（动物学专业论文）神经元间的相互作用与听中枢神经元声信号的提取.pdf

硕士学位论文 ma s t e r s t i t e s i s 现出调谐锐化作用 该作用的效率与频率有关 b f处的锐化作用较低 偏离 b f时其锐化作用逐步加强 5 频率锐化作用的效率与 b f差有关 随着配对 神经元之间的b f 差扩大 q i o q 3 0 值的变化逐渐减小 其变化百分比与配对神 经元之间的频率差存在明显相关 6 配对神经元之间的相互易化作用不仅表现 在 放 电 率 增 加 上 也 表 现 在 频 率 谐 的 扩 宽 即 频 率 响 应 围 扩 大 于 上述结果表明 1 下丘神经元声信号处理过程中 位于同频层内及非同 频层的神经元之间存在相互作用 该作用以相对抑制为主 2 i c神经元之间 的 相互抑制 作用可增强神经元的 频率 选择性 并 对神经元的 发放 特征 有重要的 修 作 用 令 此 推 测 神 元 的 不 同 听 中 枢 结 中 通 过 连 续 的 突 触 连 接时 上行性或离皮层下行性神经抑制或神经易化通路之间在不断地发生相互 作用与整合 从而使得声信息以新的方式分散或聚合 实现新的神经整合过程 以 保 证 神 经 元 调 皆 有 生 物 学 意 义 的 声 信 号 夕 关 键 词 下 丘 一 相 互 作 用 声 信 号 提 斌 大 棕 蝠 ab s t r a c t t h e b i g b r o w n b a t e p t e s i c u s f u s c u s w a s s u b j e c t e d i n t h e e x p e r i m e n t i n a tt e m p t t o d i r e c t l y c o m p a r e t h e s o u n d r e s p o n s e c h a r a c t e r s o f t h e s a m e b f n e u r o n s o r d i ff e r e n t b f n e u r o n s a n d t h e i r i n t e r a c t i v e r e l a t i o n t h e d o u b l e r e c o r d i n g m i c r o e l e c t r o d e s w e r e p e n e t r a t e d i n t o t w o d i ff e r e n t n e u r o n s i n i s o f r e q u n e n c y l a m i n a s o r h e t e r o f r e q u e n c y l a m i n a s t a k i n g a d v a n t a g e o f fr e q u e n c y t o n o t o p i c a l a r r a n g e m e n t i n i c o f b a t s it w a s e x p lo r e d h o w t h e n e u r o n s i n t e g r a t e d d i ff e r e n t p a r a l l e l p r o c e s s e s o f t h e s a m e s o u n d i n f o r m a t i o n i n t h e c a s e o f w h i c h w e h o p e d t o e x p l o r e t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e s o u n d r e s p o n s e c h a r a c t e r s o f t h e c e n t r a l a u d i t o ry n e u r o n s a n d n e u r a l mo d u l a t i o n i n b a c k g r o u n d n o i s e f o r t h e f u rt h e r u n d e r s t a n d in g o f t h e m e c h a n i s m i n t h e c e n t r a l a u d i t o ry n e u r o n s e x t r a c t i n g s o u n d s i g n a l s 2 2 p a i r e d i n f e r i o r c o l l i c u l a r n e u r o n s w e r e o b t a i n e d i n t h e e x p e r i m e n t t h e n e u r o n s w e r e r e c o r d e d in t h e d e p t h o f 1 9 8 1 2 5 4 m 5 4 4 5 9 士 2 7 2 3 7 u m m士 s d a n d t h e i r b f s w e r e 1 1 2 5 5 9 2 9 k h z 2 6 7 7 土9 9 5 k h z m士s d t h e m i n i m u m t h r e s h o l d s mt s w e r e l o 6 6 d b s p l 3 8 1 4 士1 4 3 9 k h z m土s d t h e l a t e n c i e s w e r e 4 0 1 6 0 m s 8 1 9 士3 1 4 m s m士 s d t h e b e s t i n t e r v a l s b e t w e e n p a ir e d s o u n d p u l s e s w e r e 0 0 1 2 8 7 1 m s 3 9 3 士 2 5 2 m s m士s d t h e r e s u l t s s h o w e d 1 t h e r e w e r e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e n e u r o n s i n t h e i s o f r e q u e n c y l a m i n a a n d h e t e r o f r e q u e n c y l a m i n a w h i c h i n c l u d e d m u t u a l i n h i b i t i o n 1 8 2 2 8 1 8 a n d m u t u a l f a c i l i t a t i o n 4 2 2 1 8 2 a n d t h e m u t u a l i n h i b i t i o n i n i s o f r e q u e n c y l a m i n a w a s s t r o n g e r t h a n t h a t i n h e t e r o f r e q u e n c y l a m i n a 2 t h e m u t u a l i n h i b i t i o n d e c r e a s e d w i t h s o u n d l e v e l i n c r e a s i n g 印 0 0 0 1 a n o v a 3 t h e a n a l y s i s o f t h e i n h i b it i o n o f d i s c h a r g e r a t e a t i o d b a b o v e mt s h o w e d t h a t t h e i n h i b i t i o n i n c r e a s e d w h e n t h e p a i r e d n e u r o n s b f s d i ff e r e n c e d e c r e a s e d 二一 0 5 4 5 p 0 0 0 0 6 4 t h e m u t u a l i n h i b i t i o n o f p a i r e d n e u r o n s c a n s h a r p e n t h e f r e q u e n c y t u n i n g a n d t h e e ff e c t i n c r e a s e d w h e n t h e f r e q u e n c y w a s a w a y fr o m t h e b f 5 t h e 硕士学位论文 ma s t e r s t i i e s i s c h a n g e s i n q i o q 3 0 d e c r e a s e d w i t h b f s d i ff e r e n c e o f t h e p a i r e d n e u r o n s i n c r e a s i n g 6 t h e m u t u a l f a c i l i t a t i o n b e t w e e n p a i r e d n e u r o n s n o t o n l y i n c r e a s e d d i s c h a r g e r a t e b u t a l s o w i d e n e d t h e fr e q u e n c y t u n i n g i e i n c r e a s e d r e s p o n s e fr e q u e n c y t h e r e s u l t s i n d i c a t e 1 t h e r e a r e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e n e u r o n s i n i s o f r e q u e n c y l a m i n a s a n d h e t e r o fr e q u e n c y l a m i n a s a n d t h e m u t u a l i n h i b i t i o n i s p r e d o m i n a n t 2 t h e m u t u a l i n h i b i t i o n o f t h e i n f e r i o r c o l l i c u l a r n e u r o n s c a n in c r e a s e t h e f r e q u e n c y s e le c t i v i t y a n d p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n m o d i f y i n g t h e d i s c h a r g e f e a t u r e s o f t h e n e u r o n s i n t e r m s o f o u r r e s u l t s i t i s h y p o t h e s i z e d t h a t i n t h e c e n t r a l a u d it o ry s y s t e m w h e n t h e s o u n d i n f o r m a t i o n i s c o n d u c t i n g t h r o u g h c o n t i n u o u s s y n a p t i c c l e ft s t h e r e a r e i n t e r a c t i o n s a n d i n t e g r a t i o n s o c c u r r i n g b e t w e e n t h e a s c e n d i n g a n d c o rt i c o f u g a l d e s c e n d i n g p a t h w a y s w it h n e u r a l i n h i b i t i o n o r f a c i l i t a t i o n s o a s t o r e a l i z e t h e n e u r a l i n t e g r a t i o n t h a t d i v e r g i n g o r c o n v e r g i n g s o u n d i n f o r ma t i o n w i t h n e w f o r m s w h i c h e n s u r e s t h e n e u r o n s t u n e t h e s o u n d i n f o r m a t i o n w it h b i o l o g i c a l s i g n i f i c a n c e k e y w o r d c o l l i c u l u s i n t e r a c t i o n s s o u n d s i g n a l e x t r a c t i o n b i g b r o w n b a t 1 引言 大脑如何从复杂喧嚣的环境中抽提有意义的信息并对其加以处理 一直是 神经生物学研究中令人关注的重要课题之一 感觉系统的共同特性之一是对刺 激具有选择性 然而 不同感觉系统的这种选择性的精确度和机制则不尽相同 以听觉而论 自 然状态下 时相性复杂声一般包含于充满竞争性的背景噪声中 因此 听觉系统在检测 甄别 定位行为相关声信号的过程中 必须具备广范 围的响应强度和极强的抗干扰声的能力 鸡尾酒会效应 c o c k t a i l p a rt y e ff e c t 即 显示出 人 可 借助听 觉器官 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 表明听觉系统确有将外部噪声对信号的探测和识别的掩蔽 效应 m a s k i n g e ff e c t s 降 低至最小程度的能力 虽然人们很早就试图了解背景噪声中声信号的提取规律 但早期研究基本 采用心理物理学和行为学研究方法 2 6 1 这些研究从不同角度证实 背景噪声 条件下实验对象对声信号的定位和识别能力受到影响 其影响方式及程度与掩 蔽源一 信号源之间的相对强度 位置和时间密切相关 至于这些现象的产生究 竟主要是源于耳蜗机制 还是中枢神经机制 一直未有明确结论 如我国学者 曾 注意到 7 l 强噪声暴露导致闭移 t h r e s h o l d s h i f t 听觉末梢及耳蜗电 反应振 幅下降 而从上 橄榄 核 m e d i a l s u p e r i o r o l i v a ry n u c l e i m s o 至 下丘 i n f e r i o r c o ll ic u l u s i c 听 皮 层 a u d i t o ry c o rt e x a c 听 觉电 反 应振幅反 而 逐步 加 大 提示强噪声刺激不仅可对耳蜗产生损伤作用 而且可导致听中枢调控发生异常 变化 近些年来 国外不少研究者开展了背景噪声对听中枢神经元声信号提取 的影响的研究 获得许多新发现 越来越多的实验结果支持听中枢机制对于背 景噪声中声信号的提取有着关键性作用 本室先前的工作证实 神经抑制能调 硕士学位论文 ma s t e r s 1 i i e s i s 制听皮层和下丘神经元的滤波特性与跟随脉冲重复率的能力 锐化神经元频率 调谐 提高对频率的选择性和敏感性 即提高神经元的信 噪比等 表明听中 枢神经元之间在声信号处理过程中存在复杂的相互作用与整合关系 本文根据 国内外的有关研究报道 结合我们的实验结果试图 分析探讨背景噪声条件下 中枢神经元声反应特征与神经调制的关系 以期进一步了解背景噪声中声信号 提取的中枢机制 1 1背景噪声对听中枢神经元声信号提取的影响 1 1 1背景噪声下听神经纤维的发放特征 最 早 进 行 信号 掩蔽神 经 机 制的 研究 始于 对听 神 经 纤 维的 研 究 1 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的 n 1电位幅度 发现 当在短声 c l i c k 或噪声刺激的同时给予连续宽带背景噪声 w i d e b a n d b a c k g r o u n d n o i s e 时 n 1 电 位幅度下降 3 0 年后 k i a n g 和他的同 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n 1 发放幅度降低 但潜伏期并无 变化 近年来对牛蛙 b u l l f r o g r a n a c a t e s b e i a n a 的听神经纤维发放特征分析 显示19 1 当声信号刺激强度7 0 或8 0 d b s p l 时 该强度相当 于自 然状态下牛蛙 所接受的通信声强度 其发放特征在背景噪声存在的条件下没有大的改变 在无噪声和低噪声条件下 听神经纤维强烈锁相 p h as e l o c k 于合成信号的基 频 f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y 合 成信号中的 谐波精细 特征 无 法从 听纤维发放的 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 b e s t f r e q u e n c y b f 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 频 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多谐波声刺激中抽提 e x t r a c t 基频率 w a lt o n 等 在 对 灰鼠 c h in c h i l la s 单 单 位 s i n g l e u n it 听 神 经 a u d it o ry n e r v e a n 进行记录时则注意到 1 0 1 在无背景噪声时 各单根 a n 的自发放电率 s p o n t a n e o u s f i r in 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 i n a m 信号的 编码能力随s r的增高而表现出逐步下降 连续宽带噪声条件下 无论a n的 s r高低 它们对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 且下降率与对基频的同步化降低率成比例关系 因此作 者认为 在连续噪声条件下a n对a m信号编码能力的保持是由于耳蜗的非线 性和适应机制导致a n发放率和工作范围的 移变 s h i ft 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 u 认为内 耳毛 细 胞 上的 毛束 h a ir b u n d l e 可 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束的几何特性 耳蜗对 弱信号的主动放大作用就是通过这种动态振荡系统实现的 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 己有不少证据表明 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 c o c h le a r n 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 如果信噪比 s i g n a l t o n o i s e r a t i o s f n 为 1 4 或 1 9 d 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 1 2 1 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 1 3 1 1 1 2背景噪声下i c 神经元的声反应特征 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 近些年来 己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 14 对 最 小间 隔阐 m i n im u m g a p t 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 e s e n s i t iv 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期间的发放率 另一方面引起刺激间隔之 后的发放率增加 并且改变其潜伏期变化特性 b f 增加时 潜伏期不再下降 对去大脑猫 d e c e r e b r a t e c a t s 的i c 研究则观察到 1 5 1 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 尽管闲 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 l e o p a r d fr o g r a n a p ip ie n s p ip ie n s i c i i 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 其信号检测阐 d e t e c t i o n t h r e s h o l d d t 能 力逐步提高 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 位相型 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 为紧张型 t o n i c t 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 在仓袅 b a r n o w l 的i c 1 7 神经元对经向 方 位声 源的耳间 相 位差 in t e r a u r a l p h a s e d i ff 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神经元的声定位线索的选择性有重要作用 1 1 3背景嗓声下听皮层神经元的声反应特征 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 近年也 有 新 的 进 展 b r u g g e 等发 现 8 1 8 1 猫 的 初 级 听 皮 层 p r im a ry a u d it o ry a i 有 效空间 感 受 野 v i rt u a l s p a c e r e c e p t iv e f ie l d s v s r f s 内 的 神经 元 其反应潜伏期和强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 19 1 背 景噪 声 只降 低猫次 级听 皮 层 s e c o n d a u d i t o ry c o rt e x a 2 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s n较 高时 放电 率出 现升高 的 现象 在此之前 己 有人从行为 水平研究报道12 0 1 元 音及辅音诱发的脑磁场记录显示出 背景白噪声 w h i t e n o i s e 对左右脑听皮层反 应影响不一 白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 无论是在d c n i c 还是在a c 现有研究均表明 听中枢神经元在背景 噪声下对声信号的检测都与信号源和掩蔽源之间的相对位置以及它们的 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 2编蝠声信号处理过程中的神经调制 1 2 1不同p r r对i c神经元声反应特征的影响 蝙蝠是一类听觉系统高度特化与发达的飞行类哺乳动物 回声定位过程中 由于环境的复杂性 其听觉系统必需克服来自 不同距离和方向的回声对靶物回 声信息的 干扰 2 p 根据行为学实验 蝙蝠在遇到复杂活动时 往往通过发放更 多的脉冲以帮助正确抉择 因此人们推测 连续的脉冲一 回声对中获得的信息 整合可以 提高 蝙蝠的 辩识率 2 2 1 例如 蝙蝠在靠近靶物时 其自 身发射的脉冲 重复 率增加 p u l s e r e p e t i t i o n r a t e p r r 这反 映了 蝙蝠抽提环境信息时 采用的 一种方法 已知蝙蝠面对不同回声定位时相所呈现的时相性信息 神经元以时相性放 电模式编码 因此 若选定单位时间内的发放为指标 如每秒发放数 p r r 增加情形下应提高单位时间内的发放 因为高 p r r情形下 刺激能量更为集 中 据此推测 神经元偏好高p r r 但有关的研究结果并非如此 一些神经元 在高p r r时几乎停止发放 听中枢神经元对不同的p r r表现出明显的选择性 p in h e i r o 等 观察 到 2 3 1 6 1 个i c 神 经元中 3 3 为 高 通 h ig h p a s s p r r 跟随 能 力大于 或等于7 0 p p s 3 3 为低 通 l o w p a s s p r r 跟随能 力小于 或等于i o p p s 在大于 3 0 p p s 时停止发放 1 8 为带通 b a n d p a s s p r r跟随能力介于 2 0 7 0 p p s 超出 此范围 发放率显著下降 对应于此 4 5 个i c神经元中 最 佳持续时 b e s t p u l s e d u r a t i o n b d 小于2 m s 的占2 7 相当于低通滤波器 1 8 大于 1 0 m s 相当于高通滤波器 3 3 在一个或两个特定的持续时 p u l s e d u r a t i o n p d 时有 最大 发 放 而在其它 p d时 发 放无明 显差异 相当 于带 通 b a n d p a s s la 波器 作 者 推 测i c 神 经元的 这 种滤 波 特 性可能 与 神经 抑制有 关 本室对上述推测进行了 实验研究 证实 待发表资料 滤波特性不同的i c 神 经元在离子电 泳r 氨基丁酸 r a m i n o b u t y r i c a c i d g a b 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 后 其滤波 特性可发生改 变 部分 神经 元可以 从低通转变为 全 通 a l l p a s s 通频能力得以 增加 i c神经元对p r r信息的编码不仅体现在选择性通频特性上 在p r r增加 时 最小闽值 m i n i m u l th r e s h o l d m t 及潜伏期也发生相应的改变 陈其才等 1 9 9 4 年报道 2 4 1 增加 模拟回 声的p r r 可使i c 神经 元的m t 升高 潜伏期延长 但p r r 小于 每秒1 0 次 时 p u l s e p e r s e c o n d p p s 时 m t 并不增加 他们认为 这是由 于1 0 0 m 的刺激间隔大于神经元的1 0 0 恢复周期 r e c o v e r y c y c l e 当 p r r 大于1 0 p p s 时 m t 升高 这可能 是恢复周 期 所致 因为神经元的时 相性 发放可能是由于兴奋之后紧跟一个抑制期而形成的 即 mt升高是由于 p r r 增加使脉冲间隔缩短 影响了神经元从前一个刺激恢复的能力所致 而潜伏期 的延长可归究于 mt升高导致所给定的刺激效率下降 在他们其后的研究中 12 5 1 1 8 2 个i c 神经元中 的7 6 的m t 随p r r 增 加而升高 但这些神经元的 潜 伏期要么延长 5 8 要么维持不变 1 8 其余2 4 的神经元其mt在p r r 增加时变化很小 但他们当中仍有1 1 的表现出潜伏期变化 可见 p r r增加 时 并非所有神经元的mt和潜伏期都能表现出一致性的变化 对 1 0 6 个mt 和潜伏期均随p r r 增加而升高或延长的i c神经元作进一步分析发现 在补偿 强度下 4 2 的神经元潜伏期缩短至最短 b i c后再用补偿强度测定 结果无 差异 说明这些神经元对p r r的编码有赖于mt和潜伏期的共同改变 g a b a 所发挥的作用甚微 另有5 2 的神经元在给予补偿强度后 潜伏期只有部分缩 短 b i c后 它们当中的大部分 8 8 潜伏期缩短至最小 该研究表明 蝙 蝠i c神经元在编码p r r信息时 mt 及潜伏期的改变至少部分可归因于g a b a 所产生的抑制性调制作用 1 2 2 a c 神经元声信号处理过程中的g a b a 能抑制 a c是听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 l g e n i c u l a t e b o d y 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 2 6 1 大 部 分 神 经元的 最 佳重 复率 b e s t r e p e t it io n r a t e b r r 为1 3 p p s b d为 0 5 1 0 m s 一 般而言 在b f b d b r r 及最佳强度 b e s t i n t e n s i t y b i 的条 件 下 一个皮层听神经元可呈现出最短的潜伏期 说明皮层神经元在处理声信号 过 程中 可能是利用脉冲强度 p d p r r等联合信息的组合来强化其信号检 测能力 对于某一特特定的强度 p d p r r等组合所产生的最大反应提供了 一种精致信号特征分析的神经机制 该机制和视皮层简单细胞对某一特定的朝 向刺激产生最大反应类似 尽管在非最佳朝向它们也能发发放神经冲动 蝙蝠至少存在两种可能的途径来对时相性变化的脉冲幅度起反应 一种可 能是 不同m t的神经元对不同的刺激起反应 因为神经元有一最佳刺激脉冲 幅度 这种可能性己在蝙蝠的多级中枢中得到证明 强度编码 因而 通过 参与反应数量上的变化 单个神经元可对整个范围内的回声起反应 另一种可 能是 单个神经元只对某一特定的时相模式脉冲作出最大反应 同样有大量研 究证明这种方式的存在 本室在大棕蝠a c 观察到12 7 1离子电 泳b i 前后 a c 神经元的声反应模式发生改变 b ic前仅为两种 p型和相位爆发型 p h a s i c b u r s t p b b i 后 变为 3 种 p p b和 t型 其中 p 型反应中有2 7 7 1 3 4 7 卜 硕士学位论文 n 认s 1 ir s t i ll s i s 的转变为p b型 1 9 1 的转变为t型 p b型反应 n 1 则转变为t型 在 强度一 发放率和强度一 潜伏期函数方面 去g a b a能抑制时 m t下降 潜伏期 缩短 b i 前 强度一 放电率函数形形式为2 种 单调型 m o n o t o n i c 和非单调 型 n o n m o n o t o n ic b i c 后变为3 种 即除了 单调型 非单调型外 部分神经 元转变为饱和单调型 m o n o t o n i c s a t u r a t i o n 虽然强度一 潜伏期函数类型在注射 前后没有发生改变 但神经元的不同函数类型比例发生改变 部分神经元由 b i 前的非单调型变为单调型 也有单调型变为非单调型的情况发生 可见 g a b a在a c神经元的声强编码过程起着重要的调制作用 听中枢神经元对频率参量的分析处理是听感觉信息处理的核心要素之一 一直受到广泛关注 多年来己有大量实验观察到 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 l a t e r a l i 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 2 8 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 h i g h l i m b 或低频边 l o w l 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 c 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 1 6 4 8 3 3 3 3 即 变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 此外 本室还对这种 锐化作 用与 皮 层结构的 相关性进行了 研究 2 9 结果显示 当电 极在皮 层上直 插 产 时 1 个电极道内连续记录到的多个a c神经元不仅具有相似的兴奋性频率调 谐曲线 而且所测量的抑制区亦相似 电极与a c表面斜插 呈4 5 度 时 观察的的不同神经元其兴奋性调谐曲线表现出差异 且抑制区也表现出差异 性 去g a b a抑制后 直插电极道内的神经元表现出的去抑制效应有相似性 但斜插电极道内的神经元则表现出不同的去抑制效果 提示a c神经元频率调 谐的神经抑制呈柱状结构 1 2 3 i c 神经元声信号处理过程中的离皮层调控 虽然解剖学研究早已 发 现 听皮层深部的 离皮层纤维 c o r t i c o f u g a l f i b e r s 可分别投射到 m g b i c 或丘脑下听中枢核 但这种离皮层投射对听神经元声 信息处理的调制作用直到近些年才在哺乳类动物上得以仔细的研究 并逐渐成 为 听 觉 研 究 的 热 点 之 一 j e n 等 发 现 3 0 1 通过 注 射 利 多 卡 因 l id o c a in e 以 阻 断 听皮层神经元的活动 或电 刺激听皮层神经元 可在下丘中央核 c e n t r a l n u c l e u s o f t h e i c i c c 观察到离皮层调控作用 这种调控既有对发放率 潜伏期 空间 反 应区 频率调谐的抑制 也能 观察到易化作用 f a c i l i t a t i o n 离皮层调控的 效率与声束 i 激和电刺激之间的间隔有关 此外 当声刺激强度较低时 调控作 用较大 高强度时调控作用减弱 当在i c离子电 泳注射g a b a及其b i c 后 i c神经元分别表现出离皮层调控的抑制及易化效应 他们认为这种离皮层调控 通路可能是通过下丘周核 e x t e rn a l n u c l e u s o f t h e i c i c x 的中继实现的 即a c 向i c x 发出兴奋性投射 而i c x 则向i c c 发出抑制性投射 他们随后进一步的 研究支持该假设 3 1 1 电 刺激a c神经元后 i c x 神经元发放率增加 空间反应 区扩大 频率调谐曲线变宽 若离子电泳注射 n 一 甲基一 d 一 天冬氨酸受体 n m e t h y l d a s p a r t a t e n m d a 拮 抗 剂2 氨 基 磷 酸 基 戊 酸 d l 2 a m i n o 5 p h o s p h o n o wa l e r i c a c i d a p v 至i c x 神经元 则a c神经元对i c x 的上述调控作用减弱 可见该易化作用至少部分是通过n md a受体介导的 而电 刺激i c x 后 i c c 的发放率下降 空间反应区缩小 频率调谐曲 线变窄 对i c 神经元离子电泳b i c 后 上述调控效应下降 1 3研究神经元间相互作用对认识听中枢神经元声信号提取机制的 意义 听觉信息处理己成为听觉中枢研究的热点 这方面的研究之所以 重要 是 因为它与语言识别和理解直接相关 当声信号中所包含的信息被送入听中枢 后 在听中 枢产生对外界环境声感受的 图 象 i m a g e 这 种图 象在某种程 度上是一种物理声实体的 抽提 e x t r a c t 即刺激特征抽取 脑成象研究表 明 一种声信号或刺激传入中枢时 除在某一主中枢区有大群神经元参与反应 和进行信息处理外 一些相关中 枢结构内的神经元也会参与反应和协同主中枢 进行信息处理13 2 3 3 1 大量研究证实 动物中脑的下丘 i n f e r i o r c o l l i c u l u s 1 c 是重要的中枢听 觉结构 几乎是所有上行听觉纤维的 换元站和声反射中 枢13 4 1 它的声调组构 t o n o t o p i c o r g a n i z a t i o n 呈层状排列 具有基本相同特征频率或最佳频率 c h a r a c t e r i s t i c f r e q u e n c y o r b e s t f r e q u e n c y c f o r b f 的 神经 元 排 列 在同 一 功能 结 构 层 一同 频 层 i s o fr e q u e n c y c o n to u r 13 5 a i l 长 期以 来 人 们 对 下 丘 在 频 率 强 度 和 时 间 编 码 fr e q u e n c y i n t e n s ity a n d t im e c o d i n g 13 4 4 2 1 声 定 位 s o u n d l o c a l i z a t i o n 或声源方向 编 码 c o d i n g o f s o u n d s o u r c e d i r e c t i o n 14 3 4 4 1 双耳声 反 应 特 性 b i n a u r a l p r o p e rt y 14 5 4 1 重 复 声 脉 冲 信 号 处 理 或 脉 冲 重 复 率 p u l s e r e p e t i t io n r a t e 处 理 12 4 2 5 1 以 及 离 皮 层 调 控 c o rt i c o f u g a l c o n t r o l 13 0 4 7 4 9 等 方 面做了大量研究 尤其是对听觉信息的处理过程和机制 以及调控方面的研究 特别引 人注目 已 知 听 皮层对下丘和内 膝体 m e d i a l g e n i c u l a t e b o d y m g b 等 皮层下中 枢有明 显的调 控作用 3 0 4 7 4 9 1 这种调控作 用可能与听中 枢内 存在的 侧抑制 l a t e r a l i n h i b i t i o n 或 输入性抑制 a ff e r e n t i n h i b i t i o n 有关 以 锐 化频率调谐 和听 空间 调谐等 s o 5 1 1 这些研究发 现 下 丘神经元具有复杂的 兴奋 和 抑 制过 程的 交 互 作 用 13 4 1 在声 信号 处理 过 程中 会 受 到 来自 相 邻神 经元 间 和 高 位中枢的正负反馈输入以及低位中枢兴奋与抑制输入的影响和调控 然而 从 对下丘神经元声信号处理所做的电生理研究来看 一般为单电极或单点记录 所记录到的也为单个神经元 对这些神经元功能的了 解是根据统计学处理后的 结果来阐释其对声信号处理的特征 这样并不能真正认识具有相同和不同最佳 频率的神经元在频率调谐 空间调谐 强度和时间编码等方面所表现出的特征 本 研究 将以 大 棕 黄 蝙 蝠 b i g b r o w n b a t e p te s i c u s f u s c u s 为 模型 利 用i c 声 调 组构排列成同频层这一结构特点 突破单电极记录和检测神经元的方法 同时 推进两单电极至一个同 频层或两个同频层的两个不同 神经元 这样可以准确地 从细胞水平直接比较两个具有相同和不同最佳频率的神经元声信号的加工处 理特征 以及它们之间的相互关系和窥探对同一声信号处理过程中的整合奥 秘 即研究具有基本相似功能的两个神经元在处理同一感觉事件时的相互作用 关系 通过研究配对神经元间的相互作用 尤其是在声强编码 锐化频率调谐等 方面的相互作用 有助于认识听中枢神经元如何通过提高信号 噪声比 锐化 频率调谐以突显有生物学意义的声信号频率中所包含的信息 在声信号识别 定位和信息加工等方面尤为重要 2 材料和方法 2 1动物制备和仪器 2 1 1手术 5 只大 棕蝠 e p t e s i c u s f u s c u s b w t 1 8 2 5 g 雌雄不 拘 被 用于本研究 术前 用镇静剂i n n o v a r v e t 0 0 8 m