（动物学专业论文）掩蔽声所致的下丘神经元前掩蔽效应的时相特性.pdf

硕士学位论文 m sr e r s1 j 正s s 摘要 中脑下丘听神经元接受来自低位和高位昕核团的兴奋性和抑制性输入，通 过这两者的相互作用与整合，使下丘神经元形成对声刺激的不同反应特性。在 本研究中。我们用神经元最佳频率的掩蔽声和探测声引起的前掩蔽效应来观察 至小鼠下丘神经元的兴奋性与抑制性输入问的相互作用。掩蔽声时程变动于5 m s 至6 0m s 间，而双声间隔则变动于5 0m s 至2 0 0m s 之间，双声强度配比等 参数根据神经元反应情况而定。而在这3 个刺激因素中，主要分析前2 个时间 因素，探讨所产生的前掩蔽效应中的时相特性。为了探讨前掩蔽效应中的神经 抑制机制，在实验中用微电泳注射y 一氨基丁酸( g a b a ) 能受体拮抗剂荷包牡 丹碱( b i c u c u l l i n e ，b i c ) 去g a b a 能抑制方法，对前掩蔽效应中神经抑制做 了研究。 实验共获得8 5 个声反应神经元，结果表明：1 ) 随着掩蔽声时程的增加， 8 5 3 的神经元对探测声的反应减弱，潜伏期延长，前掩蔽效应增强：4 4 的神经元反应表现出相反的特性：1 0 3 的神经元表现出非单调性：2 ) 随着 双声间隔的增加，6 7 6 的神经元对探测声的反应增强，潜伏期缩短，前掩蔽 效应减弱；其余神经元表现出复杂的反应形式；3 ) 对不同掩蔽声时程下神经 元对探测声反应的恢复时间进行分析发现，掩蔽声时程变动于5m s 至3 0m s 之间时，神经元对探测声反应的恢复时间随时程的增加而逐步升高；而掩蔽声 时程为3 0m s 至6 0m s 时，恢复时间稳定在1 2 0m s 左右，且达到饱和；4 ) 当 掩蔽声强度增加时，神经元对探测声的反应随之减弱，前掩蔽效应增强；而神 经元的前掩蔽效应与双声声强比值有关，则对双声绝对强度没有依赖性：5 ) 微电泳注射b i c 可使神经元的前掩蔽效应不同程度的减弱或消失，说明g a b a 能抑制在前掩蔽效应中起着重要作用。 综上所述，神经元前掩蔽效应的反应特性由到达神经元的兴奋性和抑制性 输入的时间和强度来决定。由掩蔽声所引发或提供的该抑制性输入，其大小与 掩蔽声的强度及时程相关，持续时间与掩蔽声时程相关。这一抑制性成分在时 间上与探测声引起的兴奋性输入相遇时，则削弱了神经元对探测声的反应，产 生前掩蔽效应。调节掩蔽声的时程、间隔与强度，实际上是不同程度的改变了 抑制性输入，也就可以改变对探测声反应的影响。总而言之，前掩蔽效应的时 间和强度依赖性是神经元对兴奋性和抑制性输入整合的结果。由于前掩蔽效应 可被电泳注射b i c 去g a b a 能抑制所削弱，所以其中的抑制性成分主要是由g a b a 能抑制介导的。本研究还提出了前掩蔽效应的可能机制模型。 关键词：下丘神经元前掩蔽时相特性小鼠 a b s t r a c t i n f e r i o rc o l l i c u l a r ( 1 c ) n e u r o n so ft h em i d b r a i na c c e p t “c i t a t o r yc o n v e r g e n c e a n di 1 1 1 1 i b i t o r yi 叩u t sf r o mb o t hl o w e ra i l dh i 曲e ra u d i t o r yn u c l e i t h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h e s et w oo p p o s i n g i n p u t ss h 印e s d i f f 色r e n t r e s p o n s ep r o p e n i e s o fi c n e u m n s i nt h i ss t u dy w ee x 锄i n e dt h i si n t e r a c t i o nb e t w e e ne x c i t a t o r ya n d i n h i b i t o r yi n p u t st oi cn e u r o n so fm o u s eu s i n gam a s k e ra n dap r o b ea tt h eb e s t f r e q u e n c y ( b f ) o f n e u r o n s w ea n a l y z e dt h et e m p o r a lp m p e r t yo ff o r w a r dm a s k i n g t h r o u g hc h a n g i n gt h e m a s k e rd u r a t i o nf r o m5m st o6 0m sa n di n c r e a s i n gt h e i n t e r v a lf r o m5 0m st o2 0 0m s i no r d e rt os t u d yap o s s i b l en e u r a lm e c h a n i s m u n d e r l y i n gt h ef o r w a r dm a s k i n g ，a na n t a g o n i s t ，b i c u c u l l i n e ( b i c ) ，o fg a b a e 唱i c r e c e p t o rw a sa p p l i e db yi o n o p h o r e s i s t or e c o r d e dn e u r o n s 8 5i cn e u r o n sw e r er e c o r d e da n dt h e s er e s u l t ss h o w e dt h ed i 虢r e n tt y p e so f r e s p o n s e s t ot h e p r o b e u n d e rt h ea c t i o no f m a s k e r ：( 1 ) t h ed i s c h a 唱er a t ea n dl a t e n c y o f 8 5 3 o f n e u m n s d e c r e a s e da n d i n c r e a s e d w i t h m a s k e r d u r a t i o n i n c r e a s i n g ，4 4 o fn e u r o n sw i t h o p p o s i t ep m p e n i e so fr e s p o n s e ，a i l d 1 0 3 o fn e u r o n sw i t h n o n m o n o t o n i cr a t e - i m e n s i t yf u n c t i o n s ( 2 ) n u m b e ro f i m p u l s e si nn e u r o n so f 6 7 6 i n c r e a s e da n dt h e i rl a t e n c i e si nt h e s e sn e u r o n sb e c a m es h o n e rw i t hi n t e r v a lb e t w e e n m a s k e ra i l dp r o b ea n do t h e rn e u r o n ss h o w e dc o m p l i c a t e dp a t t e m so f r e s p o n s e s ( 3 ) t l l r o u g ha n a l y z e dt h er e c o v e r yt i m e 疔o mf o n v a r dm a s k i n gu n d e rt l i e a c t i o no f d i 行b r e n tm a s k e rd u r a t i o n ，w ef o u n dt h a tt h e r e 、v a st y p i c a lt e m p o r a lp m p e r t yi n f o n a r dm a s k i n ga r i dt h er e c o v e r yt i m en e e d e db yi cn e u r o n si n c r e a s e dw i t h m a s k e rd u r a t i o nc h a i l g i n ga tr a n g ef 如m5m st o3 0m sa n dm e nb e c a m es a n l r a t i o n a ta b o u t12 0m s ( 4 ) t h er e s p o n s e so ft h e s en e u r o n st ot h ep r o b ea p p e a r e dw e a k e r w i t hn l em a s k e r i n c r e a s i n g ，b u tw e d i dn o to b s e r v em e d e p e n d e n c e o nt h ea b s o l u t e i n t e n s i t i e so ft w ot o n e s ，r e s p e c t i v e l y ( 5 ) t h ef o n v a r dm a s k i n gb e c a m ew e a ko r d i s a p p e a rd u r i n gb i c 印p l i c a t i o nb yi o n t o p h o r e s i st or e c o r d e dn e u r o n sb e c a u s ei t c o u l dd i s i n h i b i t e dg a b a e 唱i ci n h i b i t i o nb yb i c t h e s er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h er e s p o n s ep r o p e r t i e so fn e u m n st op r o b e u n d e rt h ea c t i o no fm a s k e rw e r ed e t e r n l i n e db yt h et i m ea n di n t e n s i t yo fe x c i t a t o r y a n di n h i b i t o r yi n p u t st oi cn e u r o n s t h ea m p h t u d eo fm a s k e r e l i c i t e da ni n h i b i t o r y i n p u tt oi cw e r er e l a t e dw i 也d u r a t i o na n di n t e n s i t yo fm a s k e r ，b u tt h ed u r a t i o n so f f o n v a r dm a s k i n gi nt h e s en e u r o n sw e r ej u s tr e l a t i o nw i t hm a s k e rd u r a t i o n w h e n t h ei n h j b j t o r y j n p u t st oi c e j i c j t e db ym a s k e re 仉c o u n t e rt h ee x c j t a t o 叫i n p u t se 】i c i t e d b yp r o b e ，i tw e a k e n e dt h ep r o b er e s p o n s ea n dp r o d u c e df o r w a r dm a s k i n g v a r i a t i o n i nd u m t i o na n di n t e n s i 哆o fm a s k e ra n di n t e r 、a lb e t w e e nm a s k e ra n dp m b e ，i t a c t u a l l yc h a n g e d t h eq u a n t i t yo f i n h i b i t o r yi n p u t st oi c a n da f r e c t e dt h e r e s p o n s e o fn e u r o n st o p r o b e a l t o g e t h e r ，f o r w a r dm a s k i n gi s ar e s u l to fc o n v e r g e n c eo f e x c i t a t o r y a n d i 1 1 h i b i t o d i 印u t s t oi c b u ti nf b n a r d m a s k i n g ，t h e r e w e r e d e p e n d e n c e s o nt h et i m ea n di n t e n s i t yo fm a s k e ra n ds o m en e u r a li n h i b i t i o n a c t i v a t e d b y m a s k e lb e c a u s et h ef b n a r d m a s k i n g c o u l db ew e a k e n b y i o n t o p h o r e s i so fb i c u c u l l i n e ，t h i si n h i b i t i o ni n p u t 、v a sc o n d u c t e db yg a b a a n dt h i s i st h er e a s o nw h yf o r w a r dm a s k i n g h a p p e n e di na u d i t o d rc e n t e rw a sn o te x p l a i n e d c o m p l e t e l yb y t h et h e o r yo f 舢d o mv i b r a t i o ni nc o c h l e a l k e yw o r d s ：i n f e r i o rc o l l i c u l a rn e u r o n s ，f o r w a r dm a s n g ， t e m p o r a l p r o p e r 饥m o u s e i ” 1 、引言 1 1 前掩蔽效应的概念 在心理学研究中，人们很早就发现，如果两个短声间隔的时间很短，由于 听者无法分辨，则主观感觉即为一个声音，且主要是对第一个声音的感受。这 种现象被称为前效应( p r e c e d e n c ee f f e c t ) ( l i t o v s k yp fa ，1 9 9 9 ) 。生理 学研究将在时间上有重叠的两个声音的相互影响称为同时掩蔽效应 ( s i m u l t a n e o u sm a s k i n g ) ，而把之间有短暂时间间隔的两个声音的相互影响 称为非同时掩蔽( n o n s i m u l t a n e o u sm a s k i n g ) 。前一个声音对后一个声音的 影响为前掩蔽( f o r w a r dm a s k i n g ) ，后一个声音对前一个声音的影响称之为后 掩蔽( b a c k w a r dm a s k i n g ) 。在前掩蔽中，第一个声音称之为掩蔽声( m a s k e r ) ， 后面跟随的声音为探测声( p r o b e ) 。通常掩蔽声会引起对探测声的反应下降， 感受阈值升高，对探测声的探测能力降低。掩蔽效应是非对称的，同时掩蔽效 应大于非同时掩蔽效应，前掩蔽效应大于后掩蔽效应，且前掩蔽的作用时间范 围大于后掩蔽( l a w r e n c e ，g e o r g ea n dr o b e r t ，1 9 8 9 ) 。 h a r r i s 和d a 儿o s 在研究南美栗鼠( c h i n c h i l l a ) 听神经单纤维反应时发 现，使用不同频率的掩蔽声刺激，在掩蔽效果相同时，前掩蔽声产生掩蔽效应 的闽值曲线近似于纤维的频率调谐曲线( h a r r i sa n dd a l l o s ，1 9 7 9 ) ，换言之， 掩蔽声频率与声信号( 探测声) 频率越相近，掩蔽效应越强。比较其它掩蔽形 式，前掩蔽的掩蔽调谐曲线也更接近于神经元的调谐曲线( l a w r e n c e ，g e o r g e a n dr o b e r t ，1 9 8 9 ) 。这说明，与频率调谐相同，前掩蔽也是听神经系统的特 征之一，是神经元的本质属性。 在动物声通讯和声信号传递过程中，前掩蔽效应具有十分重要的意义。回 声定位动物，如蝙蝠，通过声纳的传播和物体反射的回声来确定目标的距离和 方位。目标周围环境的回声群即对目标回声产生掩蔽，由蝙蝠发声和比目标更 近的物体产生的回声引起前掩蔽效应。回声群与真实目标回声之问的时间关系 归属于掩蔽效应，可掩蔽消除非目标信息，而从掩蔽效应中抽提出有用的目标 距离信息( c h r i s t i n ea n dj e f f r e y ，1 9 9 9 ) 。此外，由于声音到达双耳的时间 差以及其后的不同通路，使双耳接受的声信息到达听中枢的时间略有差异。对 于非回声定位动物和人类，前掩蔽效应对双耳信息整合以及声音方位感受也有 着重要的意义( y i n ，1 9 9 4 ；r e a l ee fa ，2 0 0 0 ：s h u n j i p fa ，2 0 0 2 ) 。 1 - 2 解释前掩蔽效应的几种观点 听觉生理研究发现，在各级听觉通路都可产生前掩蔽效应。如听神经 ( h a r r isa n dd a l l o s ，1 9 7 9 ：f a y ，1 9 9 1 ) 、耳蜗核( s h o r e ，1 9 9 5 ) 、下丘( a r e h o l e p ra ，1 9 8 7 ) 以及皮层( b r o s c ha n ds c h r e i n e r ，1 9 9 7 ) 。声信号在听神经 系统上行传入过程中，发生了神经编码形式的转换。外周听觉系统通过同步反 应来进行时间编码，随着信号的上行传入，产生了依赖于放电率的编码形式。 对耵掩蔽效应，在外周表现为持续放电模式的放电减少，在更高级中枢则转变 为对反应放电率的影响。在这个过程中，有些抑制性影响变得相当长，也有的 神经元对第二个声刺激反应则表现出易化的趋势。 1 2 1 前掩蔽效应的外周解释 在外周中，这种影响被认为与毛细胞螺旋神经突触中的适应有关( s m i t h ， 1 9 7 9 ：h a r r i sa n dd a l l o s ，1 9 7 9 ：w e s t e r m a na n ds m i t h ，1 9 8 4 ，1 9 8 7 ) 。夕 周听觉系统通过同步反应来进行时间编码，随着信号的上行传入，产生了依赖 于放电率的编码形式。对前掩蔽效应，在外周表现为持续模式放电减少。 2 1 2 2 前掩蔽效应的中枢解释 在声信号被听神经编码并上传过程中，发生了神经编码形式的转换。 h a r r i s 和d a l l o s 发现听神经前掩蔽时间和强度都依赖于掩蔽声引起的兴奋程 度。但s h o r e 发现腹侧耳蜗核神经元对前掩蔽效应的恢复特征与听神经不同 ( s h o r e ，1 9 9 5 ) 。她通过手术切除来自上橄榄复合体、对侧耳蜗核及下丘的下 行传入，发现许多腹侧耳蜗核神经元的前掩蔽效应恢复时间变短( s h o r e ， 1 9 9 8 ) 。b a c k o f f 等( 1 9 9 7 ) 对南美栗鼠腹侧耳蜗核用多管电极电泳做细胞注射 b jc u c u l li n e 和s t r y c h n i n e ，分别阻断g a b a 能和甘氨酸能受体，发现使神经 元前掩蔽效应恢复时间缩短了2 3 ，反之，电泳抑制性神经递质则使恢复时间 延长。这说明听觉中枢的神经抑制机制参与了对腹侧耳蜗核神经元的前掩蔽效 应的调制。 由于发生在中枢的前掩蔽效应也和外周一样呈非线性，故日# 掩蔽常被认为 是神经适应，前掩蔽效应的非线性增加和衰减也可被认为是一种固有的非线性 的适应。而另外一种观点则认为中枢的前掩蔽效应是神经元对上行输入的整 合，因为神经抑制导致的前掩蔽( 非适应性) 效应在中枢听觉系统比外周更强， 持续时间更长。 o x e n h a m 的实验表明，如果考虑到外周的前掩蔽效应的机械性的非线性， 中枢的前掩蔽可以被描述成一个线性的过程( 0 x e n h a ma n dc h r i s t o d h e r ， 2 0 0 0 ) 。随后，他在使用宽带噪声进行的掩蔽实验中，运用时间整合模型和神 经元适应模型分别对结果进行模拟，发现时间整合模型能更好的解释实验结 果。说明前掩蔽是外周的非线性和随后的听系统高水平的线性的时间整合的结 果( o x e n h a m ，2 0 0 1 ) ，而其中听觉中枢的整合功能对前掩蔽效应的产生起了主 要作用。 c a s s e d a y 等( 1 9 9 4 ) 认为下丘神经元在刺激时和刺激后的兴奋性依赖于多 3 种因素，其反应模式依赖于兴奋和抑制的上行传入，神经元固有的膜特性和突 触后受体的调节也参与决定下丘神经元的兴奋性。这种抑制主要是由g a b a 能 受体介导的。神经元内在特性及兴奋与抑制性输入的时间组合，可导致神经元 兴奋性的复杂变化。v o l k o v 和g a l a z y u k 发现冲动发放活动的最大抑制发生在 抑制反应的最初l o o 一2 0 0m s ( 这一时期与细胞i p s p 的发生时问相近) 。在i p s p 的发展时期，神经元的膜电阻降至初始值的6 0 一9 0 。在1 0 2 0 0m s 范围内改 变声信号的时程导致i p s p 时程以及神经元发放活动特性改变，一旦声时程超 过2 0 0m s ，神经元的膜电位恢复至静息电位。然而，在这个时期中，神经元的 反应要低于初始状念。若抑制暂停而不发生超极化时，8 7 的神经元膜电阻平 均比初始值降低1 7 ( v 0 1 k o va n dg a l a z y u k ，1 9 9 2 ) 。这一结果是对c a s s e d a y 等人观点的有力支持。随后，全细胞电压钳或膜片钳记录揭示在清醒蝙蝠下丘 存在有阈下声诱发的突触后电流。下丘对声信号的处理确实是依据突触兴奋与 抑制输入的幅度和时间顺序进行的，结果为兴奋和抑制f i i j 的平衡( c o v e ye f a ，1 9 9 6 ) 。由于兴奋性和抑制性突触后电位( 即e p s p 和i p s p ) 的到达时间、 幅度及时程，决定了突触后神经元在突触传递中的反应，中枢神经元产生前掩 蔽反应对时间和强度的依赖性都能用令人信服的突触电位的整合来解释( l u a n d t e n ，2 0 0 2 ) 。 1 3 掩蔽声刺激参数对前掩蔽效应的影响 既然前掩蔽效应是中枢神经系统兴奋性与抑制性输入的幅度和到达时间 的整合，不同的掩蔽声刺激参数会影响掩蔽声反应，也就必然影响神经元对兴 奋性和抑制性输入的整合，从而造成不同的前掩蔽效应。 4 硕士学位论文 m a s t e r s1 jj e s i s 1 3 1 掩蔽声频率 不同频率掩蔽声引起的掩蔽效应不同，而且这种差异分布不对称。心理物 理研究发现，绝对强度相等的掩蔽声，低频掩蔽声引起前掩蔽效应的阈值大于 高频掩蔽声( j e s t e a d tp fa j ，1 9 8 2 ) ，即高频掩蔽声比低频掩蔽声更易产生 掩蔽效应，且产生的前掩蔽效应更强。这种差异起源于耳蜗基底膜的不对称波 动。由于基底膜对低频边波动的陡度大于高频边，则高频掩蔽声引起的兴奋比 低频掩蔽声强，从而产生较强的影响( l a w r e n c e ，g e o r g e ，r o b e r t ，1 9 8 9 ) 。 在听觉生理研究中，人们发现同频双声，特别是神经元最佳频率的双声， 与其它双声频率组合相比，造成的前掩蔽效应更强( s o d e r q u i s tp fa ，1 9 8 1 ： h o r i k a w ap fa ，1 9 9 7 ) 。产生前掩蔽效应的掩蔽声的频率范围比神经元的兴 奋性感受野要稍宽。前掩蔽效应的恢复首先是发生在较低和较高的掩蔽声频率 边缘，接近神经元特征频率的掩蔽声作用持续时间最长( b r o s c ha n ds c h r e i n e r 1 9 9 7 ) 。 1 3 2 掩蔽声强度 在神经元的反应动力学范围内，前掩蔽效应表现出对掩蔽声的强度依赖性 ( s n y d e ra n ds c h r e i n e r ，1 9 8 7 ) 。掩蔽声强度越高，前掩蔽效应越强。引起 前掩蔽效应的掩蔽声的最小强度小于神经元的最小阈值，且一般出现在掩蔽声 的最佳频率上。一般最高的掩蔽声强度引起最长的前抑制，前掩蔽效应的恢复 时间最长。然而，也有一些皮质神经元在中等强度时出现最长的抑制时间。这 说明皮质细胞的前掩蔽还依赖于双声刺激的时间关系( b r o s c ha n ds c h r e i n e r ， 1 9 9 7 ) 。z e n g 和s h a n n o n ( 1 9 9 5 ) 报道了前掩蔽中的强度辨别非单调函数，即 前掩蔽下的强度辨别能力在中等水平的纯音中最强，在较高或较低的纯音中较 弱。在蝙蝠下丘神经元的记录表明，增加掩蔽声强度，对探测声的抑制影响增 加，前掩蔽效应增强：提高掩蔽声强度减小神经元兴奋性频率调谐瞌线。增加 5 探测声强度，抑制减少，恢复时间缩短：提高探测声强度减小掩蔽声的前掩蔽 调谐曲线( l ua n dj e n ，2 0 0 2 ) 。这些结果都说明前掩蔽效应对掩蔽声的强度 依赖性可以用兴奋性和抑制性突触电位的整合来进行解释。 1 3 3 时间参数 与掩蔽声有关的时间参数包括与探测声之间的间隔时间( i n t e r v a l ) 和掩 蔽声的时程( d u r a t i o n ) 。 掩蔽声和探测声起始之阳j 的间隔时间( 。n s e t o n s e ti n t e r v a l ) 对前掩蔽 效应的强弱有直接的影响，一般双声间隔越小，前掩蔽效应越强。对南美栗鼠 听神经单纤维反应的研究发现，探测声反应从前掩蔽效应恢复的时间与双声间 隔成指数函数( h a r r i sa n dd a l l o s ，1 9 7 9 ) 。在猫初级听皮层，双声间隔较长 时，掩蔽声的抑制频率范围较小：对于多数神经元，产生前掩蔽效应的掩蔽声 最小强度在双声间隔增大时升高( b r o s c ha n ds c h r e i n e r ，1 9 9 7 ) 。双声时间 间隔对方位感觉有较大影响。对猫的实验表明，当双声很短时( 小于卜2m s ) ， 产g ：了一个虚幻的声源，其方位朝向前一个声音，依照声音相对强度以及双声 间隔的变化系统地改变。神经细胞的反应结果与人心理物理学研究的结果也一 致( y i n 1 9 9 4 ) 。 心理物理研究发现，前掩蔽效应与掩蔽声的时程存在依赖性。掩蔽声时程 在一定范围内增加引起前掩蔽效应增强( l a k e y ，1 9 7 6 ：k i d da n df e t h ，1 9 8 2 ) 。 对所用的各种强度的掩蔽声，掩蔽作用衰减的速度都依赖于掩蔽声的时程 ( z w i c k e r ，1 9 8 4 ) 。但也有研究表明掩蔽声与探测声的声时程越相近，掩蔽效 应也越大( c r a w l e yp a ，1 9 9 4 ) 。生理研究发现，在l o 一2 0 0m s 范围内改 变掩蔽声时程可导致i p s p 的时程以及神经元发放活动的变化。只要掩蔽声时 程超过2 0 0m s ，神经元的膜电位足可恢复至静息电位。然而，在此期间，神经 元的反应仍低于初始状态。抑制暂停而不发生超极化时，8 7 的神经元膜电阻 6 平均比仞始值低1 7 ( v o l k o va n dg a l a z y u k ，1 9 9 2 ) 。说明在对掩蔽声时程酗 时间信息处理中有两个不同的机制，在约为2 0 0m s 时程时，是这两种作用柳 制的转折点( r a m m s a y e ra n dl e u t n e r ，1 9 9 6 ) 。 实际上掩蔽声时程、强度和双声问隔三者相互关联共同影响前掩蔽效应。 随着双声间隔的增加，长掩蔽声比短掩蔽声使探测声阈值下降得更快。一定匆 率下短时程掩蔽声比长时程掩蔽声造成的探测声感受阈值要高。短而强的掩商 声引起的前掩蔽效应的恢复要比长而弱的掩蔽声产生的前掩蔽效应恢复慢，谚 明一给定量的前掩蔽效应的恢复要视掩蔽效应的发生条件而定( c a r l y o n ， 1 9 8 8 ) 。在人心理感觉中，对掩蔽噪声时程的依赖性与双声问隔的感受阈值荆 关。皮层神经元的恢复函数能用快突触压抑和掩蔽声o n s e t 反应造成的后超 i 化来模拟。这暗示初级听皮层神经元的前掩蔽很大程度由这些细胞的固有性压 或者皮层下细胞的电位来决定( e g g e r m o n t ，2 0 0 0 ) 。对一定的掩蔽声时程，男 声间隔很小时( 0 3m s ) ，前掩蔽效应最大，神经元对探测声的反应量最少， 潜伏期最长，并具有最小的兴奋性频率调谐曲线。当掩蔽声时程增加时，该日 问间隔上限也有所增加。掩蔽声时程、强度和双声间隔三者的相互作用以及x 前掩蔽效应的影响可以用突触电位的整合来进行解释。即掩蔽声产生一个抑 性输入成分，其大小和持续时间与掩蔽声的强度和时程相关；神经元对探测， 的反应是整合这抑制性成分和探测声兴奋性输入的结果，而双声间隔在时0 上对这一整合产生影响( l ua n dj e n ，2 0 0 2 ) 。 还有报道称前掩蔽效应与神经元的发放形式( b o e t t c h e rp a ，1 9 9 0 ： s h o r e ，1 9 9 5 ；w a l t o np fa ，1 9 9 7 ) 以及神经纤维的自发放活动有关( f a y 1 9 9 1 ) 。 1 4 增强探测声反应的前掩蔽效应 前掩蔽效应并不总是减弱探测声的反应，有些情况下掩蔽声可以增强对 探测声的反应。在低位听系统中，从蜗神经的复合动作电位中可见这种增强 ( h e n r y ，1 9 9 1 ) ，而在耳蜗的毛细胞中则没有( h e n r ya n dp r i c e ，1 9 9 4 ) 。当 双声频率相同，问隔为约3 5m s 时，复合动作电位的增强最大。在豚鼠的背侧 耳蜗核脑片中，也发现了这种增强反应( m a n i s ，1 9 8 9 ) 。对人听觉脑干的反应 记录研究发现，当同频双声间隔小于1 9 5m s 时，这种增强也发生于上橄榄复 合体中( k r a u sa n dm c g e e ，1 9 9 2 ：a n a n t h a n a r a y a na n dg e r k e n ，1 9 8 3 ) ，在 双声问隔为7 5m s 时达到最大。 在高级中枢，这种现象也很普遍。在蝙蝠的听皮层、内膝体和中脑，均发 现有神经元对不同频率、不同时间间隔的双声刺激的特殊组合产生最大反应。 c h r i s t i n e 和j e f f r e y 分析了髭蝠下丘中央核( i c 。) 延迟调谐神经元的反应性 质( c h r i s t i n ea n dj e f f r e y ，1 9 9 9 ) ，发现5 l 的神经元对髭蝠发声的频谱成 分易化，2 5 表现出纯抑制性相互作用。神经元产生最大易化的延迟( 最佳延 迟) 的范围在0 2 0m s ，与目标距离相符( 3 4m ) 。且在下丘中央核和内膝 体中，最佳间隔的范围，调谐的锐度以及易化程度都十分相似。这暗示在下丘 水平，神经元反应的基本性质已经确定，不需进行广泛的上行听处理转换。增 加反应的前掩蔽效应可导致神经元对声音的时间模式敏感。这种对特殊的双声 刺激阳j 隔调谐所产生的最大反应，称之为延迟调谐( d e l a yt u n i n g ) 。这对蝙 蝠做特定距离物体的回声辨别是极为有利的。 在猫中，最大增强反应发生在掩蔽声频率比探测声频率高或低一个音阶、 强度比探测声高1 4d b 时，最有效的增强效应的双声间隔约为1 0 0m s 。增强效 应使之对探测声的反应范围大大超过神经元的兴奋性调谐曲线( b r o s c ha n d s ( ：h r e i n e r ，2 0 0 0 ) 。在短尾猿中( b r o s c hp fa ，1 9 9 9 ) ，引起最大增强效应 的平均双声刺激间隔为1 2 0m s ，频率相差约一个音阶。这种引起反应增强的频 率侧隔组合通常与造成反应减弱不同。结果暗示除了反应减弱之外，反应增 强提供了一个参与皮层对声时程组构处理的基本神经机制。 皮层神经元反应增加的条件与下级通路的有较大不同，提示有皮层机制参 与，且不仅仅是皮层神经元对输入的反射。电刺激大鼠皮层a 1 区，发现2 5 的神经元在纯音前掩蔽时表现出易化，而对照仅为5 。在先给纯音的情况下， 6 ( ) 的神经元表现出了对噪声反应的易化。对a l 的刺激还能缩短神经元到达 反应峰值的时间，并增加同步发放的神经元数( k i l g a r da n dm e r z e n i c h ，2 0 0 2 ) 。 皮层中有两个机制可引起反应增强：易化机制和去抑制机制。易化模型提 出第一个刺激的迟发e p s p 和第二个声音引起的e p s p 相叠加，这样两个闽下的 e p s p 可能导致一个阈上的去极化引起神经元发放( r i q u i m a r o u x ，1 9 9 4 ) ；另一 种观点是，反应增强来自于去抑制，第一个刺激引发了一系列时间常数不同的 兴奋和抑制电位，随之一个后发的长持续时间的抑制性电位作用于突触前，当 这一时期后续的刺激引起的抑制到达神经元时，一些抑制被这一突触前抑制所 解除( m e t h e r a t ea n da s h e ，1 9 9 4 ：m i t z d o r f ，1 9 8 7 ：n e l s o n ，1 9 9 1 ) 。这两 种观点都各有实验证据支持。 9 1 5 研究下丘神经元产生前掩蔽效应的时相特性的目的和意 义 前掩蔽效应的相关研究很多，而近年来的研究逐渐转向于对影响前掩蔽效 应因素的探讨。但是这些影响前掩蔽效应的参数之间有什么关系，以及它们作 用于听觉神经系统的途径并不完全清楚。 在上行听觉通路中，下丘除接受并整合来自下级听核团的兴奋性与抑制性 输入外，也接受来自皮层下行的兴奋性和抑制性输入。因此。下丘神经元对声 时间和空间信息的处理受兴奋性和抑制性输入的时间和强度所影响。可以假 定，抑制只有当兴奋性和抑制性输入在一个特定的时间内到达时才发生。而且， 适宜强度和时程的掩蔽声输入才能使下丘神经元对探测声的反应产生更有效 的掩蔽效应。由于y 一氨基丁酸( g a b a ) 是中枢神经系统中广泛存在的抑制性 神经递质，所以c a l f o r d 等( 1 9 9 5 ) 认为听皮层神经元的前掩蔽效应主要来源 于中枢听觉系统的抑制，该抑制主要是由g a 队能受体介导。 本研究的主要目的是探讨不同时间和强度特征的掩蔽声如何产生不同的 前掩蔽效应，并借此推断下丘神经元处理及整合输入信息的方法和途径。为此， 本实验采用相同频率的双声刺激方法，通过改变掩蔽声( m a s k e r ) 的时程、双 声延迟( i n t e r v a l ) 、双声强度等参数，记录神经元反应的发放率、潜伏期等 指标，并计算神经元反应恢复的时间，借此来研究小鼠下丘神经元听反应前掩 蔽效应的时相特性。同时还使用多管电极微电泳注射g a 队能受体拮抗剂荷包 牡丹碱( b i c u c u l l i n e ，b i c ) 去g a b a 能抑制，试图推测这种时相特性的产生 方式。通过对实验结果的分析，探讨中脑下丘前掩蔽效应中的时相特性及其机 制，这对阐明中枢神经元对信息处理的生物学机制具有重要意义。 1 0 2 、材料及方法 2 1 动物手术及电极制备 本实验共选用1 5 只健康、听力正常的成年昆明小鼠( 肋s 删s c “，“s 肋) ， 雌雄不拘，体重2 0 一2 5g ，年龄2 5 6 0 天，均购自湖北省医学科学院实验动物 中心。基本实验方法主要参照c h e na n dj e n ( 1 9 9 4 ) 。手术时用戊巴比妥链 ( n e m b u t a l ，6 0 9 0m g k gb w t ) 腹腔注射麻醉，随后剪去动物头部的毛， 头顶萨中切丌头皮，暴露头顶颅骨。清理创面后将l 根1 8 c 珊长的平头铁钉用 强力胶和牙科水泥固定在头顶颅骨上，供记录时固定动物。在i c 所在部位用 利针将颅骨穿一0 5m m 左右的小孑l 以供插入微电极，记录时用小儿头皮注刺 针经背部皮下给o 6 戊巴比妥钠溶液，使动物保持在浅麻醉状态。手术后将 动物安放于无回声屏蔽室中的防震实验台上，动物头部的铁钉被固定在自制能 一副支架上，以固定头部，保持动物耳眼线于扬声器中心处于同一平面上。元 回声屏蔽室内温度控制在2 5 3 0 。 实验用单管微电极用内径1 帅玻璃毛坯在拉制器( b i o s c i e n c e ，u k ) 上扣 制，内充灌2mn a c l 溶液，阻抗5 1 0m q 。微电泳用多管电极制备方法参髅 ( ；o d w i n ( 1 9 9 3 ) 。分别拉制单管电极和三管电极( w p i ，u s a ) ，三管电极尖端营 直径约l oum ，并将它们组装在一起。2mn a c l 溶液灌注多管电极中的平衡稚 接地管，o 9m 的n a c l 溶液用以配冕1 0m m o l lb i c ( s i g m a ，u s a ) 并灌注壹 物电极，经a g a g c l 丝连接至离子电泳仪( w p i ，u s a ) 。电泳电流l o 一7 0n a ， 滞留电流一1 0n a 。将微电极固定于液压推进器( k o p f6 4 0 ，u s a ) 的电极夹上， 于手术显微镜( s x e l ，上海医用光学仪器厂) 下将电极置于i c 表面。 2 2 声刺激系统和反应信号记录 本实验采用自由声场( f r e ef i e l d ) 声刺激，声信号为频率连续可调的纯 音( p u r et o n e ) 短声( t o n eb u r s t ) 。声刺激系统由函数信号发生器( g f g 一8 0 1 6 g ， g o o dw “li n s t r u m e n t ，台湾) 、短声发生器( 自制) 、声强衰减器( l a t 一4 5 ， l e a d e r ，j a p a n ) 、混音器( 自制) 、高频功率放大器( 自制) 和超声喇叭( b k ) 组成。函数信号发生器发出的币弦波经短声发生器调制成短声，通过声强衰减 器后经混音器混合，再经高频功率放大器放大，然后出高频喇叭播放给动物。 声刺激率为1 次秒。喇叭固定于垂直方位即e l e v a t i o n 的0 平面( 该平面与 动物口眼线保持同一水平) 、水平方位即a z i m u t h 角度为对侧6 0 。喇叭中心距 动物双耳中点3 8 5c m 。实验前，用声级计( h s 5 6 6 0 a ，国产) 校f 喇叭声压。 在实验过程中声刺激强度可直接从衰减器上读取。 神经元反应经由玻璃微电极引出，经生物电信号放大器( i s o d a m ，w p i ， u s a ) 放大后输至计算机采样，5 0 次刺激的反应叠加并转换成刺激后时间直方 图( p o s t s t i m u l u s t i m eh i s t o g r a m ，p s t h ) 储存，供进一步分析处理。反应 信号同时送至模拟示波器( p m 3 0 8 4 ，f l u k e ，u s a ) 监视，至监听装置监听。整 个实验全部仪器连接见图l a 。 实验资料用e x c e l 和s i g m a p l o t 软件进行分析和作图。 a b i n t e r v a l m a s k e r p r o b e 图l实验装置及刺激模式示意图。a 双声刺激系统和记录系统示意图。 l j 双声刺激模式图。掩蔽声( m a s k e r ) 及探测声( p r o b e ) 的频率均为神经元 的最佳频率( b f ) 。实验时可改变掩蔽声的时程以及双声起始之间的间隔 ( o n s e t o n s e ti n t e r v a l ) 。 2 3 实验记录i c 神经元声反应的步骤与内容 1 ) 自由声场单声刺激，短声时程为4 0m s ，起落时间各为2m s ( 5m s 声 时起落时间为1m s ) 。电极从i c 表面垂直推进，寻找声敏神经元。找到声敏神 经元后，记录如下数据：l 、由微电极推进器上读出并记录其深度( d e p t h ) ：2 、 调整声刺激信号的频率和声强，测定神经元的最佳频率( b e s tf r e q u e n c y ，b f ) 和最小闽值( m i n i m u mt h r e s h 0 1 d ，m t ) 。 2 ) 改变掩蔽声时程。通过两套短声发生装置给出两个短纯音，频率均为 神经元的b f ，