一、大鼠初级听皮层神经元对多种声信号处理的层特征1.研究背景新皮层的6层结构是哺乳动物大脑最显著的特征之一,不同层具有各不相同的细胞构筑和投射联系。哺乳动物的初级听皮层(primary auditory cortex,A1)以特有的层间联系方式构成不同的功能环路,为皮层内感觉信息的响应加工提供了结构基础。理论上来说,不同结构和连接的细胞构筑决定了皮层对不同信息的处理必然存在差异。目前,对这种层状结构在皮层信息处理环路中的作用了解甚少。采用多导电极对不同层的细胞群进行同步记录,发现在听觉和体感皮层,第Ⅱ/Ⅲ层的细胞群兴奋性普遍较低,自发和诱发活动均显示稀疏(sparse)放电的特性,而第V层的神经元则多为“密集”(dense)发放,表明皮层细胞群的活动特征存在巨大的层差异。这种层差异是否体现在单神经元的反应特性上?在清醒幼年大鼠上进行的单神经元记录显示,自发和多种声诱发活动在各层均表现出很低的发放率,皮层间没有显著差异。而我们前期的实验结果发现,麻醉大鼠A1单神经元对声刺激表现出相当大的反应差异,多数细胞对短纯音和白噪声刺激没有响应,有反应的神经元以深层多见,且这些神经元的反应类型和特征表现出复杂的多样性,为我们理解听皮层单神经元的基本活动特征和皮层的信息处理环路带来很大困扰。本实验采用三种具有不同的频率范围和时变特征的声信号(噪声、纯音和短声),通过大样本量的单神经元探查,旨在观察A1不同层单神经元对多种声信号的反应特征,探讨听皮层在处理不同声信息时的亚层特征,为了解听皮层功能环路的结构和机制提供一定依据。2.结果采用在体细胞贴附式记录的方法,共探查到麻醉大鼠A1区不同层(软脑膜下100～1200μtm)的AI神经元621例,其中有放电活动的细胞426例。观察A1区全层的放电活动,发现浅层Ⅱ/Ⅲ层的神经元大多(78%)处于静默状态,即在无声和声刺激情况下均不出现放电,这一比例表现出自浅层向深层逐渐减少的趋势,而自发放神经元和声诱发神经元则表现相反的规律,以深层多见。对神经元自发放率在层间的分布差异研究显示,第Ⅱ/⒕Ⅲ层的自发放率最低,67%的细胞其自发水平低于1Hz,深层(Ⅴ、Ⅵ层)的自发放率显著高于表层(Ⅱ/Ⅲ层),5Hz以上的自发活动占细胞总数的26%,证实A1的单神经元也存在浅层“安静”、深层“活跃”的现象,与细胞群活动的层特征是一致的。在给予noise、tone和click刺激时,观察不同层神经元对3种声刺激的响应概率和复合响应情况,结果显示皮层神经元对声信号的响应呈散在分布,全皮层仅有1/3的神经元对实验声刺激有反应,支持皮层“稀疏编码”的神经机制。大部分声相关神经元对2种以上声刺激有响应,而反应特性如阈值、延时有所不同,提示A1区的听觉神经元可能都具有多重响应的功能,但某个最适刺激可以激发神经元产生最大反应。由于皮层的稀疏编码方式,难以确定单个神经元的最适刺激。皮层对三种声刺激的反应特征也表现出显著的层差异。各层神经元对noise和tone的反应特征相似,FSL显示Ⅱ/Ⅲ层最长,Ⅳ层最短,阈值均表现为Ⅱ/Ⅲ层最高,V层最低,比较单细胞对noise和tone的反应阈值和延时,未发现明显差异。浅层神经元反应的高阈值提示其“稀疏”的发放特征与其内在的低兴奋性有关。以声刺激探查的阈值最低,确定神经元的优势刺激,结果显示tone优势神经元在第Ⅳ层的比例最高,皮层对窄带信号的响应可能以具有明确音频定位投射的第Ⅳ层为主,而第V层表现出noise响应的较低阈值,noise优势神经元较多,与该层的复杂输入环路是相适应的。click的反应特征与noise和tone有显著差异。同一神经元对click的响应阈值显著高于tone和noise,其信息流走向不是先由Ⅳ开始,而是从深层向浅层进行,提示这种短时程的声信号在中枢采取不同的机制进行处理,其机制和意义有待进一步研究。声刺激反应特征的层差异提示听皮层处理不同声信号时可能具有部位或层的亚结构,这种功能性的亚结构与皮层的细胞构筑和环路联系密切相关。对同一穿刺点下多个神经元的纯音反应特征进行分析,发现在单个穿刺点所记录到的2个以上纯音响应神经元往往具有同样的特征频率,而反应阈值和延时特性的差异也符合前述的皮层诱发活动的层特征,与细胞外多位点同步记录结果相符,表明在A1至少存在以频率选择性为单位而构建的柱结构,同一柱内的神经元处理同样的频率信息,各层因神经元种类和环路连接不同表现出其他反应特征的差异。3.结论根据上述实验结果,本研究得出下列结论：1)大鼠Al神经元表现出浅层“稀疏”、深层“致密”的活动特征；2)A1对声音信息的表征采用“稀疏”编码机制,大部分A1听觉神经元响应多种声刺激,难以寻找单个神经元的最适刺激;3)A1对不同声信号的处理具有层差异。宽频噪声信号主要在环路复杂的第V层进行处理；特定频率的纯音信号由丘脑输入的直接接替者第Ⅳ层来响应；短声反应的信息流由第Ⅵ层开始；4)A1存在以频率选择性为单位而构建的功能柱结构。二、持续噪声背景下声信号表征的线性平移机制1.研究背景自然界的声音信号常包含于无序多变的背景噪声中,鸡尾酒会效应(Cocktail Party effect)显示,人们可在噪声环境中将注意力集中感兴趣的事件上,而对周围的其他声音充耳不闻。这种选择性关注(selective attention)提示动物具有从“听觉场景’’(auditory scene)中提取需要的目标声信号进行分析处理的能力。环境噪声对听觉系统声反应特性的影响与噪声的绝对强度或信号源和噪声强度的匹配程度有关,高强度噪声对听觉中枢神经元的功能特征往往表现为抑制,如声信号探查阈值上移、电位幅度减小及放电强度降低等。然而,听觉传导通路各级结构对声信号特征信息的表征(功能选择性)却往往不受环境噪声的干扰,如下丘中央核(central nucleus of the inferior colliculus, ICC)中Ⅰ型神经元对窄带信号的编码,IC对经向方位声源的耳间相位差(interanral phase difference)的调谐,初级听皮层神经元对AM声包络特征的表征和对声刺激方向的空间选择性,在噪声环境中均未发生明显改变,而只表现出相关功能探查阈值的升高和工作范围的上移。听觉系统在背景噪声中如何保持对目标声信号的选择性表征?认知心理学认为,听觉注意对非重要信息起到了过滤的作用,导致声音动态感受野的变化,使图像-背景分离增强。差别增益控制(contrast gain control)模型认为听觉神经元能根据新刺激与既往刺激的差别,通过扩大或缩小其功能感受野,调整自身增益以获取更好的敏感性,保持对新刺激的有效应答。但该模型是基于群体细胞的声反应进行数学拟合,并未实际检测不同噪声背景下单神经元的频率感受域的变化,缺乏直接证据证明神经元确实存在这种主动的增益调节。我们认为：听觉神经元对某种包含特定意义(如频率信息)的声信号的响应是其固有特性,背景噪声的加入很可能只改变这种信号的有效强度,使神经元对声信号的反应阈值增大,声音感受的动态范围整体上调,但神经元仍保持其特定的功能选择性,在阈上相应水平的感受域特性不发生改变。前期实验中我们观察到,听皮层各层在声信号处理过程中表现出多样的环路结构和功能特征,不同的声信息可能在不同层内进行加工处理。例如,听皮层对噪声和纯音的处理位置有相当的重叠又各有侧重,第Ⅳ层对纯音信号的响应较好,而第V层对噪声的响应较好。在两种声信号叠加时,听皮层对纯音频率和强度信息的处理会发生怎样的改变?我们选择丘脑频率信息的主要接收部位—A1第Ⅳ层,采用在体细胞贴附式记录方法,检测不同强度的持续噪声背景中,不同类型神经元(单调性与非单调性神经元,兴奋性与抑制性神经元)在噪声背景中的声反应特征,包括特征频率(characteristic frequency, CF)、最小阈值(minimum threshold,MT)、频响带宽(bandwidth, BW)、声音感受野(tonal receptive field, TRF)和发放强度等的变化趋势,并与噪声水平做相关性分析,探讨复杂声环境中听觉中枢神经元对声信号表征的基本工作机制,为听觉系统的信号识别机制提供一定证据。2.结果实验设置0-48dB5个等级的噪声背景,记录了86例A1神经元在不同噪声背景下声反应特征的变化,包括75例单调兴奋性神经元,5例非单调兴奋性神经元和6例单调抑制性神经元。结果显示：单调兴奋性神经元对一定强度噪声背景下的CF声普遍表现为阈值增大,声强响应范围缩小。声强探测阈值呈现双相性的特征变化,低于有效强度的噪声背景中阈值基本不发生改变,当噪声强度超过有效水平时,阈值偏移量与噪声强度间呈高度线性相关,且阈值上相同声强范围内的反应强度不改变,提示不同强度的噪声对神经元的声响应域产生平移的效应。该效应强度取决于阈值随噪声水平变化的程度,与神经元原始阈值即内在兴奋性有一定关系。另一方面,背景噪声并不改变单调兴奋性神经元的最佳响应频率,但对其频率响应范围产生了很强的压缩效应。48dB噪声强度下,神经元对60dB纯音响应的平均BW减小了61%,表明在同样声信号强度下,背景噪声使神经元的工作范围缩小了,对频率的选择性更尖锐了。我们推论,某一噪声环境下神经元声探查阈值发生一定程度的线性偏移,假如噪声背景中的频率响应变化也遵循线性规律,则神经元相当于对减小了相应幅度(阈值变化量)的目标声产生反应,根据不同噪声背景下的阈值偏移量在无背景噪声的TRF中可预测神经元在该背景中的频率响应特征。结果显示：单神经元在某一强度噪声背景中对60dB纯音响应的频响带宽和平均发放强度的实测值与预测值高度一致,反向证实了噪声背景下A1神经元频率响应的线性改变。观察同一神经元在安静环境和36dB噪声背景中TRF的CF、MT和BW等相关指标,发现除MT偏移、TRF面积减小之外,噪声背景中的TRF完全模拟了初始TRF在低声强部分的形状,CF、阈上同一声强水平的BW和发放强度均保持了高度一致。因此,噪声对单调兴奋性神经元频率-声强响应的影响是一种线性上推的效应,促使神经元在高阈值水平上重新建立其频率-强度感受野,这种上推效应的程度可以用阈值上升速度(线性变化斜率)来衡量。非单调性响应是神经元对声强编码的另一种方式。实验中观察到,随噪声强度增大,A1非单调神经元的阈值、最佳声强(best intensity)均表现为特征性的双相性变化,在高于有效噪声水平的背景中呈线性增大,使最佳工作区向高声强方向偏移,而最佳强度下引起的神经元发放强度未受影响,即非单调神经元对特定声强的表征在高声强水平上重新建立。背景噪声对非单调神经元工作范围的线性上推效应可能改变该类神经元的声强调谐特征,即由闭合的TRF转变为V型的单调性TRF,使其转变为单调性响应。皮层内抑制性神经元是兴奋性神经元频率响应的主要修饰者,其TRF锐度较小,呈平台梯型特征,宽泛的旁抑制性输入削尖了兴奋性神经元的频率感受野,表现更佳的频率选择性。加入背景噪声后,抑制性神经元也表现出阈值的双相性变化和线性升高,频率响应和声强响应范围随背景噪声强度增大而减小。不同噪声强度背景下神经元的实测BW、反应强度与根据阈值偏移量计算的预测值高度相关,证实噪声对抑制性神经元频率-声强响应也表现出线性上推的影响。比较兴奋性和抑制性神经元的声探测阈值随噪声强度变化的程度(以线性斜率表示),显示背景噪声对抑制性神经元的线性上推效应要弱于兴奋性神经元,提示连续噪声对兴奋性和抑制性输入的影响是不对称的,抑制性神经元对噪声背景的敏感性较低,其相对缓慢的变化可能导致噪声环境中兴奋性神经元TRF的迅速上移。3.结论综合上述结果,本实验得出下列结论：1)背景噪声对A1第Ⅳ层单神经元声反应特征的影响普遍表现为：阈值上移,强度响应范围和频率响应范围缩小,神经元的声音感受野整体上推,阈值上恒定声强的声响应强度不变,上述变化与达到有效水平后的背景噪声强度之间呈现高度线性相关；2)神经元对声信号的频率选择性不改变；非单调性神经元对最佳声强的表征移向高强度方向,其反应强度保持不变；3)背景噪声对兴奋性神经元和抑制性神经元的影响是不均衡的,后者对噪声屏蔽的敏感性较低,其工作范围的缓慢变化可能是噪声背景中兴奋性神经元声音感受野快速上移的机制之一。