小鼠聽(tīng)覺(jué)中樞神經(jīng)元強(qiáng)度-時(shí)間反應(yīng)特性.pdf

1、時(shí)間編碼作為感覺(jué)信息在中樞的編碼方式不斷得到肯定。動(dòng)作電位產(chǎn)生時(shí)間,尤其是第一動(dòng)作電位延時(shí)(first spike latency,FSL)由于其可能攜帶的大量感覺(jué)信息,引起了越來(lái)越多的關(guān)注。先后在視覺(jué)、體感、嗅覺(jué)、海馬的空間辨別及聽(tīng)覺(jué)等感覺(jué)系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)顯示,神經(jīng)元以FSL,表征感覺(jué)信息更為準(zhǔn)確和可靠。因此,現(xiàn)在認(rèn)為神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏漠a(chǎn)生時(shí)間很可能編碼了感覺(jué)信息。
　　 聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)作為研究時(shí)間編碼的模型有其自身優(yōu)越性,聽(tīng)覺(jué)通路各級(jí)

2、核團(tuán)神經(jīng)元對(duì)聲刺激只產(chǎn)生很少發(fā)放,大多數(shù)神經(jīng)元只產(chǎn)生與時(shí)間鎖定的起始(onset)反應(yīng)。而且聲刺激不僅簡(jiǎn)單易控,還可以組合成各種簡(jiǎn)單和復(fù)雜的聲刺激條件。聽(tīng)覺(jué)信息中最基本的參數(shù)包括聲音刺激的頻率、強(qiáng)度和聲長(zhǎng)(sound duration)。在聽(tīng)覺(jué)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(luò)波控制。聲音包絡(luò)波包括四個(gè)穩(wěn)態(tài)參數(shù):上升時(shí)間(rise time,RT)、穩(wěn)態(tài)聲強(qiáng)(steady-state

3、 pressure,SP,即最大聲強(qiáng))、聲音時(shí)長(zhǎng)(sound duraiton,D)及下降時(shí)間(fall time,FT)和兩個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù):上升函數(shù)(rise function,RF)和下降函數(shù)(fall function,FF),下降函數(shù)一般采用線性或余弦平方(cosine-squared,cos2)函數(shù)。上升和下降部分的瞬時(shí)聲強(qiáng)(peak pressure,PP)分別由RT、RF和FT及FF決定。
　　 相對(duì)于動(dòng)作電位發(fā)放數(shù)(

4、spike counts,SC)或發(fā)放率(spike rate,SR),以FSL為反應(yīng)指標(biāo)可以更準(zhǔn)確的表示出神經(jīng)元對(duì)頻率和強(qiáng)度的反應(yīng)關(guān)系,FSL-聲強(qiáng)反應(yīng)關(guān)系和FSL-頻率反應(yīng)關(guān)系以及頻率對(duì)FSL-聲強(qiáng)反應(yīng)關(guān)系的影響已經(jīng)比較明確,但也僅是在單聲長(zhǎng)下的研究,沒(méi)有考慮聲長(zhǎng)因素對(duì)其影響,FSL與聲長(zhǎng)的反應(yīng)關(guān)系還沒(méi)有系統(tǒng)研究過(guò)。目前,聲長(zhǎng)對(duì)強(qiáng)度反應(yīng)關(guān)系的影響及與FSL的關(guān)系還不清楚。于是我們?cè)谛∈笙虑鹕窠?jīng)元采用在體細(xì)胞外記錄方法,給予聲強(qiáng).聲長(zhǎng)

5、(SP-D)掃描聲,通過(guò)給予雙耳不同聲長(zhǎng)和聲強(qiáng)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(jīng)元聽(tīng)反應(yīng),并分別以FSL和SC為評(píng)價(jià)指標(biāo),將數(shù)據(jù)繪制成FSL-聲長(zhǎng)、FSL-聲強(qiáng)函數(shù)關(guān)系圖和SC-聲長(zhǎng)、SC-聲強(qiáng)函數(shù)關(guān)系圖,比較FSL和SC何者為反應(yīng)指標(biāo)更穩(wěn)定可靠,集中分析聲長(zhǎng)是否可影響SC和FSL對(duì)聲刺激強(qiáng)度的表征,FSL與聲長(zhǎng)變化的關(guān)系以及FSL與SC是否相關(guān)。
　

6、　 結(jié)果在小鼠下丘神經(jīng)元共記錄到34個(gè)單單位(single unit)神經(jīng)元反應(yīng)。以SC為評(píng)價(jià)指標(biāo)反映聲強(qiáng),這些神經(jīng)元分別表現(xiàn)出32％單調(diào)(monotonic)、27％飽和(saturated)和41％非單調(diào)(non-monotonic)三種聲強(qiáng)反應(yīng)關(guān)系。較之SC,FSL能更好地反映聲強(qiáng)和聲強(qiáng)變化,并展示出同一規(guī)律的FSL-聲強(qiáng)反應(yīng)曲線:FSL隨著聲強(qiáng)的增大而逐漸縮短。在不同聲長(zhǎng)下,所有神經(jīng)元SC-聲強(qiáng)曲線和FSL-聲強(qiáng)曲線基本重合,

7、但后者變異性小,可以認(rèn)為聲長(zhǎng)對(duì)強(qiáng)度反應(yīng)關(guān)系沒(méi)有影響,研究聲強(qiáng)反應(yīng)關(guān)系中通常可以不用考慮聲長(zhǎng)因素,因此在單聲長(zhǎng)下探討聲強(qiáng)反應(yīng)關(guān)系仍有其準(zhǔn)確性,進(jìn)一步為FSL表征聲強(qiáng)的準(zhǔn)確可靠性提供了新的證據(jù)。同時(shí)觀察聲長(zhǎng)與FSL和SC的反應(yīng)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)SC-聲長(zhǎng)關(guān)系曲線并不穩(wěn)定,不同聲長(zhǎng)下SC變異較大。改變強(qiáng)度時(shí),SC-聲長(zhǎng)曲線也沒(méi)有一定變化規(guī)律。SC隨聲長(zhǎng)變化而變化,因此用SC表征聲長(zhǎng)有很大不穩(wěn)定性。而FSL-聲長(zhǎng)反應(yīng)關(guān)系穩(wěn)定,固定聲強(qiáng)時(shí),改變聲長(zhǎng),FS

8、L,并沒(méi)有隨著聲長(zhǎng)的變化而變化,且FSL不受SC影響。
　　 本實(shí)驗(yàn)結(jié)論:1)聲長(zhǎng)對(duì)強(qiáng)度反應(yīng)關(guān)系沒(méi)有影響；2)FSL,較SC能更好的反應(yīng)聲強(qiáng)和聲強(qiáng)變化,具有表征神經(jīng)元反應(yīng)的準(zhǔn)確性:FSL隨聲強(qiáng)增大而逐漸縮短,且FSL不受聲長(zhǎng)和SC的影響。
　　 雖然FSL與聲刺激的一些參數(shù)的關(guān)系已經(jīng)很明確,由于聲音信息攜帶的物理參數(shù)眾多,除了一系列穩(wěn)態(tài)參數(shù)外,還有衍生出的動(dòng)態(tài)參數(shù)。因此,對(duì)聲刺激單一實(shí)驗(yàn)控制參數(shù)的反應(yīng)并不能說(shuō)明聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)元

9、FSL反映的究竟是何種物理參數(shù)。目前,很多研究結(jié)果顯示FSL主要反應(yīng)聲音的起始部分,通過(guò)對(duì)包絡(luò)波起始部分參數(shù)(RT,RF和SP)的控制,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用數(shù)理模型進(jìn)行分析,以期找到FSL反應(yīng)何種物理參數(shù)的答案。在前人基礎(chǔ)上,我們實(shí)驗(yàn)室前期研究中設(shè)計(jì)了一系列可比較的上升函數(shù)(t/RT)n(n=1,2,3),同時(shí)比較各種函數(shù)下小鼠下丘神經(jīng)元對(duì)RT、RF和SP變化的聲刺激反應(yīng),發(fā)現(xiàn)FSL反應(yīng)的是PP的某指數(shù)積分,即T=()(T為時(shí)間轉(zhuǎn)換系數(shù),相當(dāng)

10、于神經(jīng)元產(chǎn)生動(dòng)作電位的閾值,K為聲強(qiáng)指數(shù),MFSL為最小延時(shí))；進(jìn)一步分析結(jié)果表明,神經(jīng)元FSL可通過(guò)兩常數(shù)最小延時(shí)(minimum first spike latency,MFSL)和時(shí)間轉(zhuǎn)換系數(shù)(T)編碼了聲刺激的聲能。最后認(rèn)為K值趨向于2時(shí),FSL編碼了聲刺激所攜帶的聲能。為了進(jìn)一步證明這種編碼方式不僅僅存在于小鼠下丘,在小鼠聽(tīng)覺(jué)中樞的其它核團(tuán)也存在,本實(shí)驗(yàn)選取了小鼠聽(tīng)覺(jué)中樞的另一級(jí)核團(tuán)聽(tīng)皮層作為研究對(duì)象來(lái)驗(yàn)證。給予小鼠聽(tīng)皮層神經(jīng)

11、元聲壓-上升時(shí)間-上升函數(shù)(SP-RT-RF)掃描聲,通過(guò)Rpvds軟件設(shè)計(jì)了一系列的上升函數(shù)(t/RT)n:當(dāng)n=1,2,3時(shí)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(shù),包絡(luò)波起始部分的PP則由三個(gè)參數(shù)控制,表示為PP=SP(t/RT)n(n=1,2,3)。記錄下SP、RT和RF變化時(shí)的FSL值,求出不變系數(shù)(invariant coeffic

12、ient,不同上升函數(shù)中提取出來(lái)的相對(duì)恒定的系數(shù),其值為初始聲刺激參數(shù)SP與RT的n次冪的比值,即SP/RTn,n為上升函數(shù)的指數(shù))?；谥笖?shù)n=1,2,3時(shí)三種不同RF關(guān)系,FSL相應(yīng)地被分成三組,分別繪制三種RF下的FSL-SP、FSL-RT及FSL-SP/RTn關(guān)系圖,并根據(jù)公式對(duì)FSL-SP/RTn函數(shù)曲線圖進(jìn)行擬合,可以得出R2值、MFSL值和1gT值。MFSL和T是兩個(gè)自由變量。25個(gè)神經(jīng)元的R2值分別在三種RF下的統(tǒng)計(jì)直方

13、圖在OrginPro7.5中生成。通過(guò)曲線擬合得出MFSL值和lgT值后,為了觀察上升函數(shù)差別對(duì)MFSL值和T值(由其對(duì)數(shù)值表示)的影響,將記錄到的所有神經(jīng)元的MFSL值和T值分別在n=1,2和3的函數(shù)關(guān)系下進(jìn)行作圖比較,同時(shí)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析。并運(yùn)用OrginPro7.5作圖比較積分閾值T與實(shí)際檢測(cè)的神經(jīng)元最小閾值(minimum threshold,MT)間的關(guān)系。
　　 在小鼠皮層記錄到25個(gè)單單位神經(jīng)元反應(yīng),首先描繪出

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

15、過(guò)作圖分析發(fā)現(xiàn)大多數(shù)神經(jīng)元(22個(gè))表現(xiàn)為不同神經(jīng)元的MFSL值和T值在三種RF下分別不相同,而同一神經(jīng)元的MFSL值和T值在三種RF下分別近似相等。將其中22個(gè)神經(jīng)元的MFSL值和1gT值分別用重復(fù)測(cè)量方差分析方法進(jìn)行不同RF下的比較,認(rèn)為差異無(wú)顯著性意義(F=2.375,P=0.138和F=2.464,P=0.131),因此認(rèn)為同一個(gè)神經(jīng)元的MFSL值和T值不受RF影響,而是一個(gè)固定值。另外發(fā)現(xiàn)積分閾值T與實(shí)測(cè)閾值MT有線性相關(guān)關(guān)系