聽皮層核心區(qū)神經(jīng)元信息編碼特征及突觸機制.pdf

1、聽皮層是處理聽覺信息的高級中樞，其功能對于動物感知危險聲音信號以及人類聽覺認知和語言溝通等都十分重要。雙側(cè)聽皮層功能障礙會嚴重損害聽覺認知，在臨床上表現(xiàn)為中樞性耳聾及失語，在動物上損毀該區(qū)域也會使動物喪失聽覺認知能力。聽皮層依據(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)量隨動物大腦復(fù)雜程度的提高而增加。其中，初級聽皮層(the primary auditory cortex，A1)和聽皮層前區(qū)(anterior auditory fiel

2、d，AAF)是兩個主要的聽皮層功能亞區(qū)，二者共同構(gòu)成了聽皮層的核心區(qū)(core region)。聽皮層核心區(qū)接收來自丘腦的信息輸入，是聽覺信息進入皮層的第一站。已有的研究表明，聽皮層核心區(qū)在聽覺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覺過程。因此，研究聽皮層核心區(qū)神經(jīng)元的基本信息編碼特性，是理解聽覺信息在皮層中的處理過程的基礎(chǔ)。
　　以往的聽覺電生理研究受限于研究手段，很難在活體條件下準確分離皮層單

3、個神經(jīng)元的反應(yīng)，隨著近年來在體膜片鉗技術(shù)的發(fā)展，使得以應(yīng)用松散膜片鉗技術(shù)準確的記錄單個神經(jīng)元的聲音響應(yīng)，并可以在同一皮層區(qū)域得到多個鄰近神經(jīng)元的反應(yīng)。而在體全細胞膜片鉗的應(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。
　　聽皮層核心區(qū)神經(jīng)元對聲音信息的編碼特性依賴于動作電位的發(fā)放，為探索其信息編碼的特性，試從單細胞反應(yīng)，細胞群體反應(yīng)，以及皮層間的相互作用三個不同的層面展開研究，并提出了以下4個問題：

4、1、單個神經(jīng)元是否能夠穩(wěn)定地放電，實現(xiàn)信息的準確傳遞？2、單個神經(jīng)元在不同聲強下其頻率選擇性是否保持一致？3、對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？為回答以上問題，應(yīng)用在體細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)，對以上問題進行了研究，并探索產(chǎn)生這現(xiàn)象的突觸基礎(chǔ)。
　　1、聽皮層神經(jīng)元反應(yīng)的不穩(wěn)定性

5、及其突觸機制
　　聽皮層神經(jīng)元對單音反應(yīng)具有二進制編碼(binary coding)的特征，即一個單音刺激通常只能誘發(fā)0或者1個動作電位。能否穩(wěn)定的誘發(fā)這“1”個動作電位則決定了是否能夠穩(wěn)定地編碼此聲音信號。但有研究發(fā)現(xiàn)，同一神經(jīng)元對重復(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，會發(fā)現(xiàn)放電反應(yīng)缺失，放電時間也有快有慢，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)元對信息的

6、準確編碼，但在聽皮層核心區(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，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間不穩(wěn)定性。(2)通過比較閾值，靜息膜電位和感覺刺激誘發(fā)的突觸后電位(PSP)對于反應(yīng)不穩(wěn)定性的貢獻，發(fā)現(xiàn)PSP對反應(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遠高于抑制性輸入。(4)突觸輸入潛伏期的波動比其整合時間的波動小

8、得多，主要是整合時間決定了皮層神經(jīng)元放電時間維度的精確性。(5)利用數(shù)學(xué)建模，證實，興奮性輸入的幅度波動可以很大程度上影響放電的不穩(wěn)定性，而興奮性輸入的時間波動可以很大程度影響最終放電的時間波動。(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)元則并不具有這一特性。
　　2、聲強提高對頻率選擇的雙向影響及其突觸基礎(chǔ)
　　在人類聽覺心理學(xué)的研究中早已發(fā)現(xiàn)，聲強增強能夠使得一個純音聽起來調(diào)變高或者變低，這提示頻

9、率和聲強的感知不是互相獨立的。也有在基底膜上的研究提示，聲強對頻率的影響自外周聽覺系統(tǒng)就產(chǎn)生了。最近有研究在安裝了助聽器的患者上也觀察到類似聽覺心理學(xué)現(xiàn)象，但是這些患者外周聽覺系統(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，這提示聲強提高對頻率造成的偏移可能不單單由基底膜造成。同時，在聽覺上行通路中，多級皮層下核團都參與了對于聲音信息的處理，聲強對頻率偏好的影響是否也存在于聽皮層核心區(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)元群體和單個神經(jīng)元的最佳頻率（Best frequency,BF）都會隨著聲強的增加而發(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、能夠影響到聽皮層聽覺拓撲圖(tonotopic map)的分布情況：更高的聲強的情況下（閾值以上30分貝），高頻區(qū)和低頻區(qū)的面積會擴大。(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)成聽皮層的音頻拓撲結(jié)

12、構(gòu)，但在對神經(jīng)元個體的頻率選擇細節(jié)，及相鄰神經(jīng)元的頻率選擇共性上，還有許多問題值得探討。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)對聽皮層細胞反應(yīng)多樣性的研究是以A1為研究對象，而對于聽皮層核心區(qū)的另一個組成部分AAF，細胞反應(yīng)是否也存在上述

13、的多樣性還不清楚。更為重要的是，細胞反應(yīng)多樣性是由何種突觸機制產(chǎn)生尚待研究。
　　結(jié)果：以大鼠的AAF為研究對象，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配，且錯配程度在不同細胞間存在差異。(3)這種錯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)分布且相對缺乏變化。(4)對于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對同側(cè)AAF神經(jīng)元的聲誘發(fā)反應(yīng)的作用
　　在聽皮層核心區(qū)中，對A1已有相當深入的研究，但對AAF的研究還相對不足。以往的研究發(fā)現(xiàn)，A1和AAF均具有清晰的音頻拓撲結(jié)構(gòu)，且二者的頻率梯度呈鏡像排布，有研究認為這兩個區(qū)域?qū)儆谄叫械穆犛X通路。大量研究發(fā)現(xiàn)在其他感覺系統(tǒng)，如視覺皮層和體感皮層中，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);聽覺皮層（包括A1和AAF）失活可以調(diào)節(jié)對側(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)幾乎沒有明確的報道。隨著近年來光遺傳學(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，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。發(fā)現(xiàn)，激活A(yù)1可以增強AAF神經(jīng)元的聲音誘發(fā)活動，降低強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