ，e p t e s i c u sf u s c u s ) 是一种用下扫调频声 ( d o w n w a r df r e q u e n c y m o d u l a t e ds w e e p ) 为回声定位的蝙蝠，当它们广泛搜寻猎物的 时候，发出频率带宽为2 8 - 2 3k h z ，时程为1 0 - - 2 0m s 的f m 声。而当它们锁定目标 追捕猎物时，它们发出的f m 声频带宽加宽，为8 0 - 2 0k h z ，时程也逐渐的减小，当 快接近靶物时，发出超声的间隔变小，时程也进一步减小到小于1m s 9 1 。这说明不 同类型的时程选择性神经元在蝙蝠的捕食行为的不同阶段中参与了传导和编码靶 物与自己的距离以及靶物方向等信息。在蛙和蟾蜍的中脑中，一些神经元只对某个 范围内的时程敏感，这些神经元的最佳时程与其行为发声的时程相符【_ 7 引。在回声 定位蝙蝠的下丘中，神经元对声时程的选择也在一定范罔内，下丘被认为是听觉神 经元编码声时程的位置，是对时程选择的第一级中枢l lo 1 1 1 。在各种非回声定位动物 的各级听觉中枢都发现时程选择性神经元的存在，如小鼠下丘l l 引、栗鼠下丘【l 引、大 鼠下_ e t l 4 1 、豚鼠内侧膝状体【1 5 1 以及猫的听皮层1 1 6 1 等，这说明时程选择特性可能是 哺乳动物听觉中枢共有的声信号处理手段。 时程选择性神经元一般被分为三类：短通型( s h o r t p a s s ，s p ) ，神经元对短时程 声信号敏感；长通型( 1 0 n g p a s s ，l p ) ，神经元对长时程声信号敏感；带通型 ( b a n d p a s s ，b p ) ，神经元对短时程和长时程都不敏感，而对中间一个范围内时程具 有选择性。在不同动物的听觉中枢内，这三种类型的神经元的比例也不同。在蝙蝠的 听觉中枢内，大约3 0 的神经元具有时程选择性，大多数为短通型( 小于1 0m s ) l o 1 。丌。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 而在其他哺乳动物的听觉中枢中时程选择性神经元比例较多些，其中长通型神经元 居多，如大鼠下丘时程选择性神经元中7 6 为长通型1 1 4 j ；小鼠下丘时程选择性神经 元中有6 9 【1 2 】；猫的听皮层时程选择性神经元中有5 9 为长通型1 1 6 1 。蝙蝠与其他哺 乳动物在时程调谐方面的不同可能与各种动物的发声不同有关，回声定位蝙蝠的发 声一般都小于1 0m s ，而其他哺乳动物要长些【l4 。 如果时程选择性神经元是普遍存在于哺乳动物的听觉中枢，那么这种神经元是 如何分布的? f u z e s s e r y 等在穴蝠( p a l l i db a t ，a n t r o z o u sp a l l i d u s ) 下丘中发现这种短 或长时程选择性神经元的分布是不均匀的l 博j 。在大棕蝠( b i gb r o w nb a t ，e p t e s i c u s f u s c u s ) 下丘中这种神经元主要分布在下丘中央核的外侧，尤其背侧核。一半以上的 长通型神经元分布在背侧核，而带通型神经元只在中央核以外【l 7 。 1 2 2 听神经元的时程选择性的机制研究 在动物的听觉中枢，时程和频率、强度一样，对其都有一定的选择特性。这种 选择特性有助于听觉中枢对声音的编码和整合。可以为动物在捕食，求偶等一些生 活行为中提供更多的信息。 神经元的时程选择性与声音的强度以及声音的频率都有一定的关系。l u o 等1 1 9 j 的实验证明当声强度增加时时程选择性神经元的数目减少。当声刺激模式发生变化 时也会变化。如用纯音( p u r et o n e ，p t ) 刺激时神经元为全通型( a l l p a s s ，a p ) ，即 无时程选择性。而当刺激变成c f f m 声时，则有一部分无时程选择性的神经元转变 成了有时程选择性。这可能与f m 声的增加有关，f m 声通过诱发一个抑制性突触后 电位( i n h i b i t o r yp o s t s y n a p i t i ep o t e n t i a l ，i p s p ) 引起一个持续的抑制作用，这与兴奋 性输入交叠，导致了神经元转变成具有时程选择性。丫氨基丁酸( g a m m a - a m i n o b u t y r i e a c i d ，g a b a ) 和甘氨酸( g l y c i n e ，g l y ) 作为中枢听觉系统中主要的抑制性递质， 在神经元的时程调谐中发挥重要作用。 c a s s e d a y 等提出了时程调谐细胞模型，包括有三种输入的相互作用。图11 2 0 j 为 三种不同模式输入的交互作用：给声兴奋( o n s e te x c i t a t i o n ) 、给声抑制( o n s e t i n h i b i t i o n ) 和撤声兴奋( o f f s e te x c i t a t i o n ) 。其中撤声兴奋性的输入是持续抑制性输入 的反弹。当声时程较短时如图l a ，给声兴奋性输入与撤声兴奋性输入交互重叠在抑 制性输入之后，使得产生动作电位的发放。而时程较长时如图1 b ，由于撤声兴奋性 输入的延后和抑制性输入的延长，使得给声兴奋性输入与抑制性输入交叠而使电位 抵消，不能引起动作电位的发放。这三种输入的交互作用是神经元时程调谐的形成 机制。此种理论在蝙蝠下丘神经元的全细胞膜片钳实验中得到了验证i l 。基于此种 模型，专家学者们有提出了很多模型来解释不同类型的时程调谐神经元。如 f u z e s s e r y 掣1 8 1 提出的模型与此种模型相反，瞬时兴奋性输入先到，而抑制性输入延 硕士学位论文 m a s t e r st i i e s i $ 迟较长，这一模型阐明了抑制在s p 型时程调谐中的作用。c a s s e d a y 等1 2 0 j 通过电离子 透入法注入b i c u c u l l i n e ( g a b a 能受体拮抗剂) 及s t r y c h n i n e ( 甘氨酸能受体拮抗剂) 的实验，对带通型神经元进行分析后建立了解释带通型神经元时程调谐的模型。此 模型中有三种输入，为早给声抑制( e a r l yo n s e t i n h i b i t i o n ) 、迟给声抑制( 1 a t e o n s e t i n h i b i t i o n ) 以及延后给声兴奋( d e l a y e do n s e t - e x c i t a t i o n ) 。若时程较短时，两个 抑制性输入连在一起而与兴奋性输入交叠使得神经元没有发放；若时程较长时，两 个持续时间较长的抑制性输入相连时，使得与兴奋性输入交叠而不能发放。只有时 程在某个范围内时兴奋性输入落在两个抑制性输入的中间空隙带，神经元才会发 放。这个模型解释了b p 型神经元的时程调谐。b r a n d 等【1 2 j 对长通型时程调谐也做了 解释，一个持续的兴奋性输入和一个短暂的抑制性输入的交互影响。后者会阻止神 经元对短时程以及长时程开始部分的发放，但不会影响到长时程以后部分的发放， 只要时程足够长。另p i , f u z e s s e r y 等【l8 】认为除了抑制性输入的影响使得神经元具有了 时程选择性外，一定还有其他的因素会影响到神经元对时程的调谐。 i o n + 5m 宣 b 弋八鼍罴忑+ _ 、一一一广j 塑唑型。n 、殳2 苎! ! 竺! 垡墅! p n 一 3 d 眦 图l 时程调谐的细胞机制模型f 2 0 l 声时程较短时给声兴奋性输入与撤声兴奋性输入交互重叠在抑 制性输入之后，神经元发放( a ) ：声时程较长时给声兴奋性输入与 抑制性输入交叠，神经元不发放( b ) 。 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 3f m 声的调制方向选择性的研究 1 3 1f m 声普遍存在于动物及人的声通讯信号中 自然界中大多声信号都包含调频( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，f m ) 声成分，f m 声在 动物的通讯及人类的语言声信号中是普遍存在的。如在人类语言中，f m 声作为共 振过渡( f o r m a n t t r a n s i t i o n ) ，即由一种频率向另一频率过渡的主要成份，在辨识流音、 滑音、声调等语音信息中有重要作用。老年性听力损失以及部分儿童语言障碍者均 与听觉中枢对时相信息的处理能力下降有关【2 。在回声定位动物中f m 声更是必不 可少的成分，如蝙蝠利用回声定位来侦查发现昆虫和躲避障碍物，在捕食，通讯等 行为中有着至关重要的作用。f m 声的调制率( m o d u l a t e dr a t e ) 、扫频方向( s w e e p d i r e c t i o n ) 和调制范围( m o d u l a t e dr a n g e ，m 鼬对于听觉中枢系统表征不同类别的声 信号起着重要作用，听觉中枢对f m 声信号的加工处理机制已被广泛关注。神经电 生理学的研究已证实，听觉中枢对f m 声的调制率和调制方向有一定的选择性。在 蝙蝠【2 2 1 、大鼠 2 3 1 、猫 2 4 1 、猕猴【2 5 j ( r h e s u sm o n k e y ) 和雪貂( f e r r e t ) t 2 6 】等的听皮质 ( a u d i t o r yc o r t e x ，a c ) 以及蝙蝠【2 7 1 、大鼠2 8 1 和小鼠1 2 9 】等的下丘( i n f e r i o rc o l l i c u l u s ，t c ) 均存在调制率及调制方向选择性的神经元。但形成这种对f m 声方向选择性和调制 率选择性的机制目前还不十分清楚。 1 3 2 神经元对调频声调制方向选择性及其机制研究 调制方向选择性神经元存在于很多哺乳动物的听觉中枢，但在中枢内的分布是 不均匀的。如在髭蝠( n e wz e a l a n dl e s s e rs h o r t t a i l e db a t ，m y s t a c i n at u b e r c u l a t a ) 下丘 中方向选择性神经元在下丘外侧核及腹侧核的分布要多于中央核，上扫选择性神经 元和下扫选择性神经元比例差异不大1 3 0 儿1 。在髭蝠内侧膝状体( m e d i a lg e n i c u l a t e b o d y ，m g b ) 中的方向选择性神经元与下丘中的基本相同，但主要为上扫选择性神 经元，大部分具有调制方向选择性的神经元不随声强和调制率的变化而改变。只有 一小部分神经元在低调制率下才有方向选择性，并表现出声强或调制率依赖性【3 2 。 关于调制方向选择性神经元的机制，尚没有一个公认的定论。近年来，f u z e s s e r y 等 2 7 ，3 3 , 3 4 以穴蝠( p a l l i db a t ，a n t r o z o u sp a l l i d u s ) 为模式动物，对下丘及听皮层的神经 元的调制方向及调制率的机制做了深入的研究，并建立了模型。认为f m 声的输入 中有一个较宽的低频抑制( 1 0 w - f r e q u e n c yi n h i b i t i o n ，l f i ) 带和一个较窄的高频抑制 0 1 i g h f r e q u e n c yi n h i b i t i o n ，h f i ) 带。上扫f m 声的兴奋性输入晚于l f i 而神经元不能 发放，早到的宽带抑制( e a r l y a r r i v i n gb r o a d b a n dl f i ) 导致了神经元的下扫选择性。 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 这种理论在穴蝠下丘神经元中被很好的验证，但这种模型只能解释下扫选择性的形 成，而在其他蝙蝠或哺乳动物听觉中枢内往往既存在上扫敏感神经元也存在下扫敏 感神经元，这种模型对于上扫敏感的神经元的成因却不能解释。 1 4f m 声的调制率选择性的研究 1 4 1 调制率及调制率选择性神经元 同调制方向选择性一样，调制率的选择性也是听觉中枢处理f m 声信号的重要 方式。调制率是调制范围( m o d u l a t e dr a n g e ，m r ) 与时程的比值，即单位时间内频 率的变化量，表示的是声信号频率变化的快慢。在哺乳动物的听觉中枢中都存在调 制率选择性神经元，只对快或慢调制率敏感。对调整率的选择性在一定程度上体现 了动物听觉中枢对声信号的处理能力或跟随能力。一般认为调制率选择性是神经元 突触水平时相及频谱整合的结果。 1 4 2 神经元调制率选择性形成机制的研究 调制率的选择性在多种哺乳动物，尤其是在蝙蝠的听觉中枢，包括听皮层、下 丘及内侧膝状体都有研究。在不同的中枢，调制率选择性神经元的比例也不相同。 1 9 6 5 年，s u g a 是第一个研究回声定位中蝙蝠对声音的选择性的，认为这种选择性是 与抑制性输入有关【35 ，3 6 】。d o u p e 等研究了斑雀( z e b r af i n c h ) 等鸣鸟对声音的选择 性。在鸟类听觉中枢中神经元调制率的选择性与其发育有关，但由于其复杂性，机 制尚不明确1 3 7 - 3 9 j 。 f u z e s s e r y 等对发育中的穴蝠f m 声选择性的研究表明，穴蝠听皮层神经元f m 调 制率选择性在出生后两周就形成了，与穴蝠开始形成近于成年的回声定位听频范围 的时间相一致，这说明穴蝠从一开始有回声定位能力时就有了调制率的选择性幽j 。 在f u z e s s e r y 等f 2 7 ，3 3 ，3 4 】建立的模型中，认为调制率选择性与高频抑制带( h f i ) 有关， 延迟的窄带抑制( d e l a y e dn a r r o w b a n dh f i ) 使得具有快调制率的下扫f m 声的兴奋 性输入在抑制之前到达，而慢调制率的下扫f m 声的兴奋性输入在抑制之后或一起 到达，其兴奋性反应就会被抑制。从而形成了穴蝠对下扫f m 声快调制率的敏感性。 这种理论在穴蝠上得到了很好的验证，但用的是单一的下扫f m 声，其调制率的变 化范围也不大，对于解释其他蝙蝠或哺乳动物对f m 声选择性不一定适用。 r a z a k 和f u z e s s e r y 通过对发育中的穴蝠的喉部手术处理的方法研究了经验与 f m 声选择性的关系，表明平常的练习和经验对f m 方向选择性的发展形成及保持是 必要的；对调制率选择性的保持也是不可缺少的。这说明平常的发声练习和经验对 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 可塑性抑制带的形成和保持是有影响的，调制方向和调制率的选择性是经验依赖性 的 4 0 l 。 1 5 研究老年小鼠下丘神经元对调频声调制方向和调制率选择性的意义 听觉与视觉一样，是动物及人类获取外界信息的重要方式，听觉系统的功能是 感受、传输、分析、处理声信息，对声音的各种参数都有很高的灵敏度和精确的分 辨率。f m 声是动物和人类声通讯中重要的声信号成分，听觉中枢对f m 声信号的处 理能力更是体现了听力的辨识度及灵敏度。近些年的研究表明，在听觉的各级中枢 都存在有f m 声调制方向及调制率选择性神经元。对于这种选择性的形成机制，很 多学者提出了推测或建立了模型，但这些神经元在细胞水平的机制尚没有一个公认 的合理的解释。 随着年龄的增长，听觉系统在逐渐的衰老和退化，表现出对声音的辨识度大大 的降低。听觉中枢的衰耗直接影响了处理声信号的能力，当然包括对f m 声信号的 加工处理。近年来对调制方向及调制率敏感性神经元的研究报道较多，但主要是在 各种成年动物上研究，对神经元这种选择特性在听觉中枢的发育及衰退过程中的形 成及变化的报道很少。那么随着听觉系统的衰退，神经元对f m 声的调制方向的选 择性会有什么样的变化，调制率选择性又将如何，相关的因素又会以怎样的方式影 响? 本实验以老年昆明小鼠为模式动物，采用常规电生理胞外记录方法，研究了i c 神经元对f m 声调制方向和调制率选择性以及其影响因素，并试图探讨老年小鼠下 丘神经元对f m 声信号的整合功能和处理能力，以及方向和调制率选择性及其影响 因素较之成年动物的不同，以迸一步探讨老年动物听力下降在细胞水平的变化。这 对阐明听觉中枢对f m 声信号处理的细胞机制及老年听力损失在细胞水平的表现有 重要的意义。 7 硕士学位论文 m a s t e r st i i e s i s 2 1 动物手术与电极制备 2 材料及方法 选用健康的老年小鼠( m u sm u s c u l u sk m ) 1 6 只，体重4 5 - - 6 8g ，年龄1 钆1 8 个 月，雌雄不拘，购自湖北省预防医学科学院实验动物中心。手术前用戊巴比妥钠 ( n e m b u t a l1 ) 腹腔注射麻醉，剪去动物头顶被毛，切开头皮，暴露颅骨，除去表 面的结缔组织，用9 5 的乙醇反复擦拭，使颅骨表面脱脂。用5 0 2 强力胶将一根2 0 c m 平头铁钉粘固于头顶颅面上。在人字缝下方1 2m n l 处的下丘( i n f e r i o rc o l l i c u l u s ， i c ) 位置将颅骨钻一个2 0 0 - - - 5 0 0l - t m 的孔洞，挑破脑膜以便插入玻璃微电极。记录 期问用头皮注射针于背部皮下给1 戊巴比妥钠溶液，维持动物浅麻醉状态。将动 物安放于无回声屏蔽室内防震实验台上，动物头部的铁钉被固定在自制的支架上， 以防止头部移动，保持动物耳眼线与扬声器中心处于同一平面。屏蔽室内本底噪声 3 0 d bs p l ，温度控制在2 5 2 8 。 单管电极用内径1m i d 玻璃毛坯在拉制器( b i o s c i e n c e ，o k ) 上拉制。电极内充 灌2mn a c i 溶液，阻抗5 1 0m r 2 。将微电极固定在液压推进器( k o p f 6 4 0 ，u s a ) 的电极夹上，于手术显微镜( s x e 一1 上海医用光学仪器厂) 下将微电极尖端置于i c 表面。 2 2 声刺激系统和信号记录系统 自由声场刺激，喇叭固定于俯仰方位0 0 平面、经向方位对侧6 0 0 。声刺激系统 包括函数信号发生器( a g i l e n t3 3 2 2 0 a ，m a l a y s i a ) 、短声发生器( 自制) 、声强衰减 器( l a b 4 5 ，l e a d e r ，j a p a n ) 、高频功率放大器( 自制) 和扬声器( a k g m o d e lc k 5 0 ) ，直径1 5c m ，1 2g ，频响：( 1 1 0 0k h z ) 。声刺激系统用声级计( b & k 一2 6 1 0 ， d e n m a r k ) 和l 4 英寸麦克风( 4 9 3 6 ，b & 豳校正。神经元反应由玻璃微电极引出， 经生物电信号放大器( i s o d a m ，w p i ，u s a ) 放大后输至示波器( t d s 2 1 0 ， t e k t r o n i x ，u s a ) 监