小鼠聽覺中樞神經元強度-時間反應特性.pdf

1、時間編碼作為感覺信息在中樞的編碼方式不斷得到肯定。動作電位產生時間,尤其是第一動作電位延時(first spike latency,FSL)由于其可能攜帶的大量感覺信息,引起了越來越多的關注。先后在視覺、體感、嗅覺、海馬的空間辨別及聽覺等感覺系統(tǒng)中獲取數據顯示,神經元以FSL,表征感覺信息更為準確和可靠。因此,現(xiàn)在認為神經元動作電位的產生時間很可能編碼了感覺信息。
　　 聽覺系統(tǒng)作為研究時間編碼的模型有其自身優(yōu)越性,聽覺通路各級

2、核團神經元對聲刺激只產生很少發(fā)放,大多數神經元只產生與時間鎖定的起始(onset)反應。而且聲刺激不僅簡單易控,還可以組合成各種簡單和復雜的聲刺激條件。聽覺信息中最基本的參數包括聲音刺激的頻率、強度和聲長(sound duration)。在聽覺系統(tǒng)研究中通常采用純頻聲(pare tones)刺激,也就是單一頻率的聲音,其幅度由包絡波控制。聲音包絡波包括四個穩(wěn)態(tài)參數:上升時間(rise time,RT)、穩(wěn)態(tài)聲強(steady-state

3、 pressure,SP,即最大聲強)、聲音時長(sound duraiton,D)及下降時間(fall time,FT)和兩個動態(tài)參數:上升函數(rise function,RF)和下降函數(fall function,FF),下降函數一般采用線性或余弦平方(cosine-squared,cos2)函數。上升和下降部分的瞬時聲強(peak pressure,PP)分別由RT、RF和FT及FF決定。
　　 相對于動作電位發(fā)放數(

4、spike counts,SC)或發(fā)放率(spike rate,SR),以FSL為反應指標可以更準確的表示出神經元對頻率和強度的反應關系,FSL-聲強反應關系和FSL-頻率反應關系以及頻率對FSL-聲強反應關系的影響已經比較明確,但也僅是在單聲長下的研究,沒有考慮聲長因素對其影響,FSL與聲長的反應關系還沒有系統(tǒng)研究過。目前,聲長對強度反應關系的影響及與FSL的關系還不清楚。于是我們在小鼠下丘神經元采用在體細胞外記錄方法,給予聲強.聲長

5、(SP-D)掃描聲,通過給予雙耳不同聲長和聲強的特征頻率(characteristicfrequency,CF)短純音刺激,記錄4-6周BALB/c小鼠下丘神經元聽反應,并分別以FSL和SC為評價指標,將數據繪制成FSL-聲長、FSL-聲強函數關系圖和SC-聲長、SC-聲強函數關系圖,比較FSL和SC何者為反應指標更穩(wěn)定可靠,集中分析聲長是否可影響SC和FSL對聲刺激強度的表征,FSL與聲長變化的關系以及FSL與SC是否相關。
　

6、　 結果在小鼠下丘神經元共記錄到34個單單位(single unit)神經元反應。以SC為評價指標反映聲強,這些神經元分別表現(xiàn)出32％單調(monotonic)、27％飽和(saturated)和41％非單調(non-monotonic)三種聲強反應關系。較之SC,FSL能更好地反映聲強和聲強變化,并展示出同一規(guī)律的FSL-聲強反應曲線:FSL隨著聲強的增大而逐漸縮短。在不同聲長下,所有神經元SC-聲強曲線和FSL-聲強曲線基本重合,

7、但后者變異性小,可以認為聲長對強度反應關系沒有影響,研究聲強反應關系中通常可以不用考慮聲長因素,因此在單聲長下探討聲強反應關系仍有其準確性,進一步為FSL表征聲強的準確可靠性提供了新的證據。同時觀察聲長與FSL和SC的反應關系,發(fā)現(xiàn)SC-聲長關系曲線并不穩(wěn)定,不同聲長下SC變異較大。改變強度時,SC-聲長曲線也沒有一定變化規(guī)律。SC隨聲長變化而變化,因此用SC表征聲長有很大不穩(wěn)定性。而FSL-聲長反應關系穩(wěn)定,固定聲強時,改變聲長,FS

8、L,并沒有隨著聲長的變化而變化,且FSL不受SC影響。
　　 本實驗結論:1)聲長對強度反應關系沒有影響；2)FSL,較SC能更好的反應聲強和聲強變化,具有表征神經元反應的準確性:FSL隨聲強增大而逐漸縮短,且FSL不受聲長和SC的影響。
　　 雖然FSL與聲刺激的一些參數的關系已經很明確,由于聲音信息攜帶的物理參數眾多,除了一系列穩(wěn)態(tài)參數外,還有衍生出的動態(tài)參數。因此,對聲刺激單一實驗控制參數的反應并不能說明聽覺神經元

9、FSL反映的究竟是何種物理參數。目前,很多研究結果顯示FSL主要反應聲音的起始部分,通過對包絡波起始部分參數(RT,RF和SP)的控制,將實驗數據運用數理模型進行分析,以期找到FSL反應何種物理參數的答案。在前人基礎上,我們實驗室前期研究中設計了一系列可比較的上升函數(t/RT)n(n=1,2,3),同時比較各種函數下小鼠下丘神經元對RT、RF和SP變化的聲刺激反應,發(fā)現(xiàn)FSL反應的是PP的某指數積分,即T=()(T為時間轉換系數,相當

10、于神經元產生動作電位的閾值,K為聲強指數,MFSL為最小延時)；進一步分析結果表明,神經元FSL可通過兩常數最小延時(minimum first spike latency,MFSL)和時間轉換系數(T)編碼了聲刺激的聲能。最后認為K值趨向于2時,FSL編碼了聲刺激所攜帶的聲能。為了進一步證明這種編碼方式不僅僅存在于小鼠下丘,在小鼠聽覺中樞的其它核團也存在,本實驗選取了小鼠聽覺中樞的另一級核團聽皮層作為研究對象來驗證。給予小鼠聽皮層神經

11、元聲壓-上升時間-上升函數(SP-RT-RF)掃描聲,通過Rpvds軟件設計了一系列的上升函數(t/RT)n:當n=1,2,3時分別為線性(t/RT,linear,L)、平方(t/RT)2,quadratic,Q)和立方((t/RT)3,cubic,C)上升函數,包絡波起始部分的PP則由三個參數控制,表示為PP=SP(t/RT)n(n=1,2,3)。記錄下SP、RT和RF變化時的FSL值,求出不變系數(invariant coeffic

12、ient,不同上升函數中提取出來的相對恒定的系數,其值為初始聲刺激參數SP與RT的n次冪的比值,即SP/RTn,n為上升函數的指數)。基于指數n=1,2,3時三種不同RF關系,FSL相應地被分成三組,分別繪制三種RF下的FSL-SP、FSL-RT及FSL-SP/RTn關系圖,并根據公式對FSL-SP/RTn函數曲線圖進行擬合,可以得出R2值、MFSL值和1gT值。MFSL和T是兩個自由變量。25個神經元的R2值分別在三種RF下的統(tǒng)計直方

13、圖在OrginPro7.5中生成。通過曲線擬合得出MFSL值和lgT值后,為了觀察上升函數差別對MFSL值和T值(由其對數值表示)的影響,將記錄到的所有神經元的MFSL值和T值分別在n=1,2和3的函數關系下進行作圖比較,同時進行重復測量方差分析。并運用OrginPro7.5作圖比較積分閾值T與實際檢測的神經元最小閾值(minimum threshold,MT)間的關系。
　　 在小鼠皮層記錄到25個單單位神經元反應,首先描繪出

14、了在n=1,2,3時三種RF下FSL-SP和FSL-RT反應關系圖,觀察到與前期在下丘神經元一致的結果:FSL隨著SP的增加而逐漸縮短,但隨RT延長而延長；FSL與不變系數SP/RTn呈現(xiàn)出一定的曲線關系,曲線擬合效果很好。通過曲線擬合得出R2值、MFSL值和1gT值。R2值直方圖分布顯示,當n=1時,20個神經元的擬合率在0.91以上；當n=2時,24個神經元的擬合率在0.91以上；當n=3時,21個神經元的擬合率在0.925以上。經

15、過作圖分析發(fā)現(xiàn)大多數神經元(22個)表現(xiàn)為不同神經元的MFSL值和T值在三種RF下分別不相同,而同一神經元的MFSL值和T值在三種RF下分別近似相等。將其中22個神經元的MFSL值和1gT值分別用重復測量方差分析方法進行不同RF下的比較,認為差異無顯著性意義(F=2.375,P=0.138和F=2.464,P=0.131),因此認為同一個神經元的MFSL值和T值不受RF影響,而是一個固定值。另外發(fā)現(xiàn)積分閾值T與實測閾值MT有線性相關關系