不同的声音强度对大鼠听皮层神经元特征频率可塑性的影响＊

王 放,孙心德

(1.上海农林职业技术学院动物科学技术系,上海 201600;2.华东师范大学生命科学学院脑科学研究中心,上海 200062)

哺乳动物感觉皮层含有多重感觉功能图,它们系统地表达环境信息。研究表明,这些感觉功能图都可为感觉经验、剥夺或损毁所改变,表现出极大的可塑性。Weinberger等人[1]研究表明,学习可诱导豚鼠初级听皮层感受野(receptive field,RF)的可塑性,这种可塑性具有联合性、高特异性和持久性、高分辨性,能快速诱导,并能保持较长时间等生理性记忆特征。我们也在大鼠初级听皮层(A1)观察到[2],一个特定频率的纯音作为条件刺激,能快速诱导神经元的RF、频率调谐曲线(frequency tuning curve,FTC)和特征频率(characteristic frequency,CF)的可塑性。为了进一步了解诱导听皮层神经元功能可塑性的相关因素,在本文中,我们以神经元CF转移为指标,考察了条件声刺激强度对CF可塑性的影响,为深入探讨中枢感觉功能可塑性机制提供实验资料。

1 材料与方法

1.1 动物

实验在31只成年SD大鼠上进行,体重200～350g,雌雄不拘,购自上海复旦大学医学院实验动物中心,清洁级,对声反射正常。

1.2 手术

腹腔注射戊巴比妥钠(sodium pentobarbital,40～50mg/kg体重)麻醉动物,行气管插管术。切开头部皮肤,除去结缔组织,暴露顶骨,用502胶水和牙科水泥将一根长2 cm的铁钉粘固于颅骨上,以备固定动物头部。打开左侧颅骨,暴露听皮层,除去硬脑膜。将动物移于实验台架上,通过头部铁钉将动物头部固定。实验在高性能电声屏蔽室内进行,动物体温维持在38℃左右。

1.3 声刺激

声刺激系统由声信号数字化软件、高速AD/DA卡、计算机、dB衰减器(Leader LAT-45)、功率放大器及高保真扬声器组成。1.0～50.0kHz纯音频率连续可调,声音包络持续时间50ms,上升和下降时间分别为5 ms,声强度以dB SPL(0dB SPL相当于20uPa)表示,每秒给声一次。扬声器位于动物头部前方记录电极对侧水平方向30度,垂直方向0度空间的自由声场,距动物双耳连线中线45 cm处。实验前扬声器经6.35 mm麦克风(B&K4135)和测量放大器(B&K2607)校正。

1.4 神经元反应的记录

经微电极拉制仪(Narishige PE-21)拉制的玻璃微电极,内充以3 mol/L KCl,阻抗2～10MΩ。在手术显微镜下,根据初级听皮层(A1)区血管分布特征并参考大鼠脑图谱,将电极插入初级听皮层(A1),行细胞外记录单个神经元听反应。听反应信号经放大器(ISODAMX)放大、滤波后,由计算机采样,并做刺激后时间序列直方图(PSTHs)。

1.5 数据采集与分析

实验时,当探测到单个神经元的听反应后,先测定其特征频率(characteristic frequency,CF)、最低阈值(minimum threshold,MT)、听反应潜伏期(Latency),测绘出频率调谐曲线(frequency tuning curve,FTC)等。在30min时间范围内,给予偏离该神经元特征频率±1.0kHz的纯音条件刺激(conditioned stimulus,CS),声音强度分别为该神经元最低阈值以上+5dB、+10dB或+20dB。声刺激诱导30min后,再测量该神经元的CF、MT、FTC等的变化,分析条件刺激诱导的神经元CF及FTC可塑性变化。应用sigmaplo+8.0软件进行实验数据处理。

Fig.1 Type of CF plasticity in AC neurons induced by conditioned stimulus

2 结果

2.1 神经元特征频率可塑性变化类型

当给予与所观察神经元CF相差1.0kHz的条件刺激,诱导30min后,神经元的CF变化可见三种类型:CF完全转移(complete CF shift)、CF不完全转移(non-complete CF shift)和CF不转移(CF no shift)。根据CF向神经元FTC转移的方向,CF完全转移的神经元又可以分为CF双向转移(bidirectional shift)、CF向低频端转移(shift to lower frequency)和CF向高频端转移(shift to higher frequency)。图1分别显示CF完全转移(A)、CF不完全转移(B)和CF不转移(C)的情况。

2.2 条件刺激的强度对神经元CF可塑性的影响

在所记录到的107个A1神经元中,我们分析了在一定的诱导时间范围内(30min),条件刺激的强度对神经元特征频率可塑性的影响。结果显示,随着条件刺激强度的增加,神经元CF转移的概率增加。由表1可见,当给予神经元最低阈值以上5 dB(MT+5 dB)条件刺激诱导时,90%以上的神经元CF均不转移,当条件刺激强度增加到最低阈值以上10dB(MT+10dB)时,CF完全转移和不完全转移的概率都明显提高,CF转移的神经元占66.7%。当进一步将条件刺激强度提高到最低阈值以上20dB(MT+20dB)时,所记录到的神经元的CF全部发生了转移。结果提示,神经元CF可塑性与条件刺激强度相关,在一定范围内,随着条件刺激强度增加,神经元CF可塑性概率提高。

Fig.2 Relationship between CF plasticity and symmetry index

2.3 神经元CF可塑性与FTC类型的关系

在以往的研究中,我们曾利用对称指数(Symmetry index)描述神经元的 FTC特征[2]。本文中,我们利用对称指数分析了条件声刺激强度对神经元CF可塑性的影响。结果显示,当条件声刺激强度在最低阈值以上10dB和20dB时,对称指数大于零者,神经元的CF转移的概率都比对称指数小于零者更高一些。提示,神经元CF转移更偏好于该神经元FTC的类型,这种偏好似乎并不随条件刺激强度而改变。

图2显示了不同声刺激强度下神经元FTC的对称指数类型与不同条件刺激强度下CF转移的概率。

Tab.1 Distribution of CF shift type of AC neurons induced by CS

3 讨论

哺乳动物中枢神经系统存在各种感觉图,这些感觉图都可为感觉剥夺、损毁、环境或经验所改变。Weinberger等[1]在豚鼠上的研究表明,一个特异性声音作为条件刺激,能快速诱导初级听皮层(A1)神经元频率感受野(RF)的可塑性。在清醒动物上,这种可塑性经过几次训练即可产生,并可保持数周或数月[3,4]。本实验室在轻度麻醉的成年大鼠听皮层A1区观察到[2],给予10～40min的条件刺激诱导,即可使A1神经元的CF偏移到条件刺激声频率(CSF)上,诱导出稳定的CF可塑性。本文同样在轻度麻醉的成年大鼠上观察到,在给予与被测神经元的CF相差1.0kHz的条件刺激30min后,多数神经元的CF均可向条件刺激声频率(CSF)转移,转移的类型包括CF双向转移(bidirectional shift)、CF向低频端转移(shift to lower frequency)和CF向高频端转移(shift to higher frequency)等,这和以往的研究结果相似[5,6]。以往的研究表明,条件刺激诱导A1神经元RF及CF可塑性与多种因素相关,包括条件刺激声频率与被测神经元CF相差的范围,条件刺激诱导时程等[2]。本文又进一步观察了条件刺激的强度对神经元CF可塑性的影响。发现条件刺激的强度同样可影响CF可塑性的产生。在条件刺激与所测定神经元CF相差1.0kHz,诱导时间30min的实验条件下,当条件刺激的强度为MT+5 dB时,仅个别被测神经元的CF发生转移,当条件刺激强度为MT+10dB时,CF转移的神经元占到被测神经元总数的66.7%,进一步将刺激强度提高到MT+20dB时,所测定的39个神经元的CF全部发生了转移。这提示,条件刺激的强度也是诱导神经元CF可塑性的重要因素。听觉信息由外周到达皮层要经过多级中枢的辐散-聚合投射和整合,每个听皮层神经元都接受多个调谐于不同频率和不同阈值神经元的输入和汇聚,随着条件刺激强度的增加,可能激活了更多的汇聚到被测神经元的神经元的活动,最终整合的结果使该神经元的CF向着被激活的兴奋性高的神经元CF转移。

已有的研究表明,中枢神经元RF可塑性不仅受听觉上行传入系统的影响,也受听觉下行反馈系统的调控[7,8],这种反馈调控使得那些频率、强度匹配的神经元会产生正反馈调控效应,而对那些不匹配的神经元则会产生侧抑制。至于听皮层神经元RF、CF可塑性究竟是如何发生的,发生在哪一级中枢,尚待进一步研究。

[1]Weinberger N M.The nucleus basalis and memory codes:Auditory cortical plasticity and the induction of specific,associative behavioral memory[J]. Neurobiol Learn Mem,2003,80(3):268-284.

[2]王 放,杨文伟,谭江秀,等.经验改变大鼠听皮层神经元的特征频率[J].生物化学与生物物理进展,2006,33(8):1-6.

[3]Gao EQ,Suga N.Experience-dependent plasticity in the auditory cortex and the inferior colliculus of bats:role of thecorticofugal system[J].Proc Natl Acad Sci USA,2000,97(14):8081-8086.

[4]Fritz J,Shamma S,Elhiali M.et al.Rapid task-related plasticity of spectrotemporal receptive fields in primary auditory cortex[J].Nat Neurosci,2003,6(11):1216-1223.

[5]杨文伟,高利霞,孙心德.大鼠听皮层神经元频率感受野的可塑性[J].科学通报,2004,49(14):1-6.

[6]Zhang L I,Tan A Y,Schreiner C E,et al.T opography and synaptic shaping of direction selectivity in primary auditory cortex[J].Nature,2003,424(6945):201-205.

[7]杨文伟,周晓明,张季平,等.电刺激大鼠内侧额叶前皮质对听皮层神经元频率感受野可塑性的调制[J].生理学报,2007,59(6):13-17.

[8]Suga N,Xiao ZJ,Ma X F,et al.Plasticity and corticofugal mofulationfor hearing in adult animals[J].Neuron,2002,36(1):9-18