低频音水平声源定位的内部延迟

低频音水平声源定位的内部延迟

视听矩阵（sl）是感知系统广播源位置的特征，包括水平方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方。高频音水平声源定位的主要信号为耳间强度差(interaurallevedifference,ILD),垂直声源定位的主要信号为频谱特征,而低频音水平声源定位的主要信号为耳间时间差(interauraltimedifference,ITD),由两耳间距决定。因非正中矢状平面声源到两耳的距离不同而产生耳间时间延迟(外部延迟),包括两耳兴奋的开始时间(onset)和兴奋的进行时间(ongoing)均不同。对于人类而言,进行中的低频音的ITD是定位水平声源的主要依据。尽管ITD很小,对人而言,最大也只有700μs,但是ITD为10～20μs时人就可以很好地分辨。研究发现两耳信号的中枢传递过程也有时间差,存在内部延迟(internaldelay),当因声源与头位置关系产生耳间时间差准确地被内部延迟弥补或代偿时,两耳刺激则同时到达重合探测神经元(coincidencedetector),并引起重合探测神经元的最大放电,而听觉中枢则依据重合探测神经元的最大放电来编码水平位置。Jeffress(1948)认为内部延迟是两侧轴突到重合探测神经元长度的不同所产生的传导延迟,但事实上对于内部延迟的形成机制目前仍存争议。本文就相关研究进行综述,以期更好地理解声源定位的生理机制。一、ffes模型用于低频音源检测机制(一)重探测神经元/思路非正中位低频声源与两耳的距离不同使声音到达两耳的时间不同,这是人声源定位的主要信号(图1),在整个听觉中枢均存在ITD敏感性神经元,并且ITD信号自上橄榄内侧核(medialsuperiorolive,MSO)经下丘(inferiorcolliculus,IC)和内侧膝状体向皮质的传递过程中神经元对ITD的敏感性在逐渐增强。据此理论形成了ITD的中枢编码机制模型——Jeffress模型。此模型认为:(1)听觉中枢存在重合探测神经元,重合探测神经元接受来自头两侧冲动的汇集,内部延迟为两侧轴突到达重合探测神经元的长度差异所产生,中枢依据内部延迟来补偿和编码声源的ITD,当ITD准确地被内部延迟所弥补或代偿,且两耳刺激传入因锁相(phase-locked)而重合时,重合探测神经元出现最大放电(图2)。而重合探测神经元则通过放电率的峰值来提供空间位置信号;(2)重合探测神经元最大兴奋时的频率与延迟为该神经元的最佳频率(bestfrequency,BF)和最佳延迟(bestdelay,BD)。各个重合探测神经元最大反应很大程度上不依赖于测试的刺激频率;(3)诱发最大放电的ITD在哺乳动物所经历的生理延迟范围内,在ITD靠近0点附近空间分辨力最强;(4)水平方位的所有位置均被不同的重合探测神经元所代表,全部水平位置在每一频道均被编码,在听觉中枢形成方位角的音频定位分布图(tonotopicmap)。听觉脑干回路经耳蜗核汇集到MSO,MSO接收由两侧耳蜗核球形灌木细胞的传入,在活体中记录也证实这一传入对ITD敏感。至此,Jeffress模型中关于探测神经元接受两侧刺激传入的观点被很好地证明。此外,Louage等(2005)通过单个细胞电活动记录已经充分证明外周听觉活动的锁相现象。声调刺激也已经证实MSO神经元作为一个探测器来处理传入冲动。同时,内部延迟的存在也被普遍接受,研究也显示MSO内存在BD。(二)itd关于bf神经元的反应Jeffress模型是声源定位领域最主要的模型之一,此模型的基本观点在鸟类的声源定位研究中已经被证实,即便如此,哺乳动物中的研究结果却与Jeffress模型存在分歧,表现在:(1)虽然鸟类存在系统排列的延迟线,但没有足够的证据证明哺乳动物听觉中枢也存在系统排列延迟线;(2)哺乳动物MSO存在ITD探测神经元分布图的证据不足,Brand等在蒙古沙鼠活体MSO内纪录的结果显示,ITD敏感神经元反应与空间听觉分布图的观点不一致;(3)Jeffress认为在中枢听觉系统音频定位空间分布图的每一个频道内,其ITD峰值范围均限于动物的最大生理延迟范围内。这一推测与有些研究结果不符,如Brand等研究显示,200μs的ITD诱发的神经元最大反应在沙鼠的生理学相关范围之外,而且这一现象普遍存在。Harper等(2004)进一步研究显示,对于小头动物在低频音听觉时,其生理学相关范围之外的ITD是由二个不同的亚神经团来调谐;(4)此外,诱发最大反应的ITD,依赖神经元对声音频率调谐(图2);较低BF神经元其最大反应由相对长的ITD诱发,较高BF神经元的最大反应是由相对短的ITD诱发。而Jeffress认为各自神经元最大反应很大程度上不依赖于测试的刺激频率;(5)所有神经元对声音的最大反应在对侧耳(在正的ITD),这一现象在Jeffress模型未提及(图2);(6)Jeffress模型认为声源位置由ITD函数的峰值来编码,但事实上在哺乳动物,ITD函数中的斜坡部分(而不是峰值)可能在声源定位中起至关重要的作用。二、数据的突发性机制目前研究结果肯定了内部延迟(图3a)的存在,但关于内部延迟的产生和ITD编码实质仍有争议。目前最有影响力并被实验部分支持的假说有三个:(1)Jeffress模型的突触延迟机制(图3b);(2)Brand突触抑制(图3c);(3)耳蜗差异(cochleardisparity)机制(图3d)。(一)灌木细胞轴突至mso的传导过程Jeffress认为内部延迟是由于两耳刺激传入轴突的长度不同引起传导时间的差异,即轴突的“延迟线”(图3b)。两耳神经元依据其出入侧支长度不同排列出一个梯度格局,形成重合探测器。这些重合探测器内部延迟的不同,使ITD以神经元活动的空间梯度的方式被编码。该模型实质是时间与空间位置的转换,并以此来编码水平声源位置。Smith等(1993)和Beckius等(1999)的解剖学研究重建出灌木细胞轴突至MSO的传入投射。一致显示对侧传入的延迟模式,以及对侧传入到MSO吻侧比到MSO尾侧的路径较短。这为对侧传入的轴突延迟线提供了解剖学证据。虽然Jeffress认为两侧均有延迟线,但这两项结果显示,同侧的传入模式轮廓不清,表明最多只是一个微弱的(相对的)空间梯度。即使另一侧传入纤维没有长度梯度,一侧的延迟线就足以产生BD空间图。Yin等(1990)关于MSO神经元BD空间梯度的生理研究结果显示BD在MSO吻侧(前部)小,越靠近MSO尾侧(后部)BD越大。解剖结果(对侧传入到MSO吻侧比到MSO尾侧的路径较短)和生理学定性研究显示:轴突长度差别和轴突传导时间差别与MSO内BD的信号和梯度一致。但是,Brand等以甘氨酸拮抗剂番木鳖碱在MSO神经元中应用,导致所有神经元放电率显著地增加,而且应用番木鳖碱后使得ITD函数的波峰向0ITD迁移。这一结果不支持Jeffress所说:内部延迟是由于两耳传入轴突的长度不同引起传导时间的差异,即轴突的“延迟线”的观点。因为甘氨酸拮抗剂的应用不会改变轴突的长度,但却出现了内部延迟的改变。(二)甘氨酸抑制剂抑制哺乳动物脑神经元对ITD的感知方式与Jeffress的观点有极大的差异。对于哺乳动物的研究结果提示可能是突触抑制形成和塑造了神经元对ITD敏感性。哺乳动物ITD编码通路是甘氨酸抑制性传入。Brand等为确定甘氨酸抑制性传入在ITD编码中的作用,在MSO神经元中应用抑制性甘氨酸或其拮抗剂番木鳖碱。结果所有应用甘氨酸的神经元几乎完全丧失了对测试声音的反应,证实MSO存在甘氨酸受体,以及甘氨酸对MSO神经元极强的抑制作用。Brand等推测内部延迟是由从对侧的抑制性传入引起(图3c),对侧的抑制性传入在同侧的兴奋传入之前到达,并导致兴奋反应被延迟。甘氨酸抑制决定神经元对ITD的调谐,在缺乏甘氨酸抑制性传入的情况下,轴突传导延迟在0ITD附近分布。Cook等(2003)也认为空间定位中是突触抑制来维持内部延迟机制,并以此来代表声源空间位置。但是由于抑制传入本身对ITD不敏感,Brand等认为最可能解释是单耳精确锁相(phase-lock)的抑制性传入具有ITD敏感性。实际上,MSO的抑制来源,特别是来自斜方体内侧核的抑制性传入,具有独特的形态学和生理学特化特征(具有大花萼样突触),使其在神经信号传递中保持高度的时间精确性。有证据显示MSO神经元也接受来自斜方体内侧核和斜方体外侧核的抑制性传入(图4),在经历了发育完善后甘氨酸抑制性传入轴突几乎是MSO主要神经元胞体唯一的传入轴突,并且对侧斜方体内侧核传来的抑制是MSO主要的抑制传入。同时,这一抑制性传入的发育完善依赖于听觉经验。然而,有些文献结果并不完全支持Brand的结论,至少对于持续的ITD不支持。(1)研究显示番木鳖碱对BD迁移反应是主峰而不是在次峰,这表明抑制影响起始的ITD而不是持续的ITD;(2)抑制的特异性是对兴奋传入时间的调节,尽管有相位锁定,但不具有ITD敏感性。虽然甘氨酸介导的抑制对调谐神经元ITD的峰值重要,但对于理解哺乳动物双耳听觉过程作用较小;(3)轴突位置不对称,与抑制模型要求快速和精确的抑制不符。MSO细胞具有显著的双极树突形态,解剖学观察发现轴突有时不起于胞体,而是起于树突,且接受同侧的兴奋传入。因此,Zhou等认为是MSO神经元胞体的Na+通道与甘氨酸介导的抑制传入之间互相作用来调节内部延迟。总之,生理学和计算研究不完全支持Brand等提出的抑制延迟机制。即便内部延迟是由甘氨酸抑制而非轴突传导延迟形成,仍有待更深入研究。(三)神经纤维的激活和同侧和对侧的调节另一个关于内部延迟形成机制的推测是耳蜗差异机制。由于鼓膜和中耳的声音振动产生耳蜗基底膜振动图以波的形式从耳蜗基底传播到耳蜗顶。该行波产生了延迟,因此,低频(兴奋耳蜗顶基底膜)神经纤维的激活晚于高频(兴奋耳蜗底基底膜)神经纤维。如果双耳的神经元接受完全对称分布的神经支配,这些耳蜗延迟则无关紧要。但同侧和对侧传入在频率调谐中是非对称的,这导致双耳的神经元的内部延迟和BD迁移(图3d)。听觉神经纤维的相关分析显示,BF的不对称所产生的内部延迟在下丘同样具有频率依赖分布模式。在低BF,较小的错配可引起神经纤维之间放电时间上的较大延迟,而在高BF,同样的错配却引起较小的延迟。虽然这些数据提示耳蜗差异对内部延迟很重要,但仍然有待于双耳记录来验证这一差异是否真实存在。三、完善对内部延迟的解释目前对于内部延迟机制和ITD编码的本质仍不明确,尚无现行的关于内部延迟的来源观点可以令人满意地解释BD和BF之间的关系。众多的选择性反映出一个事实:极小的两耳时间差可以被行为学所探测,并且声音刺激和双耳神经元电输出之间的许多过程存在相对的慢时程(内部延迟)干预。许多观察支持Jeffress模型,但要解释全部数据结果尚需继续完善。耳蜗差异也极可能是内部延迟的来源,但耳蜗差异的相对重要性不明确。双耳神经元频率调谐应比较同侧与对侧刺激,以及应评估双耳神经元频率调谐在双耳的敏感性中的作用。突触抑制模型受到最多关注,目前已知甘氨酸抑制性传入对于内部延迟的形成很关键,并且随声源定位能力的提高这一机制也不断完善,这与行为心理