電生理學(xué)方法對(duì)覺(jué)醒狀態(tài)下貓的不同區(qū)域聽(tīng)覺(jué)中樞神經(jīng)元放電特點(diǎn)及功能的研究.pdf

1、目的：
　　大腦皮層是調(diào)節(jié)人體生理活動(dòng)的高級(jí)中樞，按功能可分為軀體運(yùn)動(dòng)中樞、軀體感覺(jué)中樞、語(yǔ)言中樞、視覺(jué)中樞以及聽(tīng)覺(jué)中樞等。聽(tīng)覺(jué)中樞位于大腦半球的外側(cè)，顳上回中部及顳橫回處。外界的聲音刺激在耳蝸毛細(xì)胞換能后經(jīng)蝸神經(jīng)上行，經(jīng)橋腦的蝸神經(jīng)核與上橄欖核、橋腦的外側(cè)丘系核、橋腦和中腦的外側(cè)丘系、中腦的下丘到達(dá)間腦的內(nèi)側(cè)膝狀體，最后在大腦顳葉的聽(tīng)覺(jué)皮層形成聽(tīng)覺(jué)。
　　辨別與行為相關(guān)的聲音是聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)的一個(gè)重要功能。關(guān)于皮層是如何接受

2、并傳遞聲音的研究一直以來(lái)都是聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)重要課題。貓是這種實(shí)驗(yàn)研究的很好的研究對(duì)象。目前貓大腦的解剖圖譜已經(jīng)較為完善。電生理學(xué)和解剖學(xué)已經(jīng)揭示了貓的聽(tīng)覺(jué)皮層包含至少十個(gè)區(qū)域。行為學(xué)上，不變的或者可逆的神經(jīng)元失活的研究也確定了聽(tīng)覺(jué)皮層不同區(qū)域之間存在功能性差異。
　　大量研究表明，在貓的聽(tīng)覺(jué)區(qū)域，初級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層(A1)和次級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層(A2)位于大腦的表面且便于電生理的研究。A1由上溝(suprasylvian sulcus，SS

3、)、前外側(cè)溝（anterior ectosylvian sulcus，AES）和后外側(cè)溝(posterior ectosylvian sulcus，PES)包圍。A1的神經(jīng)元對(duì)于可變的簡(jiǎn)單的人工聲音（比如純音，振幅調(diào)諧或者頻率調(diào)諧的聲音）的反應(yīng)已經(jīng)在麻醉和覺(jué)醒的狀態(tài)下被很好的研究過(guò)。A1的某一神經(jīng)元通常對(duì)音頻中某一特定的范圍反應(yīng)（頻譜接受區(qū)域），對(duì)于一個(gè)神經(jīng)元來(lái)說(shuō)，最敏感的頻率稱之為固有頻率（characteristic frequen

4、cy, CF）。A1神經(jīng)元的CF是按照從尾側(cè)到鼻側(cè)由低頻到高頻的規(guī)律分布的，形成了一個(gè)清晰的頻率圖。最近的研究表明，貓的A1神經(jīng)元通過(guò)時(shí)間-空間編碼分布表達(dá)同種生物自身聲音。A2位于A1外側(cè)的邊緣，與A1大量的研究相反，僅有少數(shù)的研究是關(guān)于麻醉狀態(tài)下的A2神經(jīng)元的純音刺激的電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)。這些研究?jī)H僅顯示A2神經(jīng)元擁有更為廣泛的頻譜接受范圍并且頻率分布不清晰。至今，關(guān)于覺(jué)醒狀態(tài)下貓的A2的實(shí)驗(yàn)研究仍然很少，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境聲音的神經(jīng)元反應(yīng)特點(diǎn)

5、尚未見(jiàn)報(bào)道。
　　本實(shí)驗(yàn)中我們采用貓作為研究對(duì)象，記錄A1和A2的單個(gè)神經(jīng)元對(duì)聲音刺激反應(yīng)產(chǎn)生的動(dòng)作電位。在前期的實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)貓對(duì)于敲墻，指甲抓木頭等復(fù)雜聲音特別敏感。很多神經(jīng)元，尤其是A2的神經(jīng)元對(duì)許多單純?nèi)斯ず铣陕曇簦円簦┖妥陨斫新暡环磻?yīng)，但是對(duì)敲擊和抓撓的環(huán)境中的復(fù)合音有反應(yīng)。因此我們錄制了6種敲擊和抓撓的復(fù)雜環(huán)境聲音作為刺激，系統(tǒng)地研究聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)元對(duì)復(fù)雜環(huán)境聲音的基本反應(yīng)特性，以揭示A1和A2功能的差異。
　　綜合

6、目前研究現(xiàn)狀和我們的前期研究結(jié)果，我們將結(jié)合現(xiàn)代工程學(xué)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用數(shù)據(jù)采集分析與聲音傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在清醒狀態(tài)下用微電極記錄貓聽(tīng)覺(jué)皮質(zhì)單個(gè)神經(jīng)元電活動(dòng)。采用數(shù)據(jù)采集分析和聲音傳輸系統(tǒng)，以家貓為研究對(duì)象，對(duì)家貓進(jìn)行前期行為適應(yīng)訓(xùn)練并對(duì)大腦聽(tīng)覺(jué)皮層進(jìn)行立體定位，同時(shí)用微電極記錄貓清醒狀態(tài)下聽(tīng)覺(jué)皮層神經(jīng)元對(duì)復(fù)雜環(huán)境聲音的電生理活動(dòng)，對(duì)比A1和A2神經(jīng)元在聲音刺激開(kāi)始后電活動(dòng)的差異。
　　基底核以及杏仁核的主要功能分別是參與運(yùn)動(dòng)和

7、情感的調(diào)節(jié)。近幾年的研究（解剖學(xué)研究以及影像學(xué)研究等）也表明，在這樣的高級(jí)神經(jīng)核團(tuán)中也存在著對(duì)聽(tīng)覺(jué)信號(hào)反應(yīng)的高級(jí)神經(jīng)元。但是目前為止，感覺(jué)信號(hào)包括聽(tīng)覺(jué)信號(hào)在這些非聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)核團(tuán)傳遞的機(jī)制尚不清楚，這些神經(jīng)元的具體的聽(tīng)覺(jué)反應(yīng)特性有待進(jìn)一步研究。因此，在本實(shí)驗(yàn)中，我們還將重點(diǎn)研究基底核，包括殼核(putamen，PU)、蒼白球(globus pallidus，GP)及杏仁核(lateral amygdala，LA and central am

8、ygdala，CA)的聽(tīng)覺(jué)反應(yīng)特點(diǎn)及其在聽(tīng)覺(jué)信號(hào)傳遞過(guò)程中所起的作用。
　　方法：
　　1、聽(tīng)覺(jué)皮層的立體定位:在45mg/ml戊巴比妥鈉麻醉狀態(tài)及無(wú)菌條件下，用耳桿將家貓固定在立體定位實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，根據(jù)貓大腦圖譜進(jìn)行三維定位，然后用牙科用丙烯酸將長(zhǎng)約15毫米的中空無(wú)底鋁汽缸（內(nèi)徑，20毫米）固定在定位儀確定的A1和A2區(qū)域或殼核、蒼白球和杏仁核對(duì)應(yīng)的大腦骨表面的區(qū)域，便于日后微電極的通過(guò)。用牙科用丙烯酸將固定頭部用的金屬塊固定

9、在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的枕骨表面。
　　2、利用數(shù)據(jù)采集分析及聲音傳輸系統(tǒng)記錄神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢?在術(shù)后2-3周的恢復(fù)和適應(yīng)性訓(xùn)練之后，實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)始。實(shí)驗(yàn)在電屏蔽的隔音室內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)對(duì)象處于清醒狀態(tài)下，頭部固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，于隔音室內(nèi)在固定在顱骨表面的鋁汽缸的范圍內(nèi)某一位點(diǎn)鉆一個(gè)0.5-1毫米直徑的孔，用一個(gè)尖端銳利的探針刺透硬腦膜，將連接于數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)中的環(huán)氧樹(shù)脂絕緣的鎳制微電極(FHC Inc.;阻抗:1kHz下，2-5MΩ)穿過(guò)鉆孔，采用

10、遙控微電極插入裝置(MO-951;Narishige)將電極緩緩刺入皮層，并通過(guò)模板匹配辨別器(ASD，Alpha-Omega Engineering)于細(xì)胞外獲取狀態(tài)良好的單個(gè)神經(jīng)元的動(dòng)作電位，同時(shí)經(jīng)聲音傳輸系統(tǒng)播放聲音刺激，記錄該神經(jīng)元對(duì)不同的聲音刺激的反應(yīng)變化;使用自動(dòng)同步鑒頻器辨別(50μs時(shí)間分辨率)獨(dú)立的單一神經(jīng)元。尖峰電壓發(fā)生時(shí)自動(dòng)同步鑒頻器將其數(shù)字輸出信號(hào)保存在硬盤(pán)中。平均一天收集1-2次，每次記錄3-5小時(shí)，共進(jìn)行12

11、個(gè)月。
　　在記錄期間，貓的頭部通過(guò)金屬塊被固定在一個(gè)定制的框架上，身體被包裹在一個(gè)棉袋中。在之前的適應(yīng)性訓(xùn)練中貓已經(jīng)習(xí)慣于這種情況。攝像頭被放置在貓前面以監(jiān)控其狀態(tài)，觀察貓?jiān)诒粍?dòng)聽(tīng)到聽(tīng)覺(jué)刺激時(shí)候是否有不適的跡象。
　　3、組織學(xué)定位:實(shí)驗(yàn)記錄全部完成后，再次將電極刺入幾個(gè)具有標(biāo)志性的位點(diǎn)，并用電流輕微灼傷標(biāo)記。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物于45mg/ml深度麻醉狀態(tài)下，用10％的福爾馬林經(jīng)左心室心臟灌流，將連接福爾馬林的插管插入到左心室，出口

12、為右心房，至右心房出現(xiàn)澄清的福爾馬林溶液，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物頭部及肢體僵硬為止，然后取出腦組織。根據(jù)灼傷位點(diǎn)明確實(shí)際記錄的神經(jīng)元的位點(diǎn)。
　　4、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析:Matlab條件下統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)和得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。P＜0.05有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
　　結(jié)果：
　　1、絕大多數(shù)的初級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層(A1)的神經(jīng)元(83.1％)對(duì)純音和復(fù)雜聲音刺激都敏感，而有一半的次級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層(A2)的神經(jīng)元(55.3％)只對(duì)復(fù)雜聲音刺激敏感，對(duì)純音不敏感。

13、>　　2、和A1的神經(jīng)元相比A2對(duì)不同的復(fù)雜的聲音刺激有很高的選擇性。
　　3、包含頻率范圍比較廣泛的廣譜的聲音刺激無(wú)論在A1和A2都會(huì)激起最強(qiáng)的反應(yīng)，但是在A2與其他聲音刺激相比這個(gè)聲音的反應(yīng)相對(duì)強(qiáng)度較大。
　　4、和A1的神經(jīng)元相比A2對(duì)不同的復(fù)雜的聲音刺激反應(yīng)的潛伏期較長(zhǎng)。
　　5、殼核(PU)神經(jīng)元對(duì)純音反應(yīng)良好。與蒼白球(GP)和杏仁核的神經(jīng)元相比PU神經(jīng)元的反應(yīng)潛伏期相對(duì)較短，強(qiáng)度閾值相對(duì)較低，放電強(qiáng)度較大

14、。從PU、GP、杏仁核外側(cè)部(LA)到杏仁核內(nèi)側(cè)部(CA)，它們的反應(yīng)性逐級(jí)降低。
　　6、PU、GP、LA和CA的神經(jīng)元對(duì)于自然音（同種生物及非同種生物的聲音，非生物的環(huán)境音）的反應(yīng)性也逐級(jí)降低，而其的選擇性卻是逐級(jí)升高的，只對(duì)自然音中的一小部分的聲音刺激有反應(yīng)。
　　7、僅對(duì)自然音的反應(yīng)的神經(jīng)元在LA和CA中所占的比例大于其在PU和GP中的比例。CA的復(fù)合音反應(yīng)強(qiáng)度與純音反應(yīng)強(qiáng)度的比值是與其他核團(tuán)相比是最高的。