聽(tīng)皮層核心區(qū)神經(jīng)元信息編碼特征及突觸機(jī)制.pdf

1、聽(tīng)皮層是處理聽(tīng)覺(jué)信息的高級(jí)中樞，其功能對(duì)于動(dòng)物感知危險(xiǎn)聲音信號(hào)以及人類聽(tīng)覺(jué)認(rèn)知和語(yǔ)言溝通等都十分重要。雙側(cè)聽(tīng)皮層功能障礙會(huì)嚴(yán)重?fù)p害聽(tīng)覺(jué)認(rèn)知，在臨床上表現(xiàn)為中樞性耳聾及失語(yǔ)，在動(dòng)物上損毀該區(qū)域也會(huì)使動(dòng)物喪失聽(tīng)覺(jué)認(rèn)知能力。聽(tīng)皮層依據(jù)其結(jié)構(gòu)功能可劃分為若干功能亞區(qū)，且亞區(qū)數(shù)量隨動(dòng)物大腦復(fù)雜程度的提高而增加。其中，初級(jí)聽(tīng)皮層(the primary auditory cortex，A1)和聽(tīng)皮層前區(qū)(anterior auditory fiel

2、d，AAF)是兩個(gè)主要的聽(tīng)皮層功能亞區(qū)，二者共同構(gòu)成了聽(tīng)皮層的核心區(qū)(core region)。聽(tīng)皮層核心區(qū)接收來(lái)自丘腦的信息輸入，是聽(tīng)覺(jué)信息進(jìn)入皮層的第一站。已有的研究表明，聽(tīng)皮層核心區(qū)在聽(tīng)覺(jué)信息處理中扮演了非常重要的角色，參與了諸如音源定位、聲信息提取等重要的聽(tīng)覺(jué)過(guò)程。因此，研究聽(tīng)皮層核心區(qū)神經(jīng)元的基本信息編碼特性，是理解聽(tīng)覺(jué)信息在皮層中的處理過(guò)程的基礎(chǔ)。
　　以往的聽(tīng)覺(jué)電生理研究受限于研究手段，很難在活體條件下準(zhǔn)確分離皮層單

3、個(gè)神經(jīng)元的反應(yīng)，隨著近年來(lái)在體膜片鉗技術(shù)的發(fā)展，使得以應(yīng)用松散膜片鉗技術(shù)準(zhǔn)確的記錄單個(gè)神經(jīng)元的聲音響應(yīng)，并可以在同一皮層區(qū)域得到多個(gè)鄰近神經(jīng)元的反應(yīng)。而在體全細(xì)胞膜片鉗的應(yīng)用，則為揭示了神經(jīng)元的興奮性及抑制性輸入的反應(yīng)特性，橋接神經(jīng)元的輸入與輸出。
　　聽(tīng)皮層核心區(qū)神經(jīng)元對(duì)聲音信息的編碼特性依賴于動(dòng)作電位的發(fā)放，為探索其信息編碼的特性，試從單細(xì)胞反應(yīng)，細(xì)胞群體反應(yīng)，以及皮層間的相互作用三個(gè)不同的層面展開(kāi)研究，并提出了以下4個(gè)問(wèn)題：

4、1、單個(gè)神經(jīng)元是否能夠穩(wěn)定地放電，實(shí)現(xiàn)信息的準(zhǔn)確傳遞？2、單個(gè)神經(jīng)元在不同聲強(qiáng)下其頻率選擇性是否保持一致？3、對(duì)處在同一皮層位置的神經(jīng)元群體，相鄰神經(jīng)元的頻率選擇性差別多大？4、皮層亞區(qū)之間是否能互相影響頻率選擇性？為回答以上問(wèn)題，應(yīng)用在體細(xì)胞外多單位放電記錄技術(shù)、在體松散膜片鉗記錄技術(shù)、在體全細(xì)胞膜片鉗記錄技術(shù)及免疫組織化學(xué)技術(shù)及光遺傳學(xué)技術(shù)，對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行了研究，并探索產(chǎn)生這現(xiàn)象的突觸基礎(chǔ)。
　　1、聽(tīng)皮層神經(jīng)元反應(yīng)的不穩(wěn)定性

5、及其突觸機(jī)制
　　聽(tīng)皮層神經(jīng)元對(duì)單音反應(yīng)具有二進(jìn)制編碼(binary coding)的特征，即一個(gè)單音刺激通常只能誘發(fā)0或者1個(gè)動(dòng)作電位。能否穩(wěn)定的誘發(fā)這“1”個(gè)動(dòng)作電位則決定了是否能夠穩(wěn)定地編碼此聲音信號(hào)。但有研究發(fā)現(xiàn)，同一神經(jīng)元對(duì)重復(fù)給予的同一聲刺激的放電反應(yīng)并不穩(wěn)定：在某幾次刺激時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)放電反應(yīng)缺失，放電時(shí)間也有快有慢，這種現(xiàn)象稱為神經(jīng)元反應(yīng)的不穩(wěn)定性(variation)。反應(yīng)不穩(wěn)定性的存在很大程度上影響了神經(jīng)元對(duì)信息的

6、準(zhǔn)確編碼，但在聽(tīng)皮層核心區(qū)，這種不穩(wěn)定反應(yīng)的程度如何，研究尚不明確。更重要的是，是何種機(jī)制導(dǎo)致了皮層神經(jīng)元產(chǎn)生了如此不穩(wěn)定的反應(yīng)，尚待進(jìn)一步探索。已有研究提出導(dǎo)致神經(jīng)元不穩(wěn)定性產(chǎn)生的因素包括內(nèi)在和外在兩類，內(nèi)在因素包括放電閾值和靜息膜電位的波動(dòng)，但是發(fā)現(xiàn)這些因素還不足以解釋放電不穩(wěn)定性的產(chǎn)生。最近有研究發(fā)現(xiàn)，操縱突觸前神經(jīng)元的活動(dòng)可以影響皮層神經(jīng)元的反應(yīng)穩(wěn)定性，提示突觸輸入可能對(duì)反應(yīng)穩(wěn)定性有重要影響。
　　結(jié)果：研究了大鼠A1第4

7、層(layer4，L4)單個(gè)神經(jīng)元在其最適宜刺激處反應(yīng)的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)(1)即使給予最適宜刺激，大多數(shù)興奮性神經(jīng)元仍具有較高的放電及時(shí)間不穩(wěn)定性。(2)通過(guò)比較閾值，靜息膜電位和感覺(jué)刺激誘發(fā)的突觸后電位(PSP)對(duì)于反應(yīng)不穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)PSP對(duì)反應(yīng)不穩(wěn)定性的影響最為顯著。(3)同一重復(fù)刺激能穩(wěn)定地誘發(fā)突觸輸入，但每次突觸輸入的幅度卻可以有較大變化，且興奮性輸入的幅度變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抑制性輸入。(4)突觸輸入潛伏期的波動(dòng)比其整合時(shí)間的波動(dòng)小

8、得多，主要是整合時(shí)間決定了皮層神經(jīng)元放電時(shí)間維度的精確性。(5)利用數(shù)學(xué)建模，證實(shí)，興奮性輸入的幅度波動(dòng)可以很大程度上影響放電的不穩(wěn)定性，而興奮性輸入的時(shí)間波動(dòng)可以很大程度影響最終放電的時(shí)間波動(dòng)。(6)只有興奮性神經(jīng)元的反應(yīng)穩(wěn)定性與其頻率反應(yīng)特性相關(guān)，抑制性神經(jīng)元?jiǎng)t并不具有這一特性。
　　2、聲強(qiáng)提高對(duì)頻率選擇的雙向影響及其突觸基礎(chǔ)
　　在人類聽(tīng)覺(jué)心理學(xué)的研究中早已發(fā)現(xiàn)，聲強(qiáng)增強(qiáng)能夠使得一個(gè)純音聽(tīng)起來(lái)調(diào)變高或者變低，這提示頻

9、率和聲強(qiáng)的感知不是互相獨(dú)立的。也有在基底膜上的研究提示，聲強(qiáng)對(duì)頻率的影響自外周聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)就產(chǎn)生了。最近有研究在安裝了助聽(tīng)器的患者上也觀察到類似聽(tīng)覺(jué)心理學(xué)現(xiàn)象，但是這些患者外周聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)反應(yīng)的波峰是由所埋入電極決定的，理論上不應(yīng)發(fā)生偏移，這提示聲強(qiáng)提高對(duì)頻率造成的偏移可能不單單由基底膜造成。同時(shí)，在聽(tīng)覺(jué)上行通路中，多級(jí)皮層下核團(tuán)都參與了對(duì)于聲音信息的處理，聲強(qiáng)對(duì)頻率偏好的影響是否也存在于聽(tīng)皮層核心區(qū)神經(jīng)元，以及這一特性是如何表現(xiàn)在皮層神經(jīng)元的

10、反應(yīng)特性中，還尚未清楚。
　　結(jié)果：(1)無(wú)論是在清醒或是麻醉狀態(tài)下的大鼠，神經(jīng)元群體和單個(gè)神經(jīng)元的最佳頻率（Best frequency,BF）都會(huì)隨著聲強(qiáng)的增加而發(fā)生顯著偏移。(2)這種偏移具有雙向性：若神經(jīng)元的特征頻率（characteristic frequency,CF）低于32kHz，那么其BF隨著聲強(qiáng)的增加向更低頻偏移;若神經(jīng)元的特征頻率高于32kHz，那么其BF隨著聲強(qiáng)的增加向更高頻偏移。(3)這種系統(tǒng)性的雙向偏移

11、能夠影響到聽(tīng)皮層聽(tīng)覺(jué)拓?fù)鋱D(tonotopic map)的分布情況：更高的聲強(qiáng)的情況下（閾值以上30分貝），高頻區(qū)和低頻區(qū)的面積會(huì)擴(kuò)大。(4)興奮性和抑制性突觸輸入的BF均發(fā)生了類似的偏移，提示這種偏移是由丘腦繼承而來(lái)的，而非由皮層內(nèi)環(huán)路產(chǎn)生。
　　3、鄰近神經(jīng)元頻率選擇多樣性的研究及其突觸機(jī)制
　　盡管在大尺度的研究上，已經(jīng)知道頻率選擇性相近的神經(jīng)元由于接受相似的丘腦輸入，位于皮層內(nèi)的相鄰位置，并因此構(gòu)成聽(tīng)皮層的音頻拓?fù)浣Y(jié)

12、構(gòu)，但在對(duì)神經(jīng)元個(gè)體的頻率選擇細(xì)節(jié)，及相鄰神經(jīng)元的頻率選擇共性上，還有許多問(wèn)題值得探討。在最近的研究中，利用雙光子鈣成像技術(shù)和雙光子引導(dǎo)下的松散膜片鉗記錄，發(fā)現(xiàn)即使是同一層內(nèi)的鄰近神經(jīng)元，其BF也存在著不同，且這種反應(yīng)的多樣性在L2/3神經(jīng)元中比L4神經(jīng)元更為明顯，提示這種反應(yīng)的多樣性可能在不同層的神經(jīng)元中存在差別。目前大多數(shù)對(duì)聽(tīng)皮層細(xì)胞反應(yīng)多樣性的研究是以A1為研究對(duì)象，而對(duì)于聽(tīng)皮層核心區(qū)的另一個(gè)組成部分AAF，細(xì)胞反應(yīng)是否也存在上述

13、的多樣性還不清楚。更為重要的是，細(xì)胞反應(yīng)多樣性是由何種突觸機(jī)制產(chǎn)生尚待研究。
　　結(jié)果：以大鼠的AAF為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)(1)L4的鄰近神經(jīng)元反應(yīng)具有很高的相似性，而L5的鄰近神經(jīng)元卻具有相當(dāng)多樣的反應(yīng)。(2)L5神經(jīng)元接收的興奮性和抑制性輸入在頻率選擇性上存在錯(cuò)配，且錯(cuò)配程度在不同細(xì)胞間存在差異。(3)這種錯(cuò)配的根源是興奮性輸入的頻率調(diào)諧存在不同程度的偏態(tài)分布，而抑制性輸入?yún)s總是正態(tài)分布且相對(duì)缺乏變化。(4)對(duì)于L4神經(jīng)元，興奮性

14、和抑制性輸入的BF總是近似的，且均呈正態(tài)分布。(5)興奮與抑制的錯(cuò)配程度與頻率選擇的多樣性呈現(xiàn)高度的正相關(guān)。
　　4、A1對(duì)同側(cè)AAF神經(jīng)元的聲誘發(fā)反應(yīng)的作用
　　在聽(tīng)皮層核心區(qū)中，對(duì)A1已有相當(dāng)深入的研究，但對(duì)AAF的研究還相對(duì)不足。以往的研究發(fā)現(xiàn)，A1和AAF均具有清晰的音頻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且二者的頻率梯度呈鏡像排布，有研究認(rèn)為這兩個(gè)區(qū)域?qū)儆谄叫械穆?tīng)覺(jué)通路。大量研究發(fā)現(xiàn)在其他感覺(jué)系統(tǒng)，如視覺(jué)皮層和體感皮層中，各皮層功能亞區(qū)間存

15、在相互作用。然而，目前對(duì)于A1和AAF之間的功能關(guān)系還了解不夠全面。在貓中發(fā)現(xiàn)，使用可逆性冷凍皮層的方法使AAF失活可以抑制同側(cè)A1的聲誘發(fā)反應(yīng);聽(tīng)覺(jué)皮層（包括A1和AAF）失活可以調(diào)節(jié)對(duì)側(cè)AAF的反應(yīng)。然而，關(guān)于A1如何影響同側(cè)AAF中的神經(jīng)元反應(yīng)幾乎沒(méi)有明確的報(bào)道。隨著近年來(lái)光遺傳學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使可以更容易且可逆地調(diào)控A1的神經(jīng)元活動(dòng)，并可以借助腺相關(guān)病毒(adeno-associated virus，AAV)特異性感染某一類型的神

16、經(jīng)元，從而更精準(zhǔn)地研究A1及AAF之間的相互關(guān)系。
　　結(jié)果：(1)在大鼠上功能定位了A1和AAF的位置，并在此基礎(chǔ)上使用光遺傳學(xué)方法在體操縱了A1興奮性神經(jīng)元的活動(dòng)。發(fā)現(xiàn)，激活A(yù)1可以增強(qiáng)AAF神經(jīng)元的聲音誘發(fā)活動(dòng)，降低強(qiáng)度閾值并拓寬頻率反應(yīng)帶寬，但不改變其BF，而抑制A1則可以導(dǎo)致相反的作用。(2)基于對(duì)A1和AAF的精確功能定位，分別應(yīng)用順行及逆行性示蹤方法，發(fā)現(xiàn)A1的興奮性神經(jīng)元具有到同側(cè)AAF的直接投射。(3)利用光遺傳