電生理學(xué)方法對覺醒狀態(tài)下貓的不同區(qū)域聽覺中樞神經(jīng)元放電特點及功能的研究.pdf

1、目的：
　　大腦皮層是調(diào)節(jié)人體生理活動的高級中樞，按功能可分為軀體運動中樞、軀體感覺中樞、語言中樞、視覺中樞以及聽覺中樞等。聽覺中樞位于大腦半球的外側(cè)，顳上回中部及顳橫回處。外界的聲音刺激在耳蝸毛細胞換能后經(jīng)蝸神經(jīng)上行，經(jīng)橋腦的蝸神經(jīng)核與上橄欖核、橋腦的外側(cè)丘系核、橋腦和中腦的外側(cè)丘系、中腦的下丘到達間腦的內(nèi)側(cè)膝狀體，最后在大腦顳葉的聽覺皮層形成聽覺。
　　辨別與行為相關(guān)的聲音是聽覺神經(jīng)系統(tǒng)的一個重要功能。關(guān)于皮層是如何接受

2、并傳遞聲音的研究一直以來都是聽覺神經(jīng)科學(xué)的一個重要課題。貓是這種實驗研究的很好的研究對象。目前貓大腦的解剖圖譜已經(jīng)較為完善。電生理學(xué)和解剖學(xué)已經(jīng)揭示了貓的聽覺皮層包含至少十個區(qū)域。行為學(xué)上，不變的或者可逆的神經(jīng)元失活的研究也確定了聽覺皮層不同區(qū)域之間存在功能性差異。
　　大量研究表明，在貓的聽覺區(qū)域，初級聽覺皮層(A1)和次級聽覺皮層(A2)位于大腦的表面且便于電生理的研究。A1由上溝(suprasylvian sulcus，SS

3、)、前外側(cè)溝（anterior ectosylvian sulcus，AES）和后外側(cè)溝(posterior ectosylvian sulcus，PES)包圍。A1的神經(jīng)元對于可變的簡單的人工聲音（比如純音，振幅調(diào)諧或者頻率調(diào)諧的聲音）的反應(yīng)已經(jīng)在麻醉和覺醒的狀態(tài)下被很好的研究過。A1的某一神經(jīng)元通常對音頻中某一特定的范圍反應(yīng)（頻譜接受區(qū)域），對于一個神經(jīng)元來說，最敏感的頻率稱之為固有頻率（characteristic frequen

4、cy, CF）。A1神經(jīng)元的CF是按照從尾側(cè)到鼻側(cè)由低頻到高頻的規(guī)律分布的，形成了一個清晰的頻率圖。最近的研究表明，貓的A1神經(jīng)元通過時間-空間編碼分布表達同種生物自身聲音。A2位于A1外側(cè)的邊緣，與A1大量的研究相反，僅有少數(shù)的研究是關(guān)于麻醉狀態(tài)下的A2神經(jīng)元的純音刺激的電生理學(xué)實驗。這些研究僅僅顯示A2神經(jīng)元擁有更為廣泛的頻譜接受范圍并且頻率分布不清晰。至今，關(guān)于覺醒狀態(tài)下貓的A2的實驗研究仍然很少，對于復(fù)雜環(huán)境聲音的神經(jīng)元反應(yīng)特點

5、尚未見報道。
　　本實驗中我們采用貓作為研究對象，記錄A1和A2的單個神經(jīng)元對聲音刺激反應(yīng)產(chǎn)生的動作電位。在前期的實驗中我們發(fā)現(xiàn)貓對于敲墻，指甲抓木頭等復(fù)雜聲音特別敏感。很多神經(jīng)元，尤其是A2的神經(jīng)元對許多單純?nèi)斯ず铣陕曇簦円簦┖妥陨斫新暡环磻?yīng)，但是對敲擊和抓撓的環(huán)境中的復(fù)合音有反應(yīng)。因此我們錄制了6種敲擊和抓撓的復(fù)雜環(huán)境聲音作為刺激，系統(tǒng)地研究聽覺神經(jīng)元對復(fù)雜環(huán)境聲音的基本反應(yīng)特性，以揭示A1和A2功能的差異。
　　綜合

6、目前研究現(xiàn)狀和我們的前期研究結(jié)果，我們將結(jié)合現(xiàn)代工程學(xué)技術(shù)與計算機技術(shù)，采用數(shù)據(jù)采集分析與聲音傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)在清醒狀態(tài)下用微電極記錄貓聽覺皮質(zhì)單個神經(jīng)元電活動。采用數(shù)據(jù)采集分析和聲音傳輸系統(tǒng)，以家貓為研究對象，對家貓進行前期行為適應(yīng)訓(xùn)練并對大腦聽覺皮層進行立體定位，同時用微電極記錄貓清醒狀態(tài)下聽覺皮層神經(jīng)元對復(fù)雜環(huán)境聲音的電生理活動，對比A1和A2神經(jīng)元在聲音刺激開始后電活動的差異。
　　基底核以及杏仁核的主要功能分別是參與運動和

7、情感的調(diào)節(jié)。近幾年的研究（解剖學(xué)研究以及影像學(xué)研究等）也表明，在這樣的高級神經(jīng)核團中也存在著對聽覺信號反應(yīng)的高級神經(jīng)元。但是目前為止，感覺信號包括聽覺信號在這些非聽覺神經(jīng)核團傳遞的機制尚不清楚，這些神經(jīng)元的具體的聽覺反應(yīng)特性有待進一步研究。因此，在本實驗中，我們還將重點研究基底核，包括殼核(putamen，PU)、蒼白球(globus pallidus，GP)及杏仁核(lateral amygdala，LA and central am

8、ygdala，CA)的聽覺反應(yīng)特點及其在聽覺信號傳遞過程中所起的作用。
　　方法：
　　1、聽覺皮層的立體定位:在45mg/ml戊巴比妥鈉麻醉狀態(tài)及無菌條件下，用耳桿將家貓固定在立體定位實驗臺上，根據(jù)貓大腦圖譜進行三維定位，然后用牙科用丙烯酸將長約15毫米的中空無底鋁汽缸（內(nèi)徑，20毫米）固定在定位儀確定的A1和A2區(qū)域或殼核、蒼白球和杏仁核對應(yīng)的大腦骨表面的區(qū)域，便于日后微電極的通過。用牙科用丙烯酸將固定頭部用的金屬塊固定

9、在實驗動物的枕骨表面。
　　2、利用數(shù)據(jù)采集分析及聲音傳輸系統(tǒng)記錄神經(jīng)元動作電位:在術(shù)后2-3周的恢復(fù)和適應(yīng)性訓(xùn)練之后，實驗正式開始。實驗在電屏蔽的隔音室內(nèi)進行，實驗對象處于清醒狀態(tài)下，頭部固定在實驗臺上，于隔音室內(nèi)在固定在顱骨表面的鋁汽缸的范圍內(nèi)某一位點鉆一個0.5-1毫米直徑的孔，用一個尖端銳利的探針刺透硬腦膜，將連接于數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)中的環(huán)氧樹脂絕緣的鎳制微電極(FHC Inc.;阻抗:1kHz下，2-5MΩ)穿過鉆孔，采用

10、遙控微電極插入裝置(MO-951;Narishige)將電極緩緩刺入皮層，并通過模板匹配辨別器(ASD，Alpha-Omega Engineering)于細胞外獲取狀態(tài)良好的單個神經(jīng)元的動作電位，同時經(jīng)聲音傳輸系統(tǒng)播放聲音刺激，記錄該神經(jīng)元對不同的聲音刺激的反應(yīng)變化;使用自動同步鑒頻器辨別(50μs時間分辨率)獨立的單一神經(jīng)元。尖峰電壓發(fā)生時自動同步鑒頻器將其數(shù)字輸出信號保存在硬盤中。平均一天收集1-2次，每次記錄3-5小時，共進行12

11、個月。
　　在記錄期間，貓的頭部通過金屬塊被固定在一個定制的框架上，身體被包裹在一個棉袋中。在之前的適應(yīng)性訓(xùn)練中貓已經(jīng)習(xí)慣于這種情況。攝像頭被放置在貓前面以監(jiān)控其狀態(tài)，觀察貓在被動聽到聽覺刺激時候是否有不適的跡象。
　　3、組織學(xué)定位:實驗記錄全部完成后，再次將電極刺入幾個具有標志性的位點，并用電流輕微灼傷標記。實驗動物于45mg/ml深度麻醉狀態(tài)下，用10％的福爾馬林經(jīng)左心室心臟灌流，將連接福爾馬林的插管插入到左心室，出口

12、為右心房，至右心房出現(xiàn)澄清的福爾馬林溶液，實驗動物頭部及肢體僵硬為止，然后取出腦組織。根據(jù)灼傷位點明確實際記錄的神經(jīng)元的位點。
　　4、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析:Matlab條件下統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)和得出實驗結(jié)果。P＜0.05有統(tǒng)計學(xué)差異。
　　結(jié)果：
　　1、絕大多數(shù)的初級聽覺皮層(A1)的神經(jīng)元(83.1％)對純音和復(fù)雜聲音刺激都敏感，而有一半的次級聽覺皮層(A2)的神經(jīng)元(55.3％)只對復(fù)雜聲音刺激敏感，對純音不敏感。

13、>　　2、和A1的神經(jīng)元相比A2對不同的復(fù)雜的聲音刺激有很高的選擇性。
　　3、包含頻率范圍比較廣泛的廣譜的聲音刺激無論在A1和A2都會激起最強的反應(yīng)，但是在A2與其他聲音刺激相比這個聲音的反應(yīng)相對強度較大。
　　4、和A1的神經(jīng)元相比A2對不同的復(fù)雜的聲音刺激反應(yīng)的潛伏期較長。
　　5、殼核(PU)神經(jīng)元對純音反應(yīng)良好。與蒼白球(GP)和杏仁核的神經(jīng)元相比PU神經(jīng)元的反應(yīng)潛伏期相對較短，強度閾值相對較低，放電強度較大

14、。從PU、GP、杏仁核外側(cè)部(LA)到杏仁核內(nèi)側(cè)部(CA)，它們的反應(yīng)性逐級降低。
　　6、PU、GP、LA和CA的神經(jīng)元對于自然音（同種生物及非同種生物的聲音，非生物的環(huán)境音）的反應(yīng)性也逐級降低，而其的選擇性卻是逐級升高的，只對自然音中的一小部分的聲音刺激有反應(yīng)。
　　7、僅對自然音的反應(yīng)的神經(jīng)元在LA和CA中所占的比例大于其在PU和GP中的比例。CA的復(fù)合音反應(yīng)強度與純音反應(yīng)強度的比值是與其他核團相比是最高的。