小鼠听觉中枢神经元强度—时间反应特性

论文摘要

时间编码作为感觉信息在中枢的编码方式不断得到肯定。动作电位产生时间,尤其是第一动作电位延时（first spike latency, FSL）由于其可能携带的大量感觉信息,引起了越来越多的关注。先后在视觉、体感、嗅觉、海马的空间辨别及听觉等感觉系统中获取数据显示,神经元以FSL表征感觉信息更为准确和可靠。因此,现在认为神经元动作电位的产生时间很可能编码了感觉信息。听觉系统作为研究时间编码的模型有其自身优越性,听觉通路各级核团神经元对声刺激只产生很少发放,大多数神经元只产生与时间锁定的起始（onset）反应。而且声刺激不仅简单易控,还可以组合成各种简单和复杂的声刺激条件。听觉信息中最基本的参数包括声音刺激的频率、强度和声长（sound duration）。在听觉系统研究中通常采用纯频声（pure tones）刺激,也就是单一频率的声音,其幅度由包络波控制。声音包络波包括四个稳态参数：上升时间（rise time, RT）、稳态声强（steady-state pressure, SP,即最大声强）、声音时长（sound duraiton, D）及下降时间（fall time, FT）和两个动态参数：上升函数（rise function, RF）和下降函数（fall function, FF）,下降函数一般采用线性或余弦平方（cosine-squared,cos2）函数。上升和下降部分的瞬时声强（peak pressure, PP）分别由RT、RF和FT及FF决定。相对于动作电位发放数（spike counts, SC）或发放率（spike rate, SR）,以FSL为反应指标可以更准确的表示出神经元对频率和强度的反应关系,FSL-声强反应关系和FSL-频率反应关系以及频率对FSL-声强反应关系的影响已经比较明确,但也仅是在单声长下的研究,没有考虑声长因素对其影响, FSL与声长的反应关系还没有系统研究过。目前,声长对强度反应关系的影响及与FSL的关系还不清楚。于是我们在小鼠下丘神经元采用在体细胞外记录方法,给予声强-声长（SP-D）扫描声,通过给予双耳不同声长和声强的特征频率（characteristic frequency, CF）短纯音刺激,记录4-6周BALB/c小鼠下丘神经元听反应,并分别以FSL和SC为评价指标,将数据绘制成FSL-声长、FSL-声强函数关系图和SC-声长、SC-声强函数关系图,比较FSL和SC何者为反应指标更稳定可靠,集中分析声长是否可影响SC和FSL对声刺激强度的表征,FSL与声长变化的关系以及FSL与SC是否相关。结果在小鼠下丘神经元共记录到34个单单位（single unit）神经元反应。以SC为评价指标反映声强,这些神经元分别表现出32%单调（monotonic）、27%饱和（saturated）和41%非单调（non-monotonic）三种声强反应关系。较之SC,FSL能更好地反映声强和声强变化,并展示出同一规律的FSL—声强反应曲线：FSL随着声强的增大而逐渐缩短。在不同声长下,所有神经元SC—声强曲线和FSL-声强曲线基本重合,但后者变异性小,可以认为声长对强度反应关系没有影响,研究声强反应关系中通常可以不用考虑声长因素,因此在单声长下探讨声强反应关系仍有其准确性,进一步为FSL表征声强的准确可靠性提供了新的证据。同时观察声长与FSL和SC的反应关系,发现SC-声长关系曲线并不稳定,不同声长下SC变异较大。改变强度时,SC-声长曲线也没有一定变化规律。SC随声长变化而变化,因此用SC表征声长有很大不稳定性。而FSL-声长反应关系稳定,固定声强时,改变声长,FSL并没有随着声长的变化而变化,且FSL不受SC影响。本实验结论：1)声长对强度反应关系没有影响；2)FSL较SC能更好的反应声强和声强变化,具有表征神经元反应的准确性：FSL随声强增大而逐渐缩短,且FSL不受声长和SC的影响。虽然FSL与声刺激的一些参数的关系已经很明确,由于声音信息携带的物理参数众多,除了一系列稳态参数外,还有衍生出的动态参数。因此,对声刺激单一实验控制参数的反应并不能说明听觉神经元FSL反映的究竟是何种物理参数。目前,很多研究结果显示FSL主要反应声音的起始部分,通过对包络波起始部分参数（RT,RF和SP）的控制,将实验数据运用数理模型进行分析,以期找到FSL反应何种物理参数的答案。在前人基础上,我们实验室前期研究中设计了一系列可比较的上升函数（t/RT）n（n=1,2,3）,同时比较各种函数下小鼠下丘神经元对RT、RF和SP变化的声刺激反应,发现FSL反应的是PP的某指数积分,即（T为时间转换系数,相当于神经元产生动作电位的阈值,K为声强指数,MFSL为最小延时）；进一步分析结果表明,神经元FSL可通过两常数最小延时（minimum first spike latency,MFSL）和时间转换系数（T）编码了声刺激的声能。最后认为K值趋向于2时,FSL编码了声刺激所携带的声能。为了进一步证明这种编码方式不仅仅存在于小鼠下丘,在小鼠听觉中枢的其它核团也存在,本实验选取了小鼠听觉中枢的另一级核团听皮层作为研究对象来验证。给予小鼠听皮层神经元声压-上升时间-上升函数（SP-RT-RF）扫描声,通过Rpvds软件设计了一系列的上升函数（t/RT）n：当n=1,2,3时分别为线性（t/RT,linear,L）、平方（t/RT）2,quadratic,Q)和立方（（t/RT）3,cubic,C）上升函数,包络波起始部分的PP则由三个参数控制,表示为记录下SP、RT和RF变化时的FSL值,求出不变系数（invariant coefficient,不同上升函数中提取出来的相对恒定的系数,其值为初始声刺激参数SP与RT的n次幂的比值,即SP/RTn,n为上升函数的指数）。基于指数n=1,2,3时三种不同RF关系,FSL相应地被分成三组,分别绘制三种RF下的FSL-SP、FSL-RT及FSL-SP/RTn关系图,并根据公式对FSL-SP/RTn函数曲线图进行拟合,可以得出R2值、MFSL值和lgT值。MFSL和T是两个自由变量。25个神经元的R2值分别在三种RF下的统计直方图在OrginPro7.5中生成。通过曲线拟合得出MFSL值和lgT值后,为了观察上升函数差别对MFSL值和T值（由其对数值表示）的影响,将记录到的所有神经元的MFSL值和T值分别在n=1,2和3的函数关系下进行作图比较,同时进行重复测量方差分析。并运用OrginPro7.5作图比较积分阈值T与实际检测的神经元最小阈值（minimum threshold,MT）间的关系。在小鼠皮层记录到25个单单位神经元反应,首先描绘出了在n=1,2,3时三种RF下FSL-SP和FSL-RT反应关系图,观察到与前期在下丘神经元一致的结果：FSL随着SP的增加而逐渐缩短,但随RT延长而延长；FSL与不变系数SP/RTn呈现出一定的曲线关系,曲线拟合效果很好。通过曲线拟合得出R2值、MFSL值和lgT值。R2值直方图分布显示,当n=1时,20个神经元的拟合率在0.91以上；当n=2时,24个神经元的拟合率在0.91以上；当n=3时,21个神经元的拟合率在0.925以上。经过作图分析发现大多数神经元（22个）表现为不同神经元的MFSL值和T值在三种RF下分别不相同,而同一神经元的MFSL值和T值在三种RF下分别近似相等。将其中22个神经元的MFSL值和lgT值分别用重复测量方差分析方法进行不同RF下的比较,认为差异无显著性意义（F=2.375,P=0.138和F=2.464,P=0.131）,因此认为同一个神经元的MFSL值和T值不受RF影响,而是一个固定值。另外发现积分阈值T与实测阈值MT有线性相关关系,认为T可以由MT代表。结论：1.K值为2,FSL编码了声刺激所携带的声能的数理模型适用于听皮层神经元；2.同一神经元的MFSL值和T值不受RF影响,是个固定值；3.小鼠听皮层神经元FSL对声刺激的编码方式与下丘相同,为神经元对声信息的这种编码方式在小鼠整个听觉中枢通用性提供了依据,又为听觉系统对声刺激的这种编码方式提供了新的动物模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 综述:听觉信息的中枢编码
• 1.1 听觉中枢对声音强度的编码
• 1.2 听觉中枢对声音时长的编码
• 1.3 下丘结构及对声音反应性
• 1.4 听觉皮层结构及对声音反应性
• 本章参考文献
• 第二章 声长对小鼠下丘神经元强度时间反应特性的影响
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.3 结果
• 2.4 讨论
• 本章参考文献
• 第三章 小鼠听皮层神经元对声强变化反应的时间特性
• 3.1 引言
• 3.2 材料和方法
• 3.3 结果
• 3.4 讨论
• 本章参考文献
• 中英对照缩略词表
• 论文发表情况
• 致谢
• 统计学证明