（动物学专业论文）弱噪声激活的输入对小鼠下丘神经元频率调谐的影响及其整合机制.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 本实验旨在探讨弱噪声对小鼠( m u sm u s c u l u sk m ) 中脑下丘( i n f e r i o r c o l l i c u u si c ) 神经元声信号提取的影响及其神经机制，我们选用相当于纯音阈 下5d b 的白噪声( w h i t en o i s e ) ，比较加入噪声前后神经元频率调谐曲线的变 化和注射y 氨基丁酸( y a m i n o b u t y r i ca c i d ，g a b a ) 能受体拮抗荆荷包牡丹 碱( b i e u c u l l i n e ，b i c ) 后对该变化的影响。 本实验共用1 2 只健康、听力正常的成年小鼠，雌雄不拘，共获得1 7 7 个神 经元。测量了7 6 个神经元的频率调谐曲线( f r e q u e n c yt u n i n gc u i r v e ，f t c ) ， 发现弱噪声对神经元f t c 的影响有三种类型：锐化、拓宽和基本不受影响。 在大部分6 7 1 l ( 5 1 7 6 ) 受弱噪声影响的神经元中，f t c 被锐化的神经元占 6 0 7 8 ( 3 1 5 1 ) ，f t c 拓宽的神经元占3 9 2 2 ( 2 0 5 1 ) 。弱噪声锐化神经元 f t c 馒q i o 从1 8 9 1 1 2 增至2 6 6 2 1 3 ，平均增大3 6 2 6 士2 6 4 0 ( p = o 0 0 1 6 ，l = 3 1 ) ，q 3 0 从0 8 6 4 0 4 7 增至1 1 7 4 - 0 7 1 ，平均增大3 6 2 6 4 - 2 3 5 6 ( p = o 0 0 0 1 2 ，珂= 2 7 ) 。神经元( h = 2 7 ) 高低频边反转斜率( i n v e r s e s i c l p e ，i s ， k h z d b ) 的变化主要表现为l s l o w 不变而i s h 袖减小的变化趋势( 4 0 7 4 ， 1 1 2 7 ) 。i s j 。从o 2 l 0 0 6k h z 变为0 2 1 0 0 5k h z ( p = o 8 3 2 ，玎= 1 1 ) ， 而 s h l | f i 刚从0 4 i o 2 4 k h z 减至o 2 4 o 1 6 k h z ，平均减小霉1 7 l 1 5 7 i ( p = o 0 0 6 1 ， = 1 1 ) 。2 0 个i c 神经元( 2 6 3 2 0 a 。2 0 7 6 ) 在弱噪声作用下f t c 拓 宽，q i o 从2 9 2 4 - 1 9 9 减至2 0 9 4 - 1 3 9 平均减小2 6 8 8 4 - 1 2 7 7 ( p = 0 0 0 0 5 7 ， 聍= 2 0 ) ，q j o 从1 3 2 土1 0 5 减至0 7 5 o 4 2 ，平均减小2 9 9 2 - 1 - 2 7 3 8 ( p = 0 d 2 ，开= 2 0 ) 。 对f t c 受噪声抑制的2 1 个神经元做了b i c 电泳导入后。使得神经元f t c 拓宽，能全部或部分的覆盖噪声抑制的区域，比较注射b i c 前后神经元f t c 的 变化，q l o 平均减小了3 3 9 6 4 - 2 4 7 0 ( p = 0 、0 0 0 0 7 ，n = 2 1 ) ，q 3 0 平均减小了 硕士学位论文 m a s t f 识st h e s i s 3 8 0 1 2 4 9 2 ( p = 0 ，0 0 0 1 2 ，疗= 2 1 ) 。 本实验结果首次显示弱噪声可锐化小鼠大部分i c 神经元的f t c ，使神经 元对声信号分析增强，高频调谐敏感性增加；而b i c 去g a b a 能抑制后，能全 部或部分的解除弱噪声对神经元f t c 的抑制。说明由弱噪声引起的耳蜗随机 共振在上行传入过程中可能激活了至所记录的i c 神经元的g a b a 能抑制性神 经回路，这种g a b a 能抑制为锐化神经元频率调谐提供了一种抑制性输入， 使i c 神经元对靠近最佳频率的频率分析变得更为细致和精确，由于声频率是 声信号的重要参数和信息载体，频率调谐的锐化意味着对声频率分析能力增 强，从而为解释人们为什么能从充满噪声的环境中捕捉或提取与行为学相关的 声信号提供了一种细胞水平的实验证据。 关键词：弱白噪声；锐化频率调谐：荷包牡丹碱；小鼠下丘神经元 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 i no 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 m de x t r a c t i o no f m o u s e ( m u sm u s c u l u $ k r n ) i n f e r i o rc o l l i c u l a r 【i c ) n e u r o b 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 n f r e q u e n c yt u n i n go fn e u r o n i n d u c e db yaw e a kn o i s e r 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 ) o f t o n e 1 2h e a t h ya d u l tm i c e ( 2 0 2 5g ，b w t ) w e r eu s e df o rt h i ss t u d y , d u r a t i o n so f t o n ea n dw e a kw h i t en o i s eb u r s t su s e da ss o u n ds t i m u l iw e r eb o t h4 0m sf 2 - m s r i s e d e c a yt i m e s ) ，a n dd e l i v e r e ds y n c h r o n a l l y a t2p e rs e c o n di nf r e ef i e l d ， t7 7n e u r o n sw e r eo b t a i n e di nt h i se x p e r i m e n t ，a n df r e q u e n c yt a r i n gc l l l v e s ( f t c s ) o f 7 6i cn e u r o n sw e r em e a s u r e di no u t s t u d y 5 1 ( 6 7 1 1 ) n e u r o n sw e r e a f f e c t e db yw e a k n o i s e a m o n g t h e s en e u r o n s ，f t c so f m o s tn e u r o n s ( 3 1 5 1 ，6 0 7 8 1w e r es h a r p e n e d q t 0a n dq 3 0i n c r e a s e df r o m1 8 9 i 1 2t o2 6 6 2 1 3a n do 8 6 0 4 7t o 1 1 7 + 0 7 1 ，r e s p e c t i v e l y o na v e r a g e ，m e a np e r c e n ti n c r e a s e si nq i qa n d q 3 0 w e 疆3 6 ，2 6 2 6 。4 0 ( 尸= a ：丘嚣= 3 l a n d3 6 ，2 6 2 3 、5 6 妒= 0 ，0 1 2 + h = 2 7 ) ，r e s p e e t i y e l y n ei n v e r s e s l o p e s ( i s s ，i s = a f a i ，k h z d b ) o fs h a r p e n e d f t c sw e r ec a l c u l a t e df o rc o m p a r i n gt h ee f f e c to fn o i s eo nt h es h a r p e n i n gh i g ha n d l o wf r e q u e n c yt u n i n go fi cn e u r o n sm = 2 7 ) w e a kn o i s ec o u l db a s i c a l l ym a d e i s h i t hd e c r e a s ea n di s l mc h a n g ev e r yl i t t l e ( 4 0 7 4 蟛，1 1 2 7 ) i s t o w c h a n g e df r o m 0 2 1 - + o 0 6t oo ，2 1 0 0 5k - z 护= 0 。8 3 2 ，拄= ! l 天h o w e v e r , s h 泌d e c r e a s e df r o m 0 , 4 i o ，2 4t oo 2 4 0 1 6k h z a n dm e a np e r c e n td e c r e a s ei ni s h l nw a s4 1 。7 1 1 5 7 1 f p = 0 0 0 6 1 ，珂= 1 1 ) f t c so f 2 0n e u r o n sw e r eb r o a d e n e db yw e a kn o i s e q i oa n dq ，od e c r e a s e df r o m2 9 2 4 - 1 9 9 t o2 0 9 1 3 9a n d1 3 2 1 , 0 5t oo 7 5 o 4 2 ，r e s p e c t i v e l y m e a np e r c e n td e c r e a s e s i nq i a n dq 3 0w e r e2 6 8 8 - + 1 2 7 7 ( p = 0 。0 0 0 5 7 ，疗= 2 0 ) a n d2 9 ，9 2 2 7 3 9 妒= o ，0 2 ，n = 2 0 ) ，r e s p e c t i v e l y , t os t u d yt h em e c h a n i s mu n d e r l y i n gs h a r p e n i n gf t c sb yw e a kn o i s e ，2 1o f3 1 i cn e u r o n sa c c e p t e db i e u c u l l i n ei o n o p h o r e s i s i ti ss h o w e dt h a tt h es h a r p e n e df t c s 、e r eb r o a d e n e dd u r i n gb i c u c u l l i n ea p p l i c a t i o nt or e c o r d e dn e u r o n s a n di n h i b i t o r y i i ； 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a r e a so ff t cc o u l db ea b o l i s h e d p a r t i a l l yo rc o m p l e t e l yb yb i c u c u l l i n ea p p l i c a t i o n o na v e r a g e ，m e r hp e r c e n td e c r e a s e si nq l oa n dq 3 0w e r e3 3 9 6 2 4 7 0 f p = o 0 0 0 0 7 r ，l = 2 1 ) a n d 3 8 0 14 - 2 4 9 2 妒= o 0 0 0 1 2 ，行= 2 1 ) ，r e s p e c t i v e l y f r o mt h e s er e s u l t s ，i ti st e m p t i n gt os p e c u l a t et h a tt h er e s p o n s eo fi cn e u r o n s t os o u n ds i g n a lc o u l db ei n h i b i t e do rf a c i l i t a t e d b yt h ew e a kn o i s e ，o u rd a t a r e v e a l e df o rt h ef i r s tt i m et h a tt h ew e a kn o i s ec o u l ds h a r p e nf r e q u e n c yt u n i n ga n d i n c r e a s et h es e n s i t i v i t yo fm o u s ei cn e u r o n st oh i 曲f r e q u e n c yo fs o u n ds i g n a l o n t h eo t h e rh a n d ，i n h i b i t o r ya r e a so ff t cc o u l db ea b o l i s h e dp a r t i a l l yo rc o m p l e t e l y d u r i n gb i c u c u l l i n ea p p l i c a t i o n t h e s er e s u l t ss h o w e dt h a tg a b a e r g i ei n h i b i t o r y a f f e r e n t p r o j e c t i o n s t or e c o r d e dn e u r o n sw f ea c t i v a t e d b yr a n d o mr e s o n a n c e c a u s e db yw e a kn o i s ei nc o c h l e a , w h i c hp r o v i d e di n h i b i t o r yi n p u tf o rs h a r p e n i n g f r e q u e n c yt u n i n g a n dm a d en e u r o nm o r e p r e c i s e l ya n a l y z es o u n ds i g n a ln e a ri t sb e t h e r e f o r e ，t h i se x p e r i m e n tp r e s e n t e dap o s s i b l ee v i d e n c eo fc e l l u l 盯l e v e lf o r i n t e r p r e t i n gw h y h u m a na n da n i m a lc o u l de x t r a c to r c a p t u r es o u n ds i g n a lo fs p e c i f i c f r e q u e n c y f r o mt h ee n v i r o n m e n tw i t hc o m p e t i n gn o i s e ， k e yw o r d s ：w e a kw h i t en o i s e ；s h a r p e n i n gf r e q u e n c yt u n i n g ；b i e u e u l l i n e ； m o u s ei cn e u r o n s 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 、引言 1 1 噪声对听觉系统的影响 传统观念中，人们认为噪声只是一种环境污染。早在唐代，我国著名诗人 白居易在长诗琵琶行中就曾对噪声作过形象的描述：“欧哑嘈杂难为听”。 认为噪声影响了人类正常的生活与工作，如睡眠、健康、语言交流和思维等。 而噪声对人体的影响则主要是以对听觉系统的损伤为主，噪声性耳聋是我国法 定的职业病之一。 1 1 1 嗓声对听觉系统的损伤 人体或动物如果长时间遭受过强的噪声刺激，将会使听力由功能性影响变 为嚣质性损伤，造成听力下降，引起内耳的退行性改变，即噪声性耳聋。在研 究听力下降的机理时，认为听觉器官在噪声的长期作用下，柯蒂氏器的感觉细 胞首先开始出现退行性改变，然后发展到神经纤维及神经节细胞，在研究噪声 对豚鼠耳蜗血流的影响时，发现微循环在听觉生理中起着十分重要的作用，故 推测声损伤可能与内耳供血障碍有关( 杨志华等，1 9 9 2 ) 。 另外，噪声刺激能引起耳鸣，耳鸣常常不是一种孤立的疾病，它是累及听 觉系统产生的多种症状和不同病理变化的结果，造成耳鸣的原因很多，机制也 不甚清楚，其可能的机制为某些因素破坏了毛细胞或神经纤维结构之间的电绝 缘，神经结构间串线出现自发性神经锁相活动，从而声音被中枢误感知为耳鸣： 或者是因为外毛细胞运动失调所致，即在病理情况下，当基底膜上某处外毛细 胞活动减少甚或缺乏时，邻近完好的外毛细胞代偿性地增加本身的摆动，这样 过度的活动超过昕阈而感知为耳鸣( 钟乃川，1 9 9 8 ) 。 1 1 2 噪声掩蔽有利于治疗听力损伤 近年来医学上采用利多卡因加噪声掩蔽方法治疗耳鸣患者，取得了一定的 效果。很多耳科学家和听力学家提出，耳鸣的发生是由于声音在中枢传入通路 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 中通常微弱的神经活动信号声被感知后所产生的响度重振( f i g c h e re t a l ， 1 9 9 8 ) ，从生理上讲，根据j a s t r c b o f f 提出的耳鸣神经生理模型，中枢听觉系统 分级结构的活动都受到外周听觉信号输入的调控，外界所给予的掩蔽声刺激可 以兴奋皮层和皮层下的意识和潜意识部分从而直接或间接地抑制自发神经活 动，达到抑制耳鸣地效果。 1 2 背景噪声中声信号提取及声信号处理 人对语言的精确感知依赖于听觉系统处理声信号的能力。自然状态下，时 楣性复杂声一般包含于充满竟争性的背景噪声中，因此，了解背景噪声中声信 号提取的规律较研究安静环境下如何提取声信息更具现实意义- 1 2 1 一般认为较强的噪声不利千声信号的检测 听觉系统在检测、甄别、定位行为相关声信号的过程中，则必须具备广范 围的强度响应和极强的抗干扰声的能力。大量实验结果表明t 一定强度的背景 噪声除能使声信号检测呈现出压抑( f u r a k a w a m i d d i e b r o o k s ，2 0 0 1 ； r a m a c h a n d r a ne ta l ，2 0 0 0 ；b r u g g ee ta l ，1 9 9 8 ；j i a n ge ta l ，1 9 9 7 ) ，如阈值上移、电 反应振幅下降外；还可使中枢神经元对声信号的定位、辨别均受到不同程度的 影响，且影响程度又与噪声及信号各自的强度、时程、以及位置有关( k a w a s e e t a l 。2 0 0 0 ；r a j a h ，2 0 0 1 ) 。 1 2 2 适当的噪声能改善信号检测能力 正常哺乳动物的听觉系统中，听神经( a u d i t o r yn e r v e ，a n ) 及一些低位听 觉神经核内的神经元均有自发放电存在，临床上观察到，当患者听力下降时这 种“内噪声”放电明显减少，此时患者的听阈上移、频率辨别能力降低、语言 认躲也出现踌碍，说耽某种程度的背景噪声可能对正常听力的缝持有积极作 用。z c n g 等( 2 0 0 0 ) 在正常人、电子耳蜗植入者、以及脑干电子耳蜗植入者上 所获得的实验结果直接证明了这种可能性，无论采用正常声刺激还是电刺激， 适度的噪声确实强化了实验对象对声信号的检测和辨别能力。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 2 3 噪声对昕神经纤维发放的影响 最早进行信号掩蔽的神经机制研究，始于对听神经纤维的研究( b r u g g ee t a l ，1 9 9 8 ) 。1 9 3 5 年，d a v i s 等通过分析麻醉猫的圆窗处所记录到的神经纤维电 位幅度，发现在短声( c l i c k ) 或噪声刺激的同时给连续宽带背景噪声( w i d e b a n d b a c k g r o u n dn o i s e ) ，神经纤维电位幅度下降。3 0 年后k i a n g 和绝的同事在单根 听神经纤维上进一步证实了d a v i s 等的结果，并且发现，虽然神经纤维发放幅 度降低，但潜伏期并无变化。近年来对牛蛙( b u l lf r o g ，r a n ac a t e s b e i a n a ) 的 听神经纤维发放特征分析显示( f e r r a g a m a e ta 1 1 9 9 2 ) ：当声信号刺激强度为 7 0 或8 0d b 时( 该强度相当于自然状态下牛蛙所接受的通信声强度 ，其发放 特征在：鸳景礞声存在的条传下没有大鲍改变，在无骣声和低噪声条件下，昕神 经纤维强烈锁相( p h a s el o c k ) 于合成信号的基频( f u n d a m e n t a lf r e q u e n c y ) ，合 成信号中的谐波精细特征无法从听神经纤维发放的时相特性中得以体现：仅有 少数听神经纤维偏好于其它谐波的同步化，但即使听神经纤维的最佳频率与那 些高谐波频率相近，一般其发放的同步化也不会不超过第三谐波，发放似乎被 基颇俘获( c a p t u r e d ) 。提示听神经纤维主要是通过时相编码来从谐波声刺激中 抽提( e x t r a c t ) 基频率。f d s i n a 等( 1 9 9 6 ) 在对灰鼠( c h i n c h i l l a s ) 听神经单单 位记录时观察到，在无背景噪声时，单根a n 的自发放电率( s p o n t a n e o u sf i r i n g r a t e s r ) 不同，它们对调幅( a m p l i t u d e m o d u l a t e ，a m ) 信号的编码能力均 无大的改变，这种能力的保持一般是通过降低其同步发放来实现的，且下降率 与对基频的同步化降低率成比例关系。因此被认为在连续噪声条件下，a n 对 a m 信号编码能力的保持是由耳娲的非线性和适应祝制导致a n 发放率的动态 范围移变( s h i l l ) 所致。 不可否认，背景噪声对听神经的影响与耳蜗机制有关。最近有人在毛细胞 水平提出自调谐振荡模型( c a m a l e t e ta l ，2 0 0 0 ) ，认为内耳毛细胞上的毛柬( h a i r b r i n d l e ) o - j 通过自身的运动蛋白产生振荡作用，自振荡特征频率取决于毛柬的几 l 习特链，耳蜗对弱信号熙主动放大f 周就是透过这种动态振荡系统实现约。该 模型可为解释毛细胞如何检测携带能量不如背景噪声的声信号提供理论设想。 但是，背景噪声中声信号的提取显然不仅仅决定于耳蜗机制，已有不少证据表 明，声信号进入中枢后受到了更复杂的调控处理。如在耳蜗背核( d o r s a l 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s c o c h l e a rn u c l e u s ，d c n ) ，当a m 声信号刺激的同时给予连续宽带噪声后，如果 信噪h ：( s i g n a l t o n o i s er a t i o s i n ) 为+ 1 4 或+ 1 9d b 或者信号强度较高时( 如7 5 d b s p l ) ，可见d c n 神经元对a m 信号的编码能力反而得到一定程度的增强，基 频的同步化更为明显( f f i s i n ae ta l ，1 9 9 4 ) 表明d c n 内的抑制性输入或细胞 机制( 如声信号时相特性的树突滤波等) 发挥了作用，该现象同样见于其它皮 层下神经元( f r i s i n ae ta l ，2 0 0 1 ) 。 1 2 ，4 噪声对下丘( i n f e r i o rc o l l i e u l u s ，i c ) 处理声信号的影响 人们已在不同的听中枢结构中观察到( f r i s i n ae ta l ，1 9 9 4 ：2 0 0 1 ；b a r s z e ta l ， 2 0 0 0 ：r a m a c h a n d r a ne ta l ，2 0 0 0 ：r a t n a r n f e n g ，1 9 9 8 ：t a k a h a s h it t & k e l l e r ， 1 9 9 2 ：r e a l & b r u g g e ，2 0 0 0 ) ，当背景噪声存在时，神经元声反应特征出现不 同形式的改变，一部分神经元声反应受到噪声的压抑，一部分表现出对噪声的 耐受，而值得注意的是一部分神经元可表现出对声信号检测能力的提高。 i c 是重要的听中枢会聚蛄，在声信号处理过程中起关键作用。近些年来， 已在多种动物上观察了背景噪声对i c 神经元提取声信号的影响，积累了不少 新资料。在小鼠i c ( b a r s ze ta l ，2 0 0 0 ) ，对最小间隔阙( m i n i m u mg a pt h r e s h o l d s ， m g t ) 的分析显示，神经元可分为两种类型：背景噪声耐受型( b a c k g r o u n d n o i s e r 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 ) 。无背景噪声 时，b n r 和b n s 对声刺激间隔( g a p ) 的编码无根本差异，加入背景噪声后， b n r 的反应无论是在声刺激间隔期间还是间隔后均无大的变化。但背景噪声 对b n s 的影响则不同，一方面可降低其刺激间隔勰间的发放率，另一方面引 起刺激间隔之后的发放率增加，并且改变l c 神经元潜伏期随最佳频率( b e s t 厅e q u e n c y ，b f ) 增大而减小的拓扑组构特性：即b f 增加时，潜伏期不再下降。 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 有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 g e ta l ，2 0 0 3 ) 。对去 大脑猫( d e c e r e b r a t ec a t s ) 的l e 研究则观察到( r a m a c h a n d r a n e t8 l ，2 0 0 0 ) ， 当那些兴奋性频率反应区较窄的神经元( i 型) 在其对侧同时给予b f 声和连 续噪声刺激时，尽管阈值上移、发放率下降，但对声信号的编码能力所受影响 不大。这与人们推测i 型神经元适宜于背景噪声下编码窄带信号相符。采用双 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 耳掩蔽刺激时，只有i 型神经元显示出对信号和掩蔽源之间的空间分离度敏感， 说明声信号的检测与掩蔽源空间位置密切相关，该现象在较低等的两栖类动物 i c 亦可观察到。在豹蛙( 1 e o p a r df r o g r a n a p i p l e n s p i p i e n s ) i c ( r a t n a m f e n g ， 1 9 9 8 ) ，2 2 的神经元( a 型) 当噪声掩蔽源与信号源的经向方位( a z i m u t h ) 空 间分离度逐步加大时，其信号检测阈( d e t e c t i o nt h r e s h o l d ，d t ) f 1 力逐步降低。 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 在信号源和 掩蔽源重合时最低，而当空间分离度加大时，d t 反而增加。对a 型和v 型神 经元的发放模式分析显示，大部分的a 型( 7 9 ) 为相位型( p h a s i c ，p ) 发放， 它们在掩蔽源存在时对信号源的反应较差；而大部分的v 型( 6 9 的为紧张型 ( t o n i c ，n 发放，它们在掩蔽源存在时，对信号源仍可表现出较好的反应。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，至于这一情 形究竟仅仅是豹蛙特有，还是代表了某种普遍机制，仍待进一步研究。在仓枭 ( b a mo w l ) 的i c ( t a k a h a s h it t k e l l e r ，1 9 9 2 ) ，神经元对经向方位声源的 耳间相位差( i n t e r a u r a lp h a s ed i f f e r e n c e ) 可表现出调谐特征，运动性声刺激时这 种调谐作用更显著，加入背景噪声后并不损害其调谐作用，但对噪声的这种耐 受性并不体现在对刺激幅度的时相调制上，提示声信号和掩蔽源之间的位置变 化对i c 神经元的声定位的选择性有重要作用。 1 ，2 5 噪声对昕皮屡( a u d i t o r yc o r t e x ，a c ) 神经元声反应的影响 听皮层是听信息处理的高级中枢，有关背景噪声对听皮层神经元声信号的 提取研究近年来也有新的进展。b r u g g e 等发现( b r u g g ee ta l ，1 9 9 8 ；r e a l b r u 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 ) 方效空间感受野 ( v i r t u a ls p a c er e c e p t i v ef i e l d s ，v s r f s ) 1 8 的神经元其反应潜伏期和强度随声刺激 方向里系统性改变，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，提示皮层神经元具有足够的抗环境声干扰的能力；最新 的研究进一步证实( f u r u k a w a & 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( s e c o n da u d i t o r yc o r t 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1 3 的神经元在 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s s n 较高时，放电率出现升高的现象。在此之前，已有人从行为水平研究报道 ( s h t y r o ve ta l ，1 9 9 9 ) ，元音及辅音诱发的脑磁场记录显示出背景自噪声( w h i t e n o i s e ) 对左右脑听皮层反应影响不一，自噪声对听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强，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。 无论是在d e n 、i c 、还是在a c ，现有研究均表明，听中枢神经元在背景 噪声条件下对声信号的检测都与信号源和掩蔽源之间的相对位景以及它们的 s n 密切相关，这些结果不仅从中枢水平证明了早期心理物理及行为学所观察 到的结果，更为重要的是，听中枢神经元在背景噪声存在时对声信号的提取表 现出不同类型的复杂变化，这些新反应特征的出现至少从某种角度显示出中枢 机制对背景噪声中声信号提取所发挥的调控作用。 1 3 昕中枢神经元的频率调谐及其神经调制 声信号是最复杂的感觉刺激信号之一。听觉系统对声音各参数有很高的灵 敏度和精确的分辨率，能检测它们在时闻上的快速变化。人类通过语言交流， 大大增加了听觉信息的输入量，但听感受细胞内毛细胞只有几千个，以极 其有限的通道传输巨量的信息，它除了在神经科学中有普遍的价值外对声学、 信息学、通讯工程、人工智能等应用学科的研究者们尤其有吸引力。 不同频率的声音引起听神经兴奋后发放的冲动频率不同。冲动的频率是声 音频率分析的基础。 中枢系统对声信号的加工表现出密切的结构功能相关，不同级的中枢均表 现出声调组构特性。 外周对声频率的响应基本由内耳基底膜空间部位决定：不同频率的声音兴 奋基底膜不同部位的感觉细胞，每个特定部位的毛细胞对与其特征频率相一致 的纯音反应最敏感。高频率在耳蜗基底部；低频率在耳蜗顶部。 1 3 1 中枢对声信号频率的处理以声调拓扑组构形式表征 耳蜗核：听神经纤维有序地分叉并终止于耳蜗核的复杂结构内。听神经末 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 梢在耳蜗核的拓扑分布反应了支配c o r t i 氏器的神经排布。因此，耳蜗被有序 地表征在耳蜗核中，神经元的b f 或特征频率( c h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c y ，c f ) 能以“音调排列”方式表征( g e i f a n d ，1 9 9 0 ) 。下丘：哺乳动物中脑背面的下 丘几乎是所有上行听觉通路的接替站或换元站。具有不同最佳频率的下丘神经 元的排列方式不同于耳蜗摹底膜，神经元的声调拓扑组构排列成层状，即具有 相近最佳频率的神经元排列在同一层。形成所谓的同频率层( i s o f r e q u e n c y l a m i n e a ) 。由背侧( 浅) 至腹侧( 深) 频率从低到高。这意味着不同频率的声 信号激活不同频率层内的神经元( s h r e i n e r & l a n g n e r ，1 9 9 7 ；s t i e b l e r & e h r e t ， 1 9 8 5 ) 。听皮质：正如基底膜不同部位与特殊声调有关一样，初级听皮质同样 有声调拓扑组构( t o n o t o p i co r g a n i z a t i o n ) ，哺乳动物的初级听皮质声调组构的 排布方式是由前到后，神经元最佳频率改变的趋势基本由高到低( s h e ne t a l ， 1 9 9 7 ) 。基底膜的每个部位都与颢叶听皮层的特殊区域相联系。而且，在听皮 层呈现出典型的柱状组构特性，并且高度的有序，表明听中枢对声信号的加工 已经有明确的分工。 1 3 2 神经抑制对中枢神经元频率调谐的影响 在外周，听神经纤维的频率调谐曲线呈“v ”字形或“三角形”( s u g a ，1 9 9 5 ； 1 9 9 7 ) ，而中枢听神经元的频率调谐曲线则呈“铅笔”形或“梭形”，而且神经 元对f m 信号高低频率变化的方向也表现出选择性。这些均表明在听中枢存在 一种锐化频率调谐的方式，这种锐化可能是通过神经元间的相互作用来提高信 号分析的信号噪声比，以锐化频率调谐( j e ne ta l ，2 0 0 2 a ：2 0 0 2 b ) ：另外，电 泳导入y 氨基丁酸( y - a m i n o b u t y r i ca c i d ，g a b a ) a 受体拮抗剂荷包牡丹碱 ( b i c u c u l l i n e ，b i c ) ，证实锐化听皮层神经元频率调谐的神经抑制属g a b a 能 抑制。 由于中枢神经系统神经元相互之间形成复杂的神经回路，使得声信号的加 工变得更加复杂和多样，尤其是大量的抑制性中间神经元参与神经回路的构 成，将中枢神经系统“雕琢”成各种不同的微回路，以满足处理外界复杂声信 号的需要。 听皮层频率调谐呈柱状组构：将记录电极于皮质表面垂直推进，神经元的 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 兴奋性频率调谐曲线和锐化频率调谐的抑制性频率调谐曲线或抑制区基本相 似，里柱状组构特征：当电极与皮质表面里4 5 。斜插时，发现锐化频率调谐的 抑制区随电极进入不同的功能柱而发生相应改变，表明跨越了多个功能柱。这 种柱状组构构成昕皮质频率分析的基本功能组构单位一一“微频率处理器” ( s h e ne ta l ，1 9 9 7 ：陈其才等，2 0 0 1 ) 。a c 是斫信息处理的最高中枢源自i c 的信号首先在内膝体( m e d i a lg e n i c u l a t eb o dy m g b ) 被进一步整合才投射到 a c ，加之a c 内大量中间神经元的作用，因此，a c 神经元的反应模式不同于 i c 。例如，许多a c 神经元只对某一特定刺激特征产生最大反应，在滤波特性 上。a c 神经元只表现出低通特征( h o u e ta l ，1 9 9 2 ) 。 砺孛抠神经元对频率参量趵分折处理是骣感觉信息处理的核心要煮之一， 一直受到广泛关注。多年来已有大量实验观察到，随着声信号从外周向听高位 中枢逐级传输，神经元的频率调谐越来越锐化，该现象的有关机制一直不甚明 了，推测主要由侧抑制( 1 a t e r a li n h i b i t i o n ) 或传入性抑制( a f f e r e n t i n h i b i t i o n ) 贡献 于这种锐化作用。本室在大棕蝠a c 上开展了对此问题的研究( c h e ne ta l ， 2 0 0 2 ) ，发现，双声刺激条件下，在神经元兴奋性频率调谐曲线的高频边o l i g l l l i m b ) 或低频边( 1 0 wl i m b ) 能测出相应的抑制性频率调谐曲线绝大部分神经元 ( 4 5 5 7 ，7 8 9 ) 的两边均可测出抑制区。b i g 前，a c 神经元的频率调谐曲线 为3 类：单峰开放型、多峰开放型、单峰封闭型，去g a b a 抑制后，各类型 的a c 神经元频率调谐曲线均发生不同程度的扩宽，而且双峰型调谐曲线转变 为单峰型，封闭型调谐曲线转变为开放型。此时，绝大部分神经元的抑制区被 部分解除 3 1 4 8 ，6 4 6 ) 或完全解除0 6 4 5 ，3 3 3 3 ) ，酃交宽后的兴奋性频 率调谐曲线部分或完全覆盖了双声抑制条件下所测量的抑制区。该结果提供了 g a b a 能抑制参与哺乳类动物皮层神经元频率调谐锐化过程的直接证据。 离皮层调控对频率调谐的影响：已证实皮质下丘通路能连续调控听信号 加工，当电刺激激活皮质下丘抑制性通路时，能提高下丘神经元的最小阈值、 络夺骄空阔反应区鞍锐亿凝率调谐盏线。嚣蒯激激活兴套馑蹇凌层调控通路 后。对所记录的神经元的影响正好与抑制性通路的影响相反：电泳导入g a b a 和b i e 证实这种抑制性商皮层调控是通过g a b a 能抑制来实现的；上行听觉信 息受来自高位脑中枢发出的指令的调控，为动物提供了一种听信号加工的主动 r 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 调控的最佳机制( s u n e ta l ，1 9 9 6 ；j e ne ta l 。1 9 9 8 ) 。离皮层传出系统对皮层最 佳频率相同的皮质下神经元产生易化或正反馈作用，这类皮质下神经元称为匹 配神经元( m a t c h e dn e u t r o n s ) ，而对非匹配( u n m a t c h e d ) 的皮质下神经元则产 生广泛的抑制作用。( y a n & s u g a ，1 9 9 6 ：z h a n g e ta l ，1 9 9 7 ：g a o & s u g a ，1 9 9 8 ： 2 0 0 0 ) 1 4 研究弱噪声对下丘神经元频率调谐的影响及其神经机制的目 的和意义 大自然中噪声几乎无处不在：雌蛙要从嘈杂喧闹、含有不同种类的蛙声 合唱中寻找自己的同种伴侣；煽蝠要从复杂的自然环境中所反射的回声中过滤 出靶物回声信息：人类要在同趋严重的环境噪声中进行声信号识别与语言交 流。毫无疑问，人体及动物的听觉系统应具备一种有效的机制来处理背景噪声 中声信号的提取问题。 许多报道指出噪声对声信号检测的影响可能是来源于基底膜的运动，即外 周的压抑造成。然而，近年来神经生物学家在听觉中脑、丘脑、初级听皮层的 研究揭示噪声对声信号处理产生的影响的机制可能更多的源于中枢神经系统 的作用( f u r u k a w a & m i d d l e b r o o k s ，2 0 0 1 ；r a t n a m f e n g ，1 9 9 8 ；c u n n i n g h a m e ta l ，2 0 0 2 ) 。进一步深入开展对此问题的研究可为听觉系统如何从背景噪声中 选择性的提取声信号提供新的认识。 频率分析是听觉系统的基本功能。尽管有大量实验探讨不同刺激条件下从 外屑蓟a c 各级断神经元的颓率敏感性当然也包括有背景噪声存在时对频率 敏感性的研究，但是有关弱噪声对中枢神经元频率调谐影响的报道却甚少。较 强的噪声作用于中枢神经元时，可能对神经元检测声信号产生掩蔽。如果选用 强度较弱的噪声，类似于一种正常环境条件下的背景噪声，该强度噪声本身不 引起神经元反应，但是否也会产生掩蔽效应，对神经元声信号检测能力产生影 响? 则是本文要探讨的闷惩。通过其结果以翅进一步了麓背景噪声中声信号提 取的中枢机制，这对阐明中枢神经元如何从复杂的背景噪声中抽提有意义的声 信息的生物学机制有重要的意义。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 、材料及方法