听皮层对声音要素的层反应特性

摘要

研究背景：
　　大鼠听皮层分为初级听皮层（primary auditory cortex）和次级听皮层(secondary auditory cortex)，根据音频特征分布至少分为4个区:听皮层区1区（auditory cortex area1，A1）、听皮层前区(anterior auditory field，AAF)、听皮层后区(P)、腹侧后区(VP)。初级听皮层包括A1及AAF区，这些区域主要接受来自内侧膝状体腹侧核(the medial geniculate body ventral division，MGV)的投射，而次级听皮层包括听皮层Ⅱ区(auditory cortex area2，A2)、听皮层后区及其他初级听皮层以外的区域，它们主要接受来自MGV以外的弥散的投射。与其他低级投射神经元一样，这些区域的神经元均无明显的音频协调特征。
　　一般认为在初级听皮层中，A1及AAF区是具有音频拓扑结构的，在A1区腹尾侧主要分布有对低频声音响应的神经元，而对高频响应的神经元主要分布在A1区的背喙侧，神经元响应频率从低频向高频在A1区的尾部向喙部依次递增，在与AAF交界处出现反转，在AAF区神经元响应频率从交界区向头喙部则由高频向低频递减。在初级听皮层不仅在横截面上存在这样频率拓扑变化，而且在纵深也存在一定的结构分布规律。大量研究结果已经证明，在不同物种的视皮层、听皮层、体感皮层、运动皮层以及其他联合皮层当中都存在功能柱结构。这种功能柱结构是指具有相似功能的神经元在皮层中作垂直的排列从而形成的柱形结构，被认为是新皮层的基本结构和功能单元。以往大量研究采用多单位记录方式记录初级听皮层皮层不同深度的纯音反应，发现从表层到深层的细胞群具有同样的特征频率(characteristic frequency，CF)，证实了听觉皮层存在频率处理的功能柱结构。
　　初级听皮层按细胞构筑的不同大体分为六层:1、第Ⅰ层，少量的神经元和发达的神经纤维网是第Ⅰ层最显著的特点。90％以上是GABA能的抑制性神经元。它们的树突走行仅限于第Ⅰ、Ⅱ层，并与深层（Ⅱ-Ⅴ层）的锥体细胞形成丰富的突触联系;2、第Ⅱ层，主要与相邻的非听皮层联系，同时提供听皮层Ⅰ、Ⅲ层之间的联系。Ⅱ层神经元以中等大小的非锥体细胞为主，在较深的半层(Ⅱb层)可见少量锥体细胞。它们的垂直轴突可以特异的支配深层的锥体细胞，从而参与感觉柱的形成;3、第Ⅲ层，该层的特征细胞是锥体细胞，位于深层的小锥体细胞的顶树突一般只能伸展到第Ⅱ层，因此不大可能受到Ⅰ层GABA神经元的影响。大锥体细胞的树突则伸展到Ⅰ层，因此可以接受广泛的突触联系，包括同侧及对侧皮层的远程支配;4、第Ⅳ层，大多数细胞为GABA能神经元。该层细胞接受丘脑、其他皮层区以及皮层内部的支配，此外还通过交通支接受对侧皮层的支配。从该层内还可见来自Ⅱ、Ⅲ层的锥体细胞的轴突丛，以及第Ⅳ层细胞的局部轴突;5、第Ⅴ层，该层锥体细胞较大，顶树突干粗大但在第Ⅴ层分支很少，延伸到第Ⅱ和第Ⅰ层后，在那里扩展并形成与皮层表面平行的卷曲结构。在功能上，第Ⅴ层的锥体细胞是听觉皮层多种传出支配的起源，包括对同侧非听觉皮层、对侧听觉皮层、内侧膝状体、下丘甚至耳蜗核。
　　目的：
　　在清醒幼年大鼠上Hromadka等进行单神经元记录，发现自发和声诱发活动在各层均表现出很低的发放率，认为皮层间没有显著差异。以往大部分研究都倾向于了解和探讨A1区对声音的频率响应特性，但对于次级听皮层的声音响应特性研究不多，特别是不同层的响应特性变化对比较少。本实验采用白噪声为探测声，以自行设计noise、tone、click三种声音为刺激声，采用单细胞盲法探查，旨在观察麻醉大鼠A1与A2以及清醒小鼠A1区不同层单神经元自发放以及多种声音信号的处理特征，探讨听皮层不同层之间声音的处理特点以及内在的结构基础和环路联系。
　　方法与结果：
　　对麻醉大鼠A1区进行探查，共观察到A1区放电神经元246个，其中对探测声音有反应的神经元182个。按照noise→tone→click的顺序进行扫描，从各层细胞对声音响应比例中发现:1、初级听皮层各层绝大部分是对三种声音具有响应的神经元，表明在听皮层绝大部分的听觉神经元能对多种声刺激产生反应，执行多种功能;2、初级听皮层不同层存在对不同声音响应的优势神经元，提示初级听皮层各层可能存在独立处理不同声音的核团，并根据特定的传导通路完成中枢信息的处理，以此来表达不同的生物学意义;3、初级听皮层各层对click反应的阈值具有与tone、noise者明显不同的规律，同一层内神经元对click的反应阈值与对tone、noise反应阈值存在显著差异，提示皮层神经元对click的处理方式与noise和tone可能截然不同;4、神经元对tone反应的延时在初级听皮层中在第Ⅳ层最短，第Ⅱ/Ⅲ、Ⅴ层次之，第Ⅵ层最长，对noise反应的FSL在各层之间的变化趋势与tone相似，表明单一频率及宽频信息在初级听皮层首先接收层为第Ⅳ层，然后向浅层和深层扩散;5、神经元对click反应的延时则表现出完全不同的延时特征，自第Ⅵ层向第Ⅱ/Ⅲ层逐渐延长，表明信息流可能是由皮层深层逐渐向表层传递;6、在对纯音有响应的神经元中频率-强度感受野大多数为“V”型和“U”型。
　　综上所述，我们验证了初级听皮层第Ⅳ层作为丘系传导通路在听皮层的首要接收层，主要负责对不同频率信息进行传递、加工和整合，此外我们发现了初级听皮层对click这种瞬变、窄频声音表现出不同的处理方式和传导途径，对此尚无文献明确报道。
　　我们从前期的文献查阅中已经知道，初级听皮层与次级听皮层之间存在广泛且弥散的投射关系，在次级听皮层中没有音频构筑特征，在次级听皮层中是否也存在声音优势响应细胞？在次级听皮层中神经元对不同声音要素是否也存在分层反应特性？在次级听皮层是否也存在功能柱结构？不同声音在次级听皮层中如何传导？为了探讨这些问题，我们对麻醉大鼠次级听皮层神经元进行了探查。
　　对麻醉大鼠A2区各层神经元探查，共观察到A2区放电神经元157个，其中对探测声音有反应的神经元78个，完成3种声音刺激程序的有45个神经元。从各层细胞对声音响应比例中发现:1、次级听皮层各层大部分是对三种声音具有响应的神经元，表明在次级听皮层大部分的听觉神经元也是对多种声刺激产生反应，执行多种功能的;2、各层神经元对noise具有较好响应，而单独对纯音响应的神经元几乎没有，似乎提示单一频率这种简单频率信息在初级听皮层就结束了，而复杂频率变化的声信号需要传递到次级听皮层进一步分析、整合;3、在次级听皮层第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ层中对click单独响应神经元占稳定比例，表明在次级听皮层也存在独立处理click声的核团;4、在A2区各层对tone响应神经元的频率感受野只有很少量的基底部窄、深尖的大“V”型，多数表现为基底部宽的“V”和“U”型，比较同一穿刺点下纯音响应神经元的CF、MT及FSL，未发现在次级听皮层区存在功能柱结构，或许与次级听皮层接受非特异传导通路的广泛弥散投射有关。5、神经元在次级听皮层对noise反应的FSL具有明确的变化规律，第Ⅴ层最短，Ⅳ、Ⅵ层次之，Ⅱ/Ⅲ层最长，说明在次级听皮层可能第Ⅳ层并不是noise的首先接收层;6、次级听皮层神经元对click反应在延时的表现与初级听皮层的神经元相似，在第Ⅱ/Ⅲ、Ⅵ层最短，Ⅴ层次之，Ⅳ层最长，说明似乎A1和A2区均是接受相同的下位中枢核团的输入;7、神经元对tone响应的延时则表现出和A1不同的规律，FSL在第Ⅱ/Ⅲ、Ⅵ层最短，第Ⅳ层最长，提示次级听皮层神经元接受的tone的刺激是从初级听皮层传递过来的。
　　以上初级听皮层和次级听皮层对声音要素的反应特性的描述是在麻醉条件下的，要排除麻醉对听觉神经元的影响，我们应加入清醒大鼠进行对比，但是由于实验技术限制，我们无法稳定在清醒大鼠上记录。为了了解清醒动物初级听皮层神经元对声音要素的层反应特性，我们对清醒小鼠初级听皮层进行了探查。
　　对清醒条件下小鼠A1区探查共观察到A1区放电神经元90个，其中对探测声音有反应的神经元80个。从各层细胞对声音响应比例中发现:1、在小鼠初级听皮层各层同样以混合响应神经元分布为主，表明在听皮层绝大部分的听觉神经元能对多种声刺激产生反应，执行多种功能;2、初级听皮层各层神经元对noise均有较好响应，第Ⅵ、Ⅴ层神经元对click有较好响应，与麻醉大鼠A1区表现一致;3、单独对click响应神经元第Ⅱ/Ⅲ层比例最高，其次是第Ⅵ、Ⅴ层，在第Ⅳ层比例最少，提示清醒小鼠初级听皮层也存在独立核团对click声音进行处理，而且主要分布在浅层和第Ⅵ层;4、各层神经元对click反应的延时表现出与麻醉大鼠click在初级听皮层延时相似的特征，即自第Ⅵ层向第Ⅱ/Ⅲ层逐渐延长，进一步表明在初级听皮层可能存在一种不同于经典丘系传导通路由深层逐渐向表层传递的途径，从而说明听觉系统对这种瞬变信息的上传和处理另有机制。
　　结论：
　　根据以上实验结果，得出以下结论:1、初级听皮层各层存在对声音优势响应细胞，纯音信息在初级听皮层的传递是按照经典的丘系途径传递的。2、次级听皮层接受的噪音和纯音的信息是由初级听皮层传递过来的，而且不同层之间对纯音和噪音的响应存在差异。3、click信息在初级听皮层和次级听皮层的传导和处理不同于tone和noise，它是经非丘系途径在高级听觉中枢传递的。4、次级听皮层没有表现出功能柱的结构，层与层之间频率选择的差异较大。

目录

摘要

第一章 高级听觉中枢的对声音的传导及信息处理

1．1 声音在高级中枢的上行传导

1．2 听觉信息在高级中枢中的下行调控

参考文献

第二章 听皮层对声音要素的层反应特性

2．1 引言

2．2 材料和方法

2．3 结果

2．4 讨论

2．5 结论

参考文献

中英文缩略词对照表

论文发表情况

致谢

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