（动物学专业论文）弱噪声对小鼠下丘神经元声反应动力学的影响及其机制探讨.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 大脑如何从复杂喧嚣的环境中提取有行为学意义的信息并对其加以处 理、利用，一直是神经科学中的核心问题之一。现实环境中，所需信号常被 空间上分散的噪声所掩蔽，因此中心问题是听觉系统如何抽提信号和在掩蔽 存在的情况下完成其听觉任务。本研究的主要目的是通过模拟自然背景噪声， 探讨弱噪声对下丘神经元感受声强以及对神经元声反应动力学范围的影响， 并借此推断在背景噪声中，下丘神经元在整合和处理声信息中的作用。 在自由声场刺激条件下，用相当于纯音闽下5d b 强度的弱包络自噪声( 或 称弱噪声) 与纯音短声( 或称信号) 同步给出，观察和记录了弱噪声对小鼠( m u s m u s c u l u sk m ) 下丘神经元声强处理、放电率函数和反应动力学范围的影响。 共获得1 8 2 个神经元，对其中8 6 个神经元做了弱噪声影响的测试，结果发现： ( 1 ) 弱噪声对神经元放电率的作用呈抑制( 7 9 ，一= 6 8 8 6 ) 、易化( i o 5 ， = 9 8 6 ) 和基本不受影响( 1 0 5 ，l = 9 8 6 ) 三种类型，其中抑制性的变化 有极其显著差异( p o 0 5 ) ；( 2 ) 弱噪声对闽反应的抑制效应最强，并随纯音强度的增加抑制减弱 ( p 0 0 0 0 1 。0 1 1 e w a y a n o v a ) ：( 3 ) 大部分弱噪声抑制的神经元( 7 2 ，h = 4 9 6 8 ) 反应动力学范围( d y n a m i cr a n g e ，d r ) 发生固缩性变化( j p 0 0 0 1 ， n = 4 9 ) ，低强度端明显向高强度方向漂移，表明神经元对声强变化的敏感性 增强，编码能力也增强：( 4 ) 去g a b a 能抑制后，神经元放电率增加。能全 部或部分取消弱噪声抑制导致的放电率减少，且d r 值增加，弱噪声抑制致 使神经元声强敏感性加强的影响被削弱，表明弱的背景噪声有可能激活至l c 的g a b a 能抑制性输入。 根据这些变化可以推测，这种背景噪声的生物学作用可能是通过弱噪声 所引起的耳蜗随机共振的输入，在上行过程中经各级听觉核团的整合，将中 枢声敏感神经元调定在一种准备状态，并定型放电率函数和调制神经元对声 硕士学位论文 b , t a s t e r st h e s i s 强的编码。实验中所记录到的大量p h a s i c 神经元在分析背景噪声中的声信号， 以及声信号的识别方面可能扮演重要角色，因为听觉认知的最初阶段就是信 号识别。表明在无弱噪声环境下，虽然神经元的d r 很宽，但强度分辨率或 敏感性并不高。尽管弱噪声抑制使神经元感受强度的范围缩小，但对强度变 化的敏感性却提高，这对人在“鸡尾酒会”场景下的言语交流和动物在充满 噪声的自然环境中的声通讯，捕捉重要的信息载体参数一信号强度以及感受 强度的动态变化的能力提供了生物学基础和演化适应的证据。也正是由于听 觉系统与环境噪声间长期相互作用，使之演化产生了最佳匹配。这也是为什 么人和动物的听觉系统感受强度在变化中的信号要比强度恒定的信号更加适 宜的原因之一。 关键词：弱噪声小鼠下丘动力学范围g a b a 能抑制 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t t h ea b i l i t yt oe x t r a c tas i g n a lf r o mc o m p l e xa u d i t o r ys c e n ei saf o c u so f i n t e r e s ti nn e u r o s c i e n c e t nn a t u r a le n v i r o n m e n t ，t h es i g n a la l w a y sm a s k e db y i n t e r f e r i n gn o i s e ，t h a tt h ec r i t i c a lp r o b l e mi sa u d i t o r ys y s t e mh o w t oc a t c ht h e s i g n a lu n d e rt h en o i s ec o n d i t i o n sa n dw h a tn e u r a lm e c h a n i s mt m d e f l y i n gi t i n o r d e rt os t u d yt h ee f f e c to fw e a kn o i s eo nt h es o u n ds i g n a le x t r a c t i o no fm o u s e ( m u sr a u $ c u l u sk m ) i n f e r i o rc o l l i c u l a r ( i o n e u r o n sf r o me n v i r o n m e n t ，w e e x a m i n e dt h ec h a n g ei nn e u r o n a lr a t e i n t e n s i t yf u n c t i o n ( r i f ) r e s u l t e df r o ma w e a kn o i s er e l a t i v et o5d bb e l o wm i n i m u mt h r e s h o l d ( r e m t - 5d b ) u n d e rf r e e f i e l ds t i m u l a t i o nc o n d i t i o n s at o t a lo f18 2i cn e u r o n sw e r er e c o r d e di np r e s e n ts t u d ya n dr i f so f8 6i c n e u r o n sw e r em e a s u r e d w ef o u n dt h a tt h er i f s ( 7 9 ，胛= 一6 8 8 6 ) i n h i b i t e db y n o i s ew a sv e r ys i g n i f i c a n t ( p o 0 5 ) i n t h e s et w o t y p e s t h ed e g r e eo f n o i s ei n h i b i t i o na tm i n i m u mt h r e s h o l d ( m t ) w a s t h es t r o n g e s ti n 曲ew h o l ei n t e n s i t yd o m a i n a n dt h ei n h i b i t i o nd e c r e a s e dw i t ht h e s i g n a li n t e n s i t yi n c r e a s i n g ( p o 0 0 0 0 a l s o ，a f t e rc a l c u l a t e dt h ed y n a m i cr a n g e ( d r ) o fr i fi n h i b i t e db yn o i s e ，w ef o u n dd r so fn e u r o n s ( 7 2 ，疗= 4 9 6 8 ) b e c a m et h es m a l l e rf ， 0 0 0 1 ，n = 4 9 ) a n db i c u c u l l i n e ( a na n t a g o n i s to f g a b a e r g i cr e c e p t o ra ) a p p l i c a t i o ni n c r e a s e dt h en u m b e r o f i m p u l s e s ，e n t i r e l yo r p a r t i a l l y c a n c e l l e dt h ee f f e c t so fn o i s eo nt h er 【f i n c r e a s e dd r so fn e u r o n r e s p o n s e ，a n dw e a k e n t h ei n h i b i t o r ye f f e c to fw e a kn o i s eo nr i fa n dt h es e n s i t i v i t y o fn e u r o nt oi n t e n s i t yc h a n g e i ts h o w e dt h a ta c t i v a t e di n h i b i t i o nb yw e a kn o i s e c o u l db e g a b a e r g i c i n h i b i t i o n j ；i 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s f r o ma b o v et h ef i n d i n g s ，w ec o u l dg i v ea h y p o t h e s i st h a tt h ei n p u to f r a n d o m o s c i l l a t i o ni n d u c e db yn o i s ei nt h ec o c h l e at oc e n t r a la u d i t o r ys y s t e mc o u l db e i n t e g r a t e di nt h ec e n t r a la u d i t o r yn u c l e u sa n dt h er e s p o n s eo fs o u n d s e n s i t i v e n e u r o nt os o u n ds t i m u l ic o u l db ea d j u s t e dt oa l lo p t i m u ms t a t ef o rs i g n a li n t e n s i t y c o d i n g i np r e s e n ts t u d y , w eo b t a i n e dl a r g en u m b e r so fp h a s i cd i s c h a r g ep a t t e r nn e u r o n s ， w h i c hp l a yi m p o r t a n tr o l ei na n a l y s i sa n dp e r c e p t i o no fs o u n d s i g n a lf r o me n v i r o n m e n tw i t h b a c k g r o u n dn o i s e s u g g e s t i n gt h a tt h es e n s i t i v i t yo fi cn e u r o nt oi n t e n s i t yc h a n g ew a sw e a k e r u n d e rt h eq u i e tc o n d i t i o n st h a nt h en o i s ee n v i r o n m e n t i tm a k e sb e n e f i tt oc a t c ht h er a p i d i n t e n s i t yf l u c t u a t i o n s ，w h i c ha r et h o u g h t t ob e i m p o r t a n ti n f o r m a t i o n - b e a r i n g p a r a m e t e r sf o rs i g n a lp r o c e s s i n g ，i nh u m a ns p e e c ho f “c o c k t a i lp a r t ye f f e c t ”a n d s p e c i f i cc o m m u n i c a t i o ns i g n a l so f o t h e rs p e c i e s t h i si sp r o b a b l yw h yh u m a na n d a n i m a le x t r a c ts i g n a lo f c h a n g i n g i n t e n s i t ym o r ee a s yt h a n t h ec o n s t a n t i n t e n s i t y k e y w o r d s ：w e a k n o i s e ；m o u s ei n f e r i o rc o l l i c u l u s ；d y n a m l er a n g e ；g a b a e r g i ei n h i b i t i o n 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 、引言 从物理学角度看，噪声( n o i s e ) 指发声体做无规则的杂乱无章的振动时 发出的声音。从声学的角度而言，噪声指含多种频率成分。其频谱通常是宽 的连续谱的声音，按其特征不同，可分为多种类型：白噪声( w h i t en o i s e ) ， 粉红噪声( p i n kn o i s e ) ，计权噪声( w e j f g h t e dn o i s e ) ，窄带噪声( n a n d wb a n d n o i s e ) ，无规噪声( r a n d o mn o i s e ) ，脉冲噪声( i m p u l s en o i s e ) 等( 梁之安， 1 9 9 9 ：孙玉温，1 9 9 4 ：徐科等，2 0 0 0 ) 。而从环保角度看，噪声指妨碍人们正 常学习、工作和休息的声音，及对人们要听的声音起干扰作用的声音。噪声 的来源非常广泛：机器的轰鸣、机动车的呜叫、飞机的起落、甚至优美动听 的音乐在不适宜的场合出现，都是干扰人们j f ! 常生活的噪声。可以说，人和 动物生活的环境是一个充满噪声的环境。 噪声严重影响人们的工作和生活，人类对其危害认识很早，我国汉朝司马 迁史记中已有“宫动脾，商动肺，角动肝，徵动心，羽动肾”的记载。 1 1 噪声对听觉系统的影响 长期接触强噪声后，听觉器官首当其冲，主要表现为听力下降，下降程度 与噪声强度和接触时间有关。首先是生理性反应，后出现病理性改变。生理 性听力损失为脱离噪声环境后，一段时间即可恢复，恢复时间较短的称听觉 适应，较长的称听觉疲劳；病理性的听力损失则不能完全或完全不能恢复。 为永久性的听力下降，即所谓噪声性耳聋。 1 2 噪声对某些神经功能的影响 噪声可引起头痛、头晕、耳鸣、心悸及睡眠障碍等神经衰弱综合症，长期 接触强噪声的人表现易疲倦、易激怒( 噪声性神经衰弱) 等现象，检查其大 l 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 脑应层功能，发现抑制和兴奋过程平衡失调，脑电图。节律减弱或消失，b 节律增强。 1 3 噪声对心血管系统的影晌 噪声会引起血压不稳，血管张力改变，有足够的证据表明强噪声暴露会导 致高血压和缺血性心血管疾病。 除此之外，噪声对人体呼吸、代谢、免疫、视觉等多方面的健康构成威胁。 并且噪声对儿童的影响较成人更为严重，医学专家研究表明。在吵闹环境中 生活的青少年，其智力发育要比安静环境中低2 0 ，出现精力不集中，工作 效率低下，易出错，而且语言形成期的儿童在噪声环境下语言学习减慢 ( m o r r e l le ta l ，1 9 9 7 ) 。 1 4 强噪声暴露对耳蜗损伤的研究 强噪声暴露对耳蜗的损伤，包括机械性、血管性及代谢性三种，一般认为 血管性因素起主要作用，噪声使耳蜗血管产生病理改变，微循环障碍，耳蜗 血流量减小，出现细胞的能量储备与供应障碍，造成内耳组织的蛋白质、脂 类、糖原及核酸的合成减小，酶系统的功能障碍。从而引起内耳c o r t i 氏器形 态结构的损伤，在神经冲动传递和传导的各环节中，突触是最易受影响的部 位，噪声暴露后首先出现外毛细胞传入和传出神经末梢退变( d e g e n e r a t i o n ) ， 而后出现内毛细胞神经末梢退变，导致声电转换功能障碍( 苏纪平等，1 9 9 4 ； 李明奇1 9 9 4 ；郑向阳等，1 9 9 5 ) 。 兴奋性毒性也是强噪声暴露引起耳蜗毛细胞损伤的一个重要因素，强噪声 刺激引起内毛细胞传入神经递质谷氨酸的过度释放( 1 a g e r e ta l ，2 0 0 0 ) ，致使谷 氨酸在耳蜗的内毛细胞传入神经突触间隙中堆积，进而引起耳蜗内毛细胞传 入神经树突膜上谷氨酸受体的过度激活，使得树突膜外的c a 2 + 、n a + 、c l 及水 分子大量内流，最终造成内毛细胞传入神经树突末梢严重水肿、变性、乃至 坏死，表现为耳蜗内毛细胞传入神经树突末梢肿胀、变性和空泡样病变( 谭 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 祖林等，2 0 0 1 ) 。 1 5 背景噪声中声信号的提取 大脑如何从复杂喧嚣的环境中提取有行为学意义的信息并对其加以处理、 利用，一直是神经科学中的核心问题之一。对听觉而言，自然状态下，耳所 接受的是看似复杂多变、混沌无序的声信号，然而，听感知所获得的却是一 种组织有序的“听景”( a u d i t o r ys g e n e ) ，从而使得检测、甄别、定位行为相关 声信号成为可能( t a n e n ，2 0 0 1 ) 。c h e r r y ( 1 9 5 3 ) 观察到，鸡尾酒会上，交谈 者可以在喧嚣嘈杂的人群中交流，虽然周围满是他人的说话声，但两人听到 的只是对方的声音，他将此现象命名为“鸡尾酒会效应”( c o c k t a i lp a r t ye f f e c o 。 鸡尾酒会效应显示出人可借助听觉器官所获取的声线索，从嘈杂的背景声环 境中选择出要找寻的对象，此种特殊能力决定于人听觉系统、语言系统以及 皮层感知系统的特性。大自然中的动物也都有独特的抽提声信号的策略，如 雌蛙可以在大片蛙鸣交响乐中找到自己同种的伴侣：蝙蝠可从复杂环境所反 射的回声中滤出靶物信息；鸟( r y a na n db r e n o w i t z ，1 9 8 5 ) 和灵长类动物 ( w a s e ra n dw a s e r ，19 7 7 ) 提高信噪比的一种方法是使信号能量尽量分布在环 境噪声频谱中的“消声”( q u i e t e r ) 区域内；大量的无脊椎和脊椎动物( g r e e n a n d m a r l e r ，1 9 7 9 ；b r a b u r y a n d v e h r e n c a m p ，1 9 9 8 ) 利用信号的主频区与动物 听感受系统的最敏感区域相匹配来解决该问题。这些现象表明听觉系统在长 期的自然演化过程中对充满噪声的听环境产生了结构与功能的适应。多年来， 人们一直认为，听觉系统是通过对行为相关声信号的“抽提”作用，特异性 过滤“无生物学意义”的声信号( 滤波枧制) ( e g g e r m o n t j j ，1 9 9 8 ) 而得以实 现的，但从目前有关噪声对听中枢神经元声反应特征的影响模式来看，噪声 似乎并非总是“有害”声源，声信号与噪声之间所产生的匹配作用在一定条 件下可以起到突显声目标的效果。 1 5 1 心理物理学研究一共调制掩蔽释放 心理物理学上的掩蔽现象最初是用听觉系统的能量频谱模型来解释的 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( f l e t c h e r ，1 9 4 0 ) ，此模型假定：( 1 ) 听觉系统利用重叠滤过( o v e r l a p p i n gf i l t e r s ) 的边缘一i | f f i 界带( c r i t i c a lb a n d s ) 来分析声信号：( 2 ) 闽值由声能量与掩蔽能 量的最大滤过比决定，与声信号的时相特征无关。然而，当前的研究显示， 窄带掩蔽声作用下，探测正弦信号的能力在同步出现一个额外的掩蔽声( 频 率与信号频率相隔遥远) 时明显提高，由此研究者提出跨频率的包络波动是 连贯的( h a l le t a l ，1 9 8 4 ) ，并将此现象命名为“共调制掩蔽释放”( c o m o d u l a t i o n m a s k i n gr e l e a s e ，c m r ) 。而这种效应是无法用能量频谱模型( t h ep o w e r s p e c t r u m ) 来解释的，因为c m r 结合了跨临界带的信息联合作用和信号的时 相( t e m p o r a l ) 特征的影响。当前在听觉通路的各个不同水平均发现与c m r 相关的反应( v e r h e y e ta l ，2 0 0 3 ) 。 从信号频率中去除频率区内附加的能量，能提高从背景噪声中探测声信 号的能力。然而，这种能量须是以跨频率耦合进行幅度调制的，即共调制， 这种信号探测能力的提高即为c m r 。研究发现在以下条件c m r 将达到最大 ( 1 ) 掩蔽声的频带较宽；( 2 ) 调制频率较低；( 3 ) 较深的调制深度；( 4 ) 包 络正常：( 5 ) 掩蔽声的频谱( s p e c t r u m ) 能量较高。在听觉通路的不同水平都 发现了c m r 可能的生理相关，其生理机制包括宽带抑制和掩蔽调制包络反应 的干扰。n e l k e ne t a l ( 1 9 9 9 ) 分析研究了2 5 种动物( 如蛙、鸟、猫、狗等) 的声音，将其分解成包络调制声，分离的声音具有明显的包络波动，因为此 种分离的背景能激发c m r ，结果发现背景声与多种非动物声和动物声的混 合，其能量在不同频率带是共调制的。背景噪声中不同频带的共调制能提高 人在噪声中探测纯音的能力，并发现共调制也能提高皮层神经元在噪声中探 测纯音的能力，听神经元的这种特性是行为学上的c m r 的基础。此种相关可 能作为听觉系统的适应，为易化处理真实世界的任务而运用了自然声属性的 一种策略。 1 5 2 随机共振( s t o c h a s t i cl e s o n m l c e ) 一个具正常听力的人可在非常嘈杂的环境、信噪比为- - 3 0 d b 时正确的理 解语言( s t u d e b a k e r e ta l ，1 9 9 4 ) ，现在还不清楚听觉系统如何完成如此超常的 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 任务，但随机共振被认为起到极为重要的作用。随机共振是一种非线性现象， 即当环境中存在最佳低水平的噪声时能提高对接近阙值的信号的探测，最初 由k i a n ga n dm o x o n ( 1 9 7 2 ) 在电路循环中证明，后在各种物理和生物过程中 得到证明( b r a u ne ta l ，1 9 9 , 1 ；c o l l i n sa n di m h o i t , 1 9 9 6 ；d o u g l a s se ta l ，1 9 9 3 ； l e v i na n dm i l l e r , 1 9 9 6 ；n a r i n se ta l ，1 9 9 7 ；s t e m m l e re ta l ，1 9 9 5 ) 。 哺乳动物大部分听敏感神经元( a u d i t o r ys e n s i t i v en e u r o n ) 在安静环境中显 示出大量的自发活动( k i a n ge t a l ，1 9 6 5 ) 。这种自发活动和由刺激引起的昕神 经元反应一样，本质都是随机的。神经元自发的随机反应对于听信号处理非 常重要，此种“内噪声”大部分源于毛细胞或突触。、记录哺乳动物耳蜗发现， 损坏毛细胞后，听神经元自发活动减少，电刺激产生的神经元随机发放也减 少( k i a n g e ta l ，1 9 7 0 ；l i b e r m a na n dd o d d s ，1 9 8 4 ；k i a n ga n dm o x o n ，1 9 7 2 ) 。这 种内噪声减小，导致行为闽值上升，频率选择性降低，语言感知能力下降。 近期在动物致聋前后用电刺激昕神经显示，其结果与对声音的敏感性减小一 致，余下的毛细胞摆动幅度减小，正常反应的随机性减少( a b b a se t a l ，2 0 0 0 ) 。 电子耳蜗植入者通过电刺激余下的昕神经纤维以提高听觉敏感性，弥补听力 的严重低下，并且通过耳蜗植入将最佳量的噪声导入，可提高听觉感知。有 研究显示使用弱的但可听的最佳量的“音节”噪声，能明显提高耳蜗植入患 者对包络调制的敏感性( c h a t t e r j e ea n dr o b e r t ，2 0 0 1 ) ，调制敏感性和噪声强度 的非单调函数提示随机共振的存在。 噪声对外周听觉系统的影响分两部分：单个通道内的信号处理被最佳水平 的额外噪声所提高；跨通道的处理过程被各个通道内早期的独立噪声源所提 高。已有证据表明正常的听觉系统使用了上述两种机制，如在蛙的单个囊状 毛细胞上的实验表明，随机共振可在相关的感觉系统发生( j a r a m i l l oa n d w i e s e n f e l d 1 9 9 8 ) ，提示在外周，单个通道内的信号处理能被最佳水平的额外 噪声所提高。在哺乳动物听神经纤维，发现了单个神经细胞相对对立的自发 发放随机处理过程持续的相互作用( j o h n s o na n dk i a n g1 9 7 6 ) ，提示在听觉系 统传输过程中。跨通道处理的相对独立的起源在较早期就已发生( c h a t t e r j e e a n dr o b e r t ，2 0 0 1 ) 。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s j s 研究噪声对调制信号影响的实验显示，对噪声的敏感性和对调制信号的敏 感性都是强度依赖性的，且噪声在柔和的载声( s o f tc a r r i e s ) 和较高的调制频 率下利于对信号的探测( c h b t t e 巧e e a f l dr o b e r t ，2 0 0 1 ) 。无噪声时听觉系统的行 为就象一台低通滤过器，研究者提出调制传输函数的强度依赖性反映了内噪 声源的更多的存在于信号处理的后期阶段即靠近中枢部分，而在低通滤过部 分内噪声源较少，内噪声对失聪的外周耳蜗部分贡献更小。滤波器模型可用 来解释：在弱载体声时，探测调制信号的能力在高频时下降更多，因为低通 滤波的衰减输出在高调制频率下与内噪声更接近，于是降低了信噪比。推测 在低的载声幅度和最佳的额外噪声水平条件下。随机振动提高信号强度发生 在相对较早的信号处理阶段。是通过抬高信号来完成( c h a r j a n dr o b e r t ， 2 0 0 1 ) 。 1 5 3 背景噪声下听中枢神经元的声信号处理 下丘( i n f e r i o rc o l l i c u l u s ，i c ) 是重要的听中枢会聚站，在声信号处理过程 中起关键作用。目前已在多种动物上观察到背景噪声对i c 神经元提取声信号 的影响。对小鼠i c 最小间隔闽( m i n i m u mg a pt h r e s h o l d s ，m o d 的研究显示， 神经元可分为背景噪声耐受型( b a c k g r o u n dn o i s er e s i s t a n t ，b n r ) 和背景噪声 敏感型( b a c k g r o u n d n o i s es e n s i t i v e ，b n s ) ( w a l t o na n d w i l s o n ，2 0 0 0 ) 。背景噪声 既可降低b n s 型神经元在刺激间隔期间的放电率，又可引起刺激间隔之后的 放电率增加，并且改变其潜伏期的拓扑组构特征。在豚鼠i c 上则观察到，9 4 的记录神经元对短时程的白噪声刺激敏感，其中育8 0 的神经元能在垂直听 环境上做空间方位调谐( s t e r b i n ge ta l ，2 0 0 3 ) 。去大脑猫的i c 研究表明 ( r a m a c h a n d r a ne ta l ，2 0 0 0 ) ，f t c 较窄的神经元( i 型) 在连续噪声存在时其编 码声信号的能力无明显改变，这与早期推测的该类神经元适宜于编码背景噪 声下的窄带信号相符。该现象同样见于仓枭：运动性声刺激时，i c 神经元的 经向( a z i m u t h ) 方位耳间相位差调谐特征并不因加入背景噪声而受到损害 ( t a k a h a s h ia n dk e l l e r , 1 9 9 2 ) 。另一个颇有意义的发现是，在豹蛙( r a n a p i p i e n s p i p i e n s ) 的i c ( r a t n a m a n d f e n g ，1 9 9 8 ) ，当噪声掩蔽源与信号源在经向方位空 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 间分离度逐步加大时，2 2 的神经元( a 型) 其信号检测闽( d e t e c t i o n t h r e s h o l d ， d n 逐步降低；与此相反，有2 4 的神经元( v 型) 表现出相反的变化模式， d t 在信号源与掩蔽源空间重合时最低：而当空间分离度加大时，d t 反而增 加。显然，豹蛙i c 的v 型神经元反应特性与心理物理学观察的结果相矛盾。 有关背景噪声对昕皮层( a u d i t o r yc o r t e x ，a o 神经元声信号提取的影响研 究近年也有新的进展。b r u g g e 等发现f b r u g g e e ta l ，1 9 9 8 ；r e a la n db m g g e ， 2 0 0 0 ) ) ，猫的初级听皮层( p r i m a r ya u d i t o r yc o r t e x ，a i ) 有效空间感受野内的神 经元其反应潜伏期和幅度随声刺激方向呈系统性改变，构成梯度集合结构， 提高声刺激强度、加入连续背景噪声或给予条件刺激时，尽管有效空间感受 野范围受到影响，但表征刺激方向的梯度集合结构保持完整，提示a c 神经 元具有足够的抗环境噪声干扰的能力i 最新的研究进一步证实( f u r u k a w aa n d m i d d l e b r o o k s ，2 0 0 1 ) ，背景噪声只降低猫次级听皮层( p r i m a r ya u d i t o r yc o d e x ，a i i ) 神经元对非敏感角度声刺激的反应，而对敏感角度的声刺激反应影响很 小。值得注意的发现是，约有i ，3 的神经元在信噪比( s ，n ) 较高时，放电率 出现升高现象。在此之前，已有人从行为水平研究报道( s h t y r o v e ta l ，1 9 9 9 ) ， 元音及辅音诱发的脑磁场记录显示出背景白噪声对左右脑听皮层反应影响不 一，自噪声对皮层反应的压抑效应主要见于左半球，而右半球不仅未受压抑， 反而显示出活动的增加，提示背景噪声条件下语言处理过程中右半球募集了 新的听皮层结构参与。 日常的听觉情形中，精确的语言感知依赖于听觉系统在噪声环境中处理 复杂声信号的能力。背景噪声中，评估特殊语言感知显示：辅音比元音受到 的噪声影响大，因为其强度较低，这种影响在听觉系统的各级水平( i c ，m g b ， a c ) 均出现，而在皮层最明显。听线索增强( c u ee n h a n c e m e n t ) ，即增加信号 强度和延长g 印的时程能减小噪声对极易受干扰的昕特性的影响( c u n n i n ge t a l 。2 0 0 2 ) ，其神经生理学机制可用基本的听力学原理解释：第一，增加信号声 强度能引起更多的神经元反应。从而使放电率加大( p h i l l i p s ，1 9 9 0 ) 。第二，刺 激参数的改变提高了神经元发放的时相精确性( t e m p o , r a lp r e c i s i o n ) ，使其发 放的同步性提高，从而使放电率增加的幅度加大。第三，延长g a p 的时程可减 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 小神经元的适应，为神经元提供的恢复时问增长，神经元对元音反应后，可 恢复时间的增加使神经元对辅音o n s e t 反应增加。听线索增强( c u e e n h a n c e m e n t ) 提高了神经元o n s e t 反应的同步性，并减小了信号的频谱信息所 受干扰，利于语言感知的莹现。k i t z e sa n db u c h w a l d ( 1 9 6 9 ) 研究发现从耳蜗 到丘脑( t h a l a m u s ) ，双声起始之间的间隔( i n t e r s t i m u l u si n t e r v a l ) 对抑制的影 响，越近中枢影响越强。并且研究还发现信号强度的增加和g a p 时程的延长对 抑制的影响在听觉通路的各级水平都有出现，n ? i a c 的o n s e t 反应受背景噪声和 听线索增强的影响较i c 和m g b 更大( c u n n i n g e ta l ，2 0 0 2 ) 。对a c 和听神经纤维 的比较研究发现，a c 对时相的编码得到保持和有所提高( h e i la n di r v i n e ， 1 9 9 7 ) , 这可能是因为在a c 接受更大程度的神经抑制和整合更多的输入所致。 1 5 4g a b a 对背景噪声中楗取声信号的作用 目前已知，y 氨基丁酸( g a b a ) 是中枢神经系统广泛存在的抑制性 神经递质，对中枢神经元的功能活动有着极为重要的影响，有人形象的将 g a b a t h 喻为脑功能的化学雕刻刀，它使整个脑活动得以修饰和塑造，以及 精细调整。有研究表明，老年性耳聋( p r e s b y c u s i s ) 表现为语言璁解出现困难， 声定位精确度降低，从背景噪声中探测和抽提声信号的能力百降，中枢神经 系统听信息处理的能力减弱，其原因部分是因为抑制性神经递质g a b a 的功 能性损失( c a s p a r y e t a l ，1 9 9 5 ；c a s p a r ye ta l ，1 9 9 9 ) ，提示g a b a 可能对背景噪 声中提取声信号发挥重要作用。 1 5 5 环境噪声对听觉敏嬉性的定型作用 h a w k i n sa n dm y r b e r g ( 1 9 8 3 ) 发现环境噪声能影响生物的绝对听力敏感 性，许多鱼生活在非常浅的水中，需在高强度的背景噪声中短距离的传播低 频率的信号声( f i n ea n dl e n h a r d t 。1 9 8 3 ；r o g e r sa n dc o x1 9 8 8 ) 。l u g l te ta l ( 1 9 9 2 ) 证明有两种鱼( p a d o g o b i u s m a r t e n s i i a n d b o b i u s n i g r i c a n s ) 能在浅水的高噪声 区接收信号。表明来自环境的共有选择性压力能有助于听能力的汇聚，对这 两种鱼求偶与竞争时声音频谱和听觉敏感性与环境噪声频谱的关系的研究表 明，环境噪声的作用类似一种选择性的压力，定形此两种鱼的听力敏度图 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( a u d i o g r a m ) ，和声频谱( s p e t r u m ) ，表明听环境在鱼听觉敏感性进化中发挥 了重要作用。 1 6 本研究的目的和意义 从复杂的听环境中抽提声信号，一直是心理物理学家和生理学家的研究重 点。现实环境中，所需信号常被空间上分散的噪声所掩蔽，因此中心问题是 听觉系统如何抽提信号和在掩蔽存在的情况下完成其听觉任务。对人类而言， 分析复杂的听景源自在嘈杂的环境中注意某个说话人的能力( 称为鸡尾酒会 效应) ( c h e r t y ，1 9 5 3 ) 。并且人和动物一直生活在充满背景噪声的自然环境中， 听觉系统与背景噪声长年的相互作用，已演化产生了最佳匹配。致使若处于 完全安静的环境中，人会不由自主的产生恐惧感，甚至产生心理与行为异常， 说明某种强度的背景噪声对听觉系统的正常活动确有重要意义。无疑，人和 动物的听觉系统具备有效的机制和策略解决背景噪声中声信号提取的问题。 对此我们的假设是：，当神经元的信号在不同听感觉中枢结构中通过连续的突 触连接时，噪声激活的上行性和离皮层激活的下行性神经抑制或神经易化通 路与声信号激活的兴奋性神经通路之间在不断的发生相互作用与整合，从而 使信息是以新的方式分散或聚合，实现新的神经编码过程，以保证神经元调 谐于有生物学意义的声信号。 本研究的主要目的是通过模拟自然背景噪声，探讨弱噪声对下丘神经元 感受声强的影响，并借此推断在背景噪声中，下丘神经元在整合和处理声信 息中的作用。本实验在自由声场刺激条件下，同步给出相对于纯音阈下5d b 强度的弱包络白噪声( w h i t en o i s eb u r s t ) 和纯音短声( t o n eb u r s t ) ，通过改变 纯音短声的强度，记录神经元在有无弱噪声时的强度放电率函数研究弱噪 声对神经元听反应的影响，井使用多管电极微电泳注射o 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o a b a 能抑制，试图了解弱噪声对听中枢影 响的机制，为认识人和动物在自然条件下声信号提取的机制提供某些证据。 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 、材料及方法 2 1 动物手术及电极制备 本实验共用1 6 只健康、听力正常的成年小鼠( m u s m u s c u l u s k m ) ，雌雄 不拘，体重2 0 2 5g 。年龄2 5 - - 6 0 天，均购自湖北省预防医学科学院实验动 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 ) 。手术时用戊巴比妥钠 ( 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， 头顶正中切开头皮，暴露头顶颅骨，除去表面的肌肉和结缔组织，并用9 5 酒精棉球反复擦拭，使颅骨表面脱脂。将1 根1 8c m 长的平头铁钉用5 0 2 强 力胶粘定在头顶颅骨上，并用牙科水泥加固，供记录时固定动物。用利针在 颅骨的i c 所在部位钻一个2 0 0 5 0 0 1 1 1 的小孔，并挑破脑膜，暴露i c ，以 供插入微电极。记录时用小儿头皮注射针经背部皮下给0 6 戊巴比妥钠溶 液，维持动物于浅麻醉状态。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一副自制的支架上，以固定头部，保持动 物耳眼线与扬声器中心处于同一平面上。无回声屏蔽室内温度控制在2 5 3 0 。 分别制备单管电极和多管电极用于记录神经元反应和微电泳导入药物，单 管电极制备同以往的实验；多管微电极制各时，首先用内径1f i l t h 的单管玻璃 毛坯在拉制器b i o s c i e n c e ，u l ( ) 上拉制，然后用3 管电极毛坯( w p i ，u s a ) 在拉制器( b i o s c i e n c e ，u k ) 上拉制，三管电极尖端总直径约1 0 岬，最后将 单管和多管电极以“骑背式”( p i g g y b a c k ) 组装在一起，详细的多管电极制备 方法可参照g o d w i n ( 1 9 9 3 ) 。所用溶液与药物配制为：单管电极内充满2m n a c i 溶液，阻抗5 1 0mq ：2mn a c l 溶液灌注多管电极中的平衡和接地管， 0 9 m 的n a c i 溶液用以配置1 0 m m o l l b i c ( s i g m a ，u s a ) 并灌注多管电极 中的药物电极，经a g - a g c l 丝连接至离子电泳仪( w p i ，u s a ) 。微电泳电流 1 0 - - 7 0n a ，滞留电流1 0n a 。将微电极固定于液压推进器( k o p f 6 4 0 ，u s a ) 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 的电极夹上，于手术显微镜( s x e l 。一卜海医用光学仪器厂) 下将电极蘧于i c 表面。 2 2 声刺激系统和信号记录系统 自由声场刺激，双声刺激系统给声，纯音短声( 或称信号) 和包络弱白噪 声( 简称弱噪声) 分别由2 套独立的函数信号发生器( g f g 8 0 1 6 g ，g o o dw i l l i n s t r u m e n tc o ，l t d ：n d 一5 0 2 ，南京大学) 、短声发生器( 自制) 、声强衰减 器( l a t - 4 5 ，l e a d e r ，j a p a n ) 所产生，然后并联输入高频功率放大器( 自 制) 和扬声器( a k gm o d e lc k5 0 ，1 5c md i a m e t e r , 1 2g ，f r e q u e n c yr e s p o n s e 1 - 1 0 0k h z ) ，扬声器固定于垂直( 或俯仰) 方位( e l e v a t i o n ) 的0 平面( 该平 面与动物鼻眼线保持同一水平) ，经向或水平方位( a z i m u t h ) 为对侧6 0 。 包络纯音短声和弱包络白噪声时程均为4 0m s ，起落时间各2m s ，刺激率2 次 秒。声刺激系统用声级计(