（动物学专业论文）下丘神经元对不同频率调制范围和扫描方向的调频声的反应.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 摘要 i c 在中枢听觉系统中占据着关键位置，大量证据表明它是低位听觉通路、听皮 层和运动系统之间的中介。i c 接受来自不同通路大量低位脑干听觉核团的上行输入 以及来自对侧i c 的交叉输入和昕皮层的下行输入。长期以来，人们对下丘在频率、 强度和时间编码，声定位或声源方向编码，双耳反应特性，重复声脉冲信号处理或 脉冲重复率处理，以及离皮层调控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。 作为一种好的听觉实验研究模型，昆明小鼠下丘神经元对纯音的反应已有深入 研究，但其对调频声反应的研究却不多见。调频声不仅是人类语言的重要组成部 分，也是很多动物声通讯所必需的。在其他动物如回声定位蝙蝠、大鼠等下丘已有 初步研究，并发现很多神经元都能够对这类复杂声有效编码。本研究在自由声场条 件下，采用单位细胞外记录方法，观察了昆明小鼠下丘神经元对具有不同调制范围 的调频声的反应情况。 本实验共用1 5 只健康、听力正常的成年昆明小鼠，雌雄不拘，共获得了9 0 个 声反应的i c 神经元。实验结果显示：( 1 ) i ( 2 神经元对调频声反应的调制范围发放 数函数曲线包括4 种类型：绝大多数为随调制范围增大而发放数逐渐减少的短通型 ( 上扫调频声刺激：5 4 9 0 ，6 0 ；下扫调频声刺激：5 7 9 0 ，6 3 3 3 ) 。其次为发放 数随调制范围增大而先增加后减少的带通型( 上扫，1 7 9 0 ，1 8 8 9 ；下扫，1 2 9 0 ， 1 3 3 3 ) 和发放数随调制范围变化而基本不变的全通型( 上扫，1 5 9 0 ，1 6 6 7 ； 下扫，1 7 9 0 ，1 8 8 9 ) ，最少的为发放数随调制范围增大而增加的长通型( 上扫， 4 9 0 ，4 4 4 ；下扫，4 9 0 ，4 4 4 ) 。( 2 ) 在短通型神经元中，本研究观察了其潜伏 期和反应时间随调制范围改变而变化的情况，结果发现，绝大多数短通型神经元的 潜伏期都随调制范围的加大而延长( 上扫：3 6 5 4 ，6 6 6 7 ；下扫：3 6 5 7 ，6 3 1 6 ) ， 并且通过单因素方差分析及配对t 一检验测试结果，该变化均有显著性差异( p 0 0 1 ) 。同样，对于反应时间而言，绝大多数短通型神经元的反应时间都随调制范 围的加大而缩短( 上扫：4 2 巧4 ，7 7 7 8 ；下扫：4 5 芦7 ，8 0 7 0 ) 。( 3 ) 昆明小鼠的 部分i c 神经元表现出对调频声调制方向选择的特性，在调制范围为1 5 k h z 的情况 下，大约有4 1 9 7 ( 3 4 8 1 ) 的神经元表现出方向选择性，并且上扫选择性神经元 为1 8 个，下扫选择性神经元为1 6 个。( 4 ) 调频声的调制范围也会影响下丘神经元 的方向选择性，随着调制范围的升高，方向选择性神经元的比例表现出先升高后下 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 降的趋势，在调制范围为1 5 k h z 时方向选择性神经元总数的比例达最大值；上扫选 择性神经元的比例随着调制范围的升高也表现出先上升再下降的趋势，但在调制范 围为1 0 k h z 时呈现出最大值；下扫选择性神经元的比例则随着调制范围的升高表现 出先升高后下降在升高的复杂趋势，在调制范围为1 5 k h z 和2 5 k h z 时呈现最大值。 而上下扫神经元的比值则在调制范围为2 k h z 时最大( 3 ：1 ) ，调制范围的升高使该 比值保持在1 3 ：1 左右。 该研究结果表明，昆明小鼠下丘神经元能很好处理调频声刺激，大多数神经元 在调制范围比较窄时表现出最大的发放数。造成下丘神经元对窄调制范围调频声选 择现象可能是由于来自下丘神经元兴奋性频率调谐曲线侧和或两侧的抑制性输 入以及特征刺激过后引起的抑制性突触后电位造成的。另外，调制范围也影响了下 丘神经元对调频声的方向选择性的编码情况，而且这种影响对上下扫选择性神经元 是不同的，其内在的神经机制仍需进一步的研究来探讨。 关键词：调频声；调制范围；方向选择性；潜伏期；下丘；昆明小鼠 a b s t r a c t t h ei r d e f i o rc o l l i c u t n s ( 1 9o c c u p i e sas t r a t e g i cp o s i t i o ni nt h ec e n t r a la u d i t o r y s y s t e m e v i d e n c ef r o ml o t so fs t u d i e si n d i c a t e st h a ti ti sa ni n t e r f a c eb e t w e e nl o w e r b r a i n s t e ma u d i t o r yp a t h w a y s t h ea u d i t o r yc o r t e xa n dm o t o rs y s t e m s t h ei cr e c e i v e s a s c e n d i n gi n p u tf r o man u m b e ro fa u d i t o r yn u e l e ii nt h el o w e rb r a i n s t e m m o r e o v e r , i t r e c e i v e sc r o s s e di n p u tf r o mt h eo p p o s i t ei ca n dd e s c e n d i n gi n p u tf r o ma u d i t o r yc o r t e x f o ra l o n gt i m e ，m a n ye x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e do ni c t os t u d yt h ee n c o d i n go fs o u n d f r e q u e n c y , i n t e n s i t ya n dd u r a t i o n m a n yo t h e ra s p e c t ss u c ha ss o u n dl o c a t i o n , b i n a u r a l p r o p e r t i e s ，p r o c e s s i n go fp u l s er e p e t i t i o nr a t e ，a n dc o r t i c o f u g a lm o d u l a t i o na l s oh a v e s t u d i e de x t e n s i v e l y a sa9 0 0 dk i n do fm o d e la n i m a l ，m o u s e ( m u sm u s c u l u s ) 麟e x t e n s i v e l ys t u d i e di n n u m e r o u sa u d i t o r yr e s e a r c h e sw h i c hu s e dp u r et o n ea ss o u n ds t i m u l u s h o w e v e r , r e l a t i v e v e r yf e ws t u d i e sh a sd o n ea b o u th o wd i dt h ei cn e u r o n so fm o u s er e s p o n dt o f r e q u e n c y - m o d u l a t e d ( f m ) s w e e p s 佻f m s o u n dn o to n l ye x i s t si nt h eh u m a nl a n g u a g e ， b u ta l s oc o n s t i t u t e sam a j o rp a r ti na n i m a ls o u n dc o m m u n i c a t i o n s o m er e s e a r c h e s h a v ep e r f o r m e do nt h ei co fm a n ya n i m a l ss u c ha se c h o l o c a t i n gb a t sa n dr a t sa n dt h e s e r e s e a r c h e ss h o wt h a ts o m ei cn e u r o n sc a ne n c o d et h i sc o m p l e xs o u n de f f i c i e n t l y t h i s r e s e a r c ho b s e r v e dt h er e s p o n s eo fi cn e u r o n st of ms t i m u l iw i t i ld i f f e r e n tm o d u l a t i o n r a n g e si nt h ef r e e f i e l dc o n d i t i o n s 1 5h e a l t h ya d u l tm i c ew i t hn o r m a lh e a r i n gw e r eu s e di nt h i se x p e r i m e n t , a n d9 0 i c n e u r o n sw h i c hr e s p o n d e dt os o u n d sw e r eo b t a i n e d 1 m er e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) t h e m o d u l a t i o nr a n g e s p i k ef l l n c t i o no ft h ei cn e u r o n si n c l u d e df o u rd i f f e r e n tt y p e 略：t h e s p i k e so fm o s tu e l l f o n sd e c r e a s e da st h em o d u l a t i o nr a t ei n c r e a s e da n dt h i st y p et e r m e d s b o n p a s s ( i nu p - s w e e p ：5 4 9 0 ，6 0 ；i nd o w n - s w e e p ：5 7 1 9 0 ，6 3 3 3 ) 1 1 l es e c o n dt y p e s w e r eb a n d - p a s s ( i nu p - s w e e p ：1 7 9 0 ，1 8 8 9 ；i nd o w n - s w e e p ：1 2 9 0 ，1 3 3 3 ) a n d a l l p a s s ( i nu p - s w e e p ：1 5 9 0 ，1 6 6 7 ；i nd o w n s w e e p ：1 7 9 0 ，1 8 8 9 ) 1 kr e m a i n i n g w e r el o n g - p a s s 伽u p - s w e e p ：4 9 0 ，4 4 4 ；i nd o w n - s w e e p ：4 9 0 ，4 “) ( 2 ) 1 ks t u d y a l s oo b s e r v e dt h el a t e n c ya n dr e s p o n s ep e r i o do ft h eu e u r o u si ns h o r t - p a s sf l e u r o n s s t i m u l a t e dw i mf m u n d sw h i c hi n c l u d e dd i f f e r e n tm o d u l a t i o nr a n g e s t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h el a t e n c i e so fm o s ts h o r t - p a s sn e u r o n si n c r e a s e da st h em o d u l a t i o nr a n g e s i n c r e a s e u p s w e e p s ：3 6 5 4 ，6 6 。6 7 ：i nd o w n - s w e e p s ：3 6 5 7 ，6 3 。1 6 ) 佻c h a n g e w a ss i g n i f i c a n te i t h e ru s eao n e - w a ya n o v at e s to rt h ep a i r e dt - t e s t 口 0 0 1 ) l i k e 丽s e ， t h ep e r i o d so fm o s ts h o r t - p a s sn e u r o n sd e c r e a s e da st h em o d u l a t i o nr a n g e si n c r e a s e ( i n 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l 8 u p s w e e p s ：4 2 5 4 ，7 7 7 8 ：i i ld o w n - s w e e p s ：4 5 5 7 ，8 0 7 0 ) ，a n dt h ec h a n g ew a s a l s o s i g n i f i c a n t 口 0 0 1 ) ( 3 ) s o m ei cn e u r o n ss h o w e dd i r e c t i o ns e l e c t i v et of ms t i m u l i w h e nt h em o d u l a t i o nr a n g ei s1 5k h z ，3 4o ft h e8 1i cn e u r o n ss h o w e dt h ed i r e c t i o n a l s e l e c t i v i t y , i nw h i c h1 8n e u r o n sw e r es e l e c t i v et ou p _ s w e 印a n d1 6n e u r o n sw e r c s e l e c t i v et o d o w n s w e e p h ) t h em o d u l a t i o nr a n gc a na l s oe f f e c tt h ed i r e c t i o n a l s e l e c t i v i t yo ft h ei cn e u r o n st of m t h et o t a ir a t i oo ft h ed i r e c t i o ns e l e c t i v en e u r o n s e x p e r i e n c e dt h ep r o g r e s so ff i r s t l ya s c e n da n dt h e nd e s c e n d w h e nt h em o d u l a t i o nr a n g e w a s1 5k h z ，t h e r eh a dt h em o s td i r e c t i o n s e l e c t i v en e u r o n s w i t ht h eu p - s e l e c t i v e n e o r o n s ，t l l e ya l s oe x p e d e n c e dt h ep r o g r e s so ff i r s n ya s c e n da n dt h e nd e s c e n d b u tw h e n t h e r eh a dt h em o s tu p - s e l e c t i v en e u r o n s ，t h em o d u l a t i o nr a n g ei s1 0k i - l z w i t ht h e d o w n - s e l e c t i v en e u r o n s ，t h ec a s ei sm u c hc o m p l e x ，t h e ye x p e r i e n c et h ep r o g r e s so ff i r s t l y a s c e n da n dt h e nd e s c e n da n dt h e na s c e n d ，l l e nt h em o d u l a f i o nr a n g e sw e r e1 5k h za n d 2 5k h z t h e r eh a dt h em o s td i r e c t i o ns e l e c t i v en e u r o n s 1 1 l er a t i oo fu p s e l e c t i v en e u r o n s t od o w n s e l e c t i v en e u r o n sw a s3t o1w h e nt h em o d u l a t i o nr a n g ei s2k h z ，w h e nt h e m o d u l a f i o nr a n g ei n c r e a s e d ，t h er a t i od e c r e a s e dt oa b o u t1 3t o1 t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ei cn e u r o n so fk u n m i n gm o u s ec a i lp r o c e s sf ms t i m u l i e 自f i c i e n f l y m o s to ft h en e u r o n sh a dt h em a x i m u ms p i k e , sw h e nt h em o d u l a f i o nr a n g e s w e r en a r r o w e s t t h i sn h e n o m e n o nc o u l dc o n t r i b u t et ot h ei n h i b i t o r yi n p u tf r o mt h e i n h i b i t o r yb a n dn e a rt h ee x c i t a t o r yf r e q u e n e yt u n i n gc u r v e sa n d o rt h ei n h i b i t o r y p o s t - s y n a p s ep o t e n t i a lc a u s e db yt h ec fs o u n ds t i m u l u s i na d d i t i o n a l ，t h em o d u l a t i o n r a n g ec a nc a u s ee f f e c to nt h ed i r e c t i o n a ls e l e c t i v i t yo ft h ei cn e u r o n st of n is o u n d sa n d t h ee f f e c to nu p a n dd o w n 。s e l e c t i v en e u r o n sw a sd i f f e r e n t t h en e u r a lm e c h a n i s mn e e d t ob ef u r t h e rs t u d i e d k e yw o r d s ：f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ；m o d u l a t i o nr a n g e ；d i r e c t i o n a ls e l e c t i v i t y ； l a t e n c y ；i n f e r i o rc o l l i c u l u s ；k u m i n gm o u s 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，均已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：弥若垭 日期：砷年多月哆日 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，允许论文披查阅和借阅。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。 作者签名：弥芝垃 日期：z 啊7 年占月3 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。回童途塞埕銮卮澄厦；旦圭生；旦= 生；旦三生蕉查e 作者签名：藓譬疲乏 日期：7 唧年月哆日 导师签名： 日期：沙舻月哆日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 调频声与听觉 听觉系统能感受、传输、分析、处理声音信息。对于人和许多动物来说，听觉 系统的重要性毋庸置疑，尽管人体感受的外界信息以视觉为主，但是人际交流在很 大程度上却是通过听觉系统来进行的。事实上，耳聋比失明造成的个人某些方面的 社会活动能力下降更为明显。对于某些动物而言，听觉系统与它们的繁殖或捕食等 基本行为密切相关( 如青蛙和蝙蝠) ，因而具有更为重要的作用【1 1 。 声音是一个有效的信息载体，它有很多重要的特性，如频率、强度、音色和时 程等。这些特性的任一方面发生改变，都代表了不同的声音信息。若声音的频率或 强度随着时间而呈现出有规则的变化，则该类声音被称为调频声( f r e q u e n c y m o d u l a t i o n ，f m ) 或调幅声( a m p l i t u d em o d u l a t i o n , a m ) 。调频声是现实听境中非常 常见的声信号之一，日常生活中，使用在广播上的信号一般就是7 6 1 0 8 m h z ( 其 中包括了7 6 8 8m h z 的校园广播频段) 的调频声，它具有清晰度高的特点。而在 动物中，调频声对它们的生存是至关重要的，如回声定位蝙蝠利用声信号进行目标 定位和种间通讯，在它们所发出的声音中，f m 声是其中重要成分同。在某些啮齿 类动物中，f m 声也是种内通讯及母婴交流声信号的重要组成部分之一【3 ，4 1 。由于构 成这种调制声的参数较多，它属于复杂声范围之列，然而这些参数在实验室的条件 下却是很容易控制的，因此大量相关研究使用该类声音探讨听觉系统对复杂声信号 的提取情况。 1 2 动物中枢神经元对调频声的反应 关于听觉系统中枢神经元如何处理f m 声的问题已进行了大量细致的研究。研 究者们使用了各种不同类型的实验动物作为研究对象，试图阐明这些动物脑内的神 经元是如何对f m 声进行有效编码的( 尤其是对调制方向的选择性和调制率的选择 性方面) 。这些被研究的动物包括回声定位蝙蝠、猴、猫、大鼠和小鼠等。尽管目 前尚不能完全回答这些问题，但研究者们的先驱工作却为后继研究提供了大量资 料。 硕士擘住论文 m a s t e r st h e s i $ 1 2 。1 回声定位蝙蝠 人们使用回声定位蝙蝠来研究中枢听觉系统对调频声的编码，因为回声定位蝙 蝠中的f m 蝙蝠是通过发出下扫调频声来进行回声定位的。而回声定位蝙蝠中的另 一种类型c f ( c o n s t a n tf r e q u e n c y ) 蝙蝠在发出恒频信号结束之后或和开始之前，也都 有一部分的调频成分【z j 。既然调频声对回声定位蝙蝠的生存至关重要，那么在其脑 内必定有相当部分神经元对该信号进行特定编码。由于蝙蝠声纳信号中的调频声主 要是下扫调频声，理所当然地，研究者在很多蝙蝠脑内都发现了只对下扫调频声反 应的“调频声特化神经元”( f ms p e c i a l i s t s ) 。这类神经元的比例在不同种类的蝙蝠 中差异很大，如在m 1 u c i f u g u s 中，大约有3 的神经元是调频声特化神经元1 5 , 6 1 ，在 另外一种回声定位蝙蝠只p a r n e l l i i 的下丘中，只有不到2 的神经元为调频声特化 神经元1 7 1 ，而在一种被动声定位蝙蝠a p a d u s 中，却有约3 1 的调频声特化神经 元【8 】。 除调频声特化神经元外，研究者在回声定位蝙蝠的脑内同样发现大量对调频声 调制方向有偏好反应的方向选择性神经元( s w e e p d i r e c t i o ns e l e c t i o nn e u r o n ) 。如在 a p a l l i d u s 的下丘有5 0 的神经元表现出对下扫调频声反应明显好于上扫调频声 ( 反应发放数大于上扫调频声时的2 倍) 嗍，这是与回声定位蝙蝠的生态行为特性 相一致的。然而，在另一种回声定位蝙蝠pp a r n e l l i i 中，其脑内的神经元则大多数 为上扫选择性神经元【吼。如在该蝙蝠的下丘有约8 5 的该类神经元，在其内侧膝状 体( m e d i a lg e n i c u l a t eb o d y , m g b ) ，也有约5 3 7 8 的该类神经元【1 0 l 。这类神经元 的功能目前还不甚明了，它们可能编码了种问通讯中的调频声信号，也可能编码了 由昆虫振翅产生回声中的正弦调频声的上扫成分【l l 】。 1 2 2 大鼠 大鼠作为一种经典的哺乳动物实验模型，也被人们用来研究其听觉系统对调频 声的编码情况，且这部分研究主要集中在对其听皮层的研究。r i c k e t t s c 等在大鼠 原初听皮) 罢( p r i m a r ya u d i t o r yc o d e x ，a i ) 的研究发现f 1 2 1 ，在所记录的神经元中，有 4 4 的神经元表现出方向选择性，且在这些方向选择性神经元中，有7 5 的为下扫 选择性。在对调频声的调制率方面，多数神经元( 6 7 ) 对快速及中等速度的调制 率有最好反应。他们的进一步研究发现f 1 3 】，与年青大鼠相比，老年大鼠听皮层神经 元对调制速率较慢的神经元有更好的反应，而方向选择性神经元的比例也更高，约 5 5 。此外，利用细胞外记录和全细胞膜片钳相结合的方法，z h a n gl i 等发现，在 大鼠的m 方向选择性神经元的拓扑组构是与其c f 的分布密切相关的：低c f 的神 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 经元往往表现出上扫选择性，而高c f 的神经元则往往表现出下扫选择性【1 4 】。并且 方向选择性的造成与突触抑制有关。 在i c ，也有部分研究观察了其对调频声的反应情况。p o o h 等发现在大鼠i c 有 约3 9 的神经元表现出方向选择性【1 5 1 。然而，f e l s h e i mc 等使用指数调频声 ( e x p o n e n t i a lf r e q u e n c y m o d u l a t i o n ) 做为声刺激研究了大鼠i c 神经元的反应情况。 他们只发现了很少的方向选择性神经元( 约9 5 ) ，多数神经元( 6 7 ) 对调制率 呈现出带通调谐( 即对中等调制率有最大反应) 【垌。此外，在大鼠的m g b ，h ib 等的研究发现，在所记录的神经元中，约4 7 的神经元表现出方向选择性，而其中 上扫选择性占多数( 5 9 v s 4 1 ) 【1 日。在调制率选择方面，多数神经元多中、快速 调制率有更好的反应( 约7 6 ) 。这些结果很类似于在a j 所得结论。 1 2 3 猫和猴 在猫的前昕区皮层( a n t e r i o ra u d i t o r yf i e l d ，a a f ) 的研究发现，多数神经元 ( 6 6 ) 表现出对调频声的调制方向的选择性【1 8 1 ，并且这种方向选择性与调频声的 调制率有关，调制率越高，方向选择性神经元的数量越少。而在对调频声调制率的 编码方面，多数神经元对快速和中等速度的调制率反应更好( 4 6 和4 8 ) ，而仅 有极少的神经元( 不足6 ) 对慢调频声有较好的反应或不表现出调制率选择性。 然而，他们后继在猫的后听区皮层( p o s t e r i o r a u d i t o r yf i e l d ，p a f ) 的研究则得到了 不同的结果【1 9 1 ，绝大多数神经元( 7 0 ) 表现出对中等速度调频声的选择；而对快 速调频声，只有很少部分( 2 2 ) 神经元表现出最大反应。在方向选择性方面，约 5 0 的神经元表现出方向选择性，且该选择性并不随调制率的改变而变化。根据上 述实验结果，研究者认为，在对调频声进行编码时，听皮层对不同调制率的表征进 行了平行处理，即a a f 区主要处理快速调频声。而p a f 区则主要处理中等速率调 频声。 在猴的外侧重于听觉带皮层( l a t e r a l a u d i t o r yb e l t ) ，通过对其前外侧区( a l ) ， 中间外侧区( m l ) 和后外侧区( c l ) 的详细研究并进行比较发现1 2 0 j ，尽管神经元 均对调制率表现出选择性，然而这三个区域却表现出差别；a l 区对整个调制率均 有较好的反应，n i l 区对慢调制率的调频声有较好的反应，而c l 区则对快调制率 的调频声有更好的反应。该实验结果再次证实了关于听皮层对声音信息的平行处理 原则：不同的听皮层区处理了不同类型的调频声。最近，在对猴a i 的研究发现， 对调频声刺激反应的方向选择性神经元的数量与该神经元的c f 之间有显著负相关 性，表明方向选择性神经元在脑内有明确的空间组构【2 1 l 。并发现上扫选择性神经元 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 一般位于a j 的腹背方向，此处神经元的c f 一般为o 5 1k h z 。 1 3中枢神经元对调频声调制方向选择性的神经机制 自从人们发现中枢听觉神经元对调频声的反应表现出方向选择性以来，大量研 究用来探讨该现象的内在机制。尽管细节上有所差别，但大多数研究都认为该选择 性是由于调频声中不同频率成分引起的兴奋性和抑制性输入在时间上不一致所造 成。其中一种最普遍最简单的模型指出，在神经元兴奋性频率调谐曲线( e x c i t a t o r y f r e q u e n c y t u n i n g c u r v e 。e f t c ) 周围的抑制边的位置可以预测该神经元对调频声反 应的方向选择性情况。例如，该抑制边若主要存在于低频边。神经元对上扫调频声 反应时由于先经历抑制性输入，这些抑制性输入会抑制该神经元对后面高频成分的 反应，因此反应发放数较少；而该神经元对下扫调频声反应时，由于高频边缺少抑 制边，首先输入神经元成分是兴奋性的而不是抑制性的，所以不会引起对后面低频 成分的抑制，从而表现出对下扫调频声有较好的反应【1 1 j 。二者反应的差异就使该神 经元在发放数方面表现出对调频声刺激的方向选择性。 然而，也有研究指出抑制边的位置并不能很好预测神经元的方向选择性情况。 研究者使用了起始频率位于兴奋区以内，终止频率为非偏好边( n o n p r e f e r r e d d i r e c t i o n ) 频率的调频声，根据上述模型，该神经元由于先对兴奋性频率反应所以 反应将不会被抑制，然而，实验结果发现这种情况下神经元的反应仍然会被抑制网。 g o r d o n 和o n e i l l 经过仔细研究发现，上述不同的实验结果的差异是由于神经元抑 制边确定方式不同造成的。如果抑制边是通过同时给出兴奋性声刺激和抑制性声刺 激来确定的，则该抑制边可能不能很好预测该神经元的调频声的方向选择性情况。 若在确定该抑制边时，抑制性声刺激位于兴奋性声刺激之前，并调整好二者的时间 间隔，所得的抑制边则可以很好预测该神经元的方向选择性情况1 9 l 。该研究也表明 了在形成神经元对调频声反应的方向选择性时，兴奋性和抑制性输入的时间关系是 至关重要的。 另外一种有关神经元对调频声反应方向选择性的机制则并不涉及兴奋性和抑制 性输入的相互作用。c o v e y 和c a s s c d a y 认为如果多个兴奋性输入只有在某个调制方 向( 上扫或下扫) 上才能联合( c o i n c i d e n c e ) 而在另一个调制方向上不能联合的话， 这种联合的多兴奋性输入也能使该神经元表现出方向选择性吲。此外，f u z e s s e r y z m 提出了类似的但更详细的模型，他们认为神经元的对调频声刺激的方向选择性取决 于该神经元所接受兴奋性输入的空间时相整合( s p a t i o t e m p o r a li n t e g r a t i o n ) 情况。 4 硕士学位论文 m a s t e r l st h e s i s 如果输入到该神经元的树突在空间上是有序的，并且输入时间反应了调频声的频率 序列，那么调制方向与该排列对应的调频声则通过总和而产生强烈反应，而调制方 向与该排列相反的调频声则无法通过总和来有效反应【2 3 1 。 1 4 中枢神经元对调频声调制率选择的神经机制 尽管人们很早已经发现了听中枢神经元( 主要是i c 和a c ) 对调频声的调制方 向和调制率表现出选择性，在对调制方向的选择性方面，近些年一直有较多研究， 并提出了很多模型。然而，有关听中枢神经元对调频声调制率的选择性方面，却很 少有人研究。直到最近，b r i m i j o i nw o 等和r a z a kk a 等才分别研究了髭须蝠的i c 和仓白洞蝠的i c 及a c 对调频声调制率选择的相关机制i 弘2 6 】。在髭须蝠i c 的研究 中，研究者改进了早期人们通过固定掩蔽声( m a s k e r ) 和探测声( p r o b e ) 时间间隔 的方法，选用了固定掩蔽效应而动态改变时间间隔的方法来测定抑制边，并用该抑 制边来预测神经元对调频声调制率的选择。然而，在他们所记录的神经元中，仅有 2 0 的神经元能够通过该方式进行预测，而其余则均不能准确预测l 冽。 f u z e s s e r y 等使用双声抑制的方法同样测了i c 和a c 神经元的声反应抑制区和 兴奋性输入与抑制性输入的时问关系。通过这些兴奋区与抑制区的频带构成以及时 间关系，他们认为在i c ，至少有两种机制参与了神经元对调制率的选择性 2 5 , 2 6 。其 中一种是由于神经元在其特征频率声刺激时会产生起始抑制，该起始抑制持续整个 刺激时间并且被认为参与了时程调谐( d u r a t i o n i 、l i l i i l 蓟的机制【2 7 捌。在他们所记录的 调制率选择性神经元中，共有5 6 的神经元符合该机制且这些神经元也都具有时程 调谐特性。在另外一种机制中，研究者认为是神经元反应时晚期的高频抑制( 1 a t e h i g h f r c q u c n c yi n h i b i t i o n ) 造成了该神经元的调制率选择性。仓白洞蝠大部分i c 神 经元兴奋性反应区的两侧包括低频边均有抑制性输入的( 但高频边的抑制区往往比 低频边的抑制区小，这也通常被用来解释i c 神经元对下扫调频声选择的神经机制) ， 以下扫调频声为例，调制率较快的调频声具有比较短的时程，因此，在经过高频抑 制时时间较短，所得到的抑制性输入较少，神经元的反应相应较好。相反，在调制 率较慢的调频声对应长的时程，在经过高频抑制时时间较长，因而得到的抑制性输 入较多，神经元的反应就较差，从而表现出调制率选择性。在他们所记录到调制率 选择性的神经元中，共有4 4 的神经元符合该机制。然而，他们在该种蝙蝠的a c 却发现只存在上述机制中的第二种，即a c 神经元的调制率选择性主要是由高频抑 制引起的。 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 其他一些非听觉的输入也可能影响听觉系统对f m 声的处理网。在墨西哥无尾 蝠( m e x i c a nf r e e - t a i l e db a t ) 的研究中表明，电泳注入5 羟色胺后会影响i c 神经元 对f m 声的反应，然而该影响的大小则取决于调制范围或和调制率 3 0 , 3 1 1 。上述研究 表明，中枢听觉系统对f m 声的反应可以由神经调质来调节，而该神经调质的浓度 高低又是受动物所处的不同状态来决定的。即听觉系统对f m 声的处理与动物所处 状态有关。 1 5 本研究的目的和意义 在现实听境中，普遍存在的声音并非频谱恒定不变的纯音，而是频谱构成随时 间而不断变化的复杂声，其中调频声是一个非常重要的组成部分，它普遍存在于人 类的语音以及动物的声通讯系统中。如在人类语言中，快速变化的f m 声构成了辅 音和辅音元音组合的重要部分，并且短时间内快速的频率变化往往需要听觉系统高 度精确的时相整合处理，有研究指出，某些由时相处理能力缺乏而引起语音疾病的 儿童往往无法分辨包含有快速构型转变的语音 3 2 1 。利用功能磁共振成像技术 ( f u n c t i o n a lm a g n e t i cr e s o r l a n c 宅i m a g i n g ，f m r i ) 在人脑的研究发现，在大脑听觉相 关的很多脑区，f m 声比纯音更能激活这些脑区的活动【鲫。最近某些心理物理学研 究也发现，f i v i 声在人类对语音的辨别，尤其在背景噪声存在条件下对语言的认知 是至关重要的p 卅。因此，有关中枢听觉系统对f m 声的编码情况的研究可以帮助我 们进一步对人类语言认知过程及其本质的理解。 作为一种好的听觉实验模型，昆明小鼠已被广泛应用于听觉中枢的研究。大量 研究已对其a c 及i c 对纯音反应的拓扑组构进行了细致研究 3 5 - 3 t l 。在本实验室先前 的工作中，也利用该昆明小鼠研究了噪声掩蔽条件下i c 神经元对目的声信号提取 的神经机制【播婀。并且最近我们也初步研究昆明小鼠对f i v i 声刺激的反应情况【4 1 1 ， 然而该研究并没有能系统阐述在不同调制范围f i v i 声刺激情况下，其i c 神经元的 反应情况及其内在机制。本研究使用以神经元的特征频率( c h a r a c t e f i s t i cf r e q u e n c y , c f ) 为中心，调制范围分别为2 k h z ，5 蛆z ，1 0k h z ，1 5k h z ，2 0k h z ，2 5 妞z 的 条件下，i c 神经元对调制范围的选择情况以及对调制方向的选择情况。为解释昆明 小鼠i c 如何对f m 声进行编码提供基础资料。 6 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 2 1 动物手术及实验环境 2 材料及方法 本研究共用1 5 只健康、听力正常的成年昆明小鼠m u s m u s c u l u s k r a ( 购自湖北 省预防医学科学院实验动物中心) ，雌雄不拘，体重2 0 3 5g ，年龄4 0 6 0d 。先 给动物腹腔注射戊巴比妥钠( 0 6 ，6 0 9 0m 鲫蛭b w t ) ，待动物处于完全麻醉状 态时剪去动物头顶部的毛，在动物头顶正中切开头皮，暴露出头顶颅骨，除去表面 的肌肉和结缔组织后，用9 5 酒精棉球反复擦拭，使颅骨表面脱脂。清理创面后将 1 根1 8c m 长的平头小铁钉用5 0 2 胶将其头端粘定在头项颅骨上，并用牙科水泥加 于固定，用于在记录中固定动物头部。借助解剖镜用利针在i c 中央核正上部的颅 骨上( 前囟后方8 5 9 5n l m ，正中矢状面外侧1 5 3 0m m ) 钻一直径2 0 0 至5 0 0 岬，并穿透颅骨的小孔，其深度刚触及硬脑膜，并小心清理洞内及周围的碎骨沫、 组织屑、毛等物，然后挑破硬脑膜，暴露i c 。记录神经元声反应时将动物头部通过 铁钉固定于位于隔音室内防震实验台上的自制的支架上，使其处于自然姿态，保持 动物耳眼线与扬声器( 超声喇叭) 中心处于同一平面上。记录时用小儿头皮注射针 经背部皮下每隔1 5 2h 补充注射0 6 戊巴比妥钠溶液一次( 用量为初始剂量的 1 4 ) ，以维持动物的浅麻醉状态。无回声屏蔽室内温度控制在2 5 3 0 。 完成对一只动物的全部记录后进行动物头部解剖检验以确定电极插入位置。每 只受试动物被试验1 至6 次，每次测试时间不超过6h ，在每两次测试之间，动物 处于清醒状态，可自由获得食物和水，饲养时所处室温为2 5 左右。 2 2 声刺激及声反应信号记录系统 本研究采用自由声场( f r e ef i e l d ) 声刺激，纯音短声( t o n e ，短纯音) 刺激由 超声喇叭( b 固( 位于动物的垂直方