不同的聲音強(qiáng)度對大鼠聽皮層神經(jīng)元特征頻率可塑性的影響＊

王 放,孫心德

(1.上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院動物科學(xué)技術(shù)系,上海 201600;2.華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院腦科學(xué)研究中心,上海 200062)

哺乳動物感覺皮層含有多重感覺功能圖,它們系統(tǒng)地表達(dá)環(huán)境信息。研究表明,這些感覺功能圖都可為感覺經(jīng)驗(yàn)、剝奪或損毀所改變,表現(xiàn)出極大的可塑性。Weinberger等人[1]研究表明,學(xué)習(xí)可誘導(dǎo)豚鼠初級聽皮層感受野(receptive field,RF)的可塑性,這種可塑性具有聯(lián)合性、高特異性和持久性、高分辨性,能快速誘導(dǎo),并能保持較長時(shí)間等生理性記憶特征。我們也在大鼠初級聽皮層(A1)觀察到[2],一個(gè)特定頻率的純音作為條件刺激,能快速誘導(dǎo)神經(jīng)元的RF、頻率調(diào)諧曲線(frequency tuning curve,FTC)和特征頻率(characteristic frequency,CF)的可塑性。為了進(jìn)一步了解誘導(dǎo)聽皮層神經(jīng)元功能可塑性的相關(guān)因素,在本文中,我們以神經(jīng)元CF轉(zhuǎn)移為指標(biāo),考察了條件聲刺激強(qiáng)度對CF可塑性的影響,為深入探討中樞感覺功能可塑性機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)資料。

1 材料與方法

1.1 動物

實(shí)驗(yàn)在31只成年SD大鼠上進(jìn)行,體重200～350g,雌雄不拘,購自上海復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)動物中心,清潔級,對聲反射正常。

1.2 手術(shù)

腹腔注射戊巴比妥鈉(sodium pentobarbital,40～50mg/kg體重)麻醉動物,行氣管插管術(shù)。切開頭部皮膚,除去結(jié)締組織,暴露頂骨,用502膠水和牙科水泥將一根長2 cm的鐵釘粘固于顱骨上,以備固定動物頭部。打開左側(cè)顱骨,暴露聽皮層,除去硬腦膜。將動物移于實(shí)驗(yàn)臺架上,通過頭部鐵釘將動物頭部固定。實(shí)驗(yàn)在高性能電聲屏蔽室內(nèi)進(jìn)行,動物體溫維持在38℃左右。

1.3 聲刺激

聲刺激系統(tǒng)由聲信號數(shù)字化軟件、高速AD/DA卡、計(jì)算機(jī)、dB衰減器(Leader LAT-45)、功率放大器及高保真揚(yáng)聲器組成。1.0～50.0kHz純音頻率連續(xù)可調(diào),聲音包絡(luò)持續(xù)時(shí)間50ms,上升和下降時(shí)間分別為5 ms,聲強(qiáng)度以dB SPL(0dB SPL相當(dāng)于20uPa)表示,每秒給聲一次。揚(yáng)聲器位于動物頭部前方記錄電極對側(cè)水平方向30度,垂直方向0度空間的自由聲場,距動物雙耳連線中線45 cm處。實(shí)驗(yàn)前揚(yáng)聲器經(jīng)6.35 mm麥克風(fēng)(B&K4135)和測量放大器(B&K2607)校正。

1.4 神經(jīng)元反應(yīng)的記錄

經(jīng)微電極拉制儀(Narishige PE-21)拉制的玻璃微電極,內(nèi)充以3 mol/L KCl,阻抗2～10MΩ。在手術(shù)顯微鏡下,根據(jù)初級聽皮層(A1)區(qū)血管分布特征并參考大鼠腦圖譜,將電極插入初級聽皮層(A1),行細(xì)胞外記錄單個(gè)神經(jīng)元聽反應(yīng)。聽反應(yīng)信號經(jīng)放大器(ISODAMX)放大、濾波后,由計(jì)算機(jī)采樣,并做刺激后時(shí)間序列直方圖(PSTHs)。

1.5 數(shù)據(jù)采集與分析

實(shí)驗(yàn)時(shí),當(dāng)探測到單個(gè)神經(jīng)元的聽反應(yīng)后,先測定其特征頻率(characteristic frequency,CF)、最低閾值(minimum threshold,MT)、聽反應(yīng)潛伏期(Latency),測繪出頻率調(diào)諧曲線(frequency tuning curve,FTC)等。在30min時(shí)間范圍內(nèi),給予偏離該神經(jīng)元特征頻率±1.0kHz的純音條件刺激(conditioned stimulus,CS),聲音強(qiáng)度分別為該神經(jīng)元最低閾值以上+5dB、+10dB或+20dB。聲刺激誘導(dǎo)30min后,再測量該神經(jīng)元的CF、MT、FTC等的變化,分析條件刺激誘導(dǎo)的神經(jīng)元CF及FTC可塑性變化。應(yīng)用sigmaplo+8.0軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

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

2 結(jié)果

2.1 神經(jīng)元特征頻率可塑性變化類型

當(dāng)給予與所觀察神經(jīng)元CF相差1.0kHz的條件刺激,誘導(dǎo)30min后,神經(jīng)元的CF變化可見三種類型:CF完全轉(zhuǎn)移(complete CF shift)、CF不完全轉(zhuǎn)移(non-complete CF shift)和CF不轉(zhuǎn)移(CF no shift)。根據(jù)CF向神經(jīng)元FTC轉(zhuǎn)移的方向,CF完全轉(zhuǎn)移的神經(jīng)元又可以分為CF雙向轉(zhuǎn)移(bidirectional shift)、CF向低頻端轉(zhuǎn)移(shift to lower frequency)和CF向高頻端轉(zhuǎn)移(shift to higher frequency)。圖1分別顯示CF完全轉(zhuǎn)移(A)、CF不完全轉(zhuǎn)移(B)和CF不轉(zhuǎn)移(C)的情況。

2.2 條件刺激的強(qiáng)度對神經(jīng)元CF可塑性的影響

在所記錄到的107個(gè)A1神經(jīng)元中,我們分析了在一定的誘導(dǎo)時(shí)間范圍內(nèi)(30min),條件刺激的強(qiáng)度對神經(jīng)元特征頻率可塑性的影響。結(jié)果顯示,隨著條件刺激強(qiáng)度的增加,神經(jīng)元CF轉(zhuǎn)移的概率增加。由表1可見,當(dāng)給予神經(jīng)元最低閾值以上5 dB(MT+5 dB)條件刺激誘導(dǎo)時(shí),90%以上的神經(jīng)元CF均不轉(zhuǎn)移,當(dāng)條件刺激強(qiáng)度增加到最低閾值以上10dB(MT+10dB)時(shí),CF完全轉(zhuǎn)移和不完全轉(zhuǎn)移的概率都明顯提高,CF轉(zhuǎn)移的神經(jīng)元占66.7%。當(dāng)進(jìn)一步將條件刺激強(qiáng)度提高到最低閾值以上20dB(MT+20dB)時(shí),所記錄到的神經(jīng)元的CF全部發(fā)生了轉(zhuǎn)移。結(jié)果提示,神經(jīng)元CF可塑性與條件刺激強(qiáng)度相關(guān),在一定范圍內(nèi),隨著條件刺激強(qiáng)度增加,神經(jīng)元CF可塑性概率提高。

Fig.2 Relationship between CF plasticity and symmetry index

2.3 神經(jīng)元CF可塑性與FTC類型的關(guān)系

在以往的研究中,我們曾利用對稱指數(shù)(Symmetry index)描述神經(jīng)元的 FTC特征[2]。本文中,我們利用對稱指數(shù)分析了條件聲刺激強(qiáng)度對神經(jīng)元CF可塑性的影響。結(jié)果顯示,當(dāng)條件聲刺激強(qiáng)度在最低閾值以上10dB和20dB時(shí),對稱指數(shù)大于零者,神經(jīng)元的CF轉(zhuǎn)移的概率都比對稱指數(shù)小于零者更高一些。提示,神經(jīng)元CF轉(zhuǎn)移更偏好于該神經(jīng)元FTC的類型,這種偏好似乎并不隨條件刺激強(qiáng)度而改變。

圖2顯示了不同聲刺激強(qiáng)度下神經(jīng)元FTC的對稱指數(shù)類型與不同條件刺激強(qiáng)度下CF轉(zhuǎn)移的概率。

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

3 討論

哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)存在各種感覺圖,這些感覺圖都可為感覺剝奪、損毀、環(huán)境或經(jīng)驗(yàn)所改變。Weinberger等[1]在豚鼠上的研究表明,一個(gè)特異性聲音作為條件刺激,能快速誘導(dǎo)初級聽皮層(A1)神經(jīng)元頻率感受野(RF)的可塑性。在清醒動物上,這種可塑性經(jīng)過幾次訓(xùn)練即可產(chǎn)生,并可保持?jǐn)?shù)周或數(shù)月[3,4]。本實(shí)驗(yàn)室在輕度麻醉的成年大鼠聽皮層A1區(qū)觀察到[2],給予10～40min的條件刺激誘導(dǎo),即可使A1神經(jīng)元的CF偏移到條件刺激聲頻率(CSF)上,誘導(dǎo)出穩(wěn)定的CF可塑性。本文同樣在輕度麻醉的成年大鼠上觀察到,在給予與被測神經(jīng)元的CF相差1.0kHz的條件刺激30min后,多數(shù)神經(jīng)元的CF均可向條件刺激聲頻率(CSF)轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移的類型包括CF雙向轉(zhuǎn)移(bidirectional shift)、CF向低頻端轉(zhuǎn)移(shift to lower frequency)和CF向高頻端轉(zhuǎn)移(shift to higher frequency)等,這和以往的研究結(jié)果相似[5,6]。以往的研究表明,條件刺激誘導(dǎo)A1神經(jīng)元RF及CF可塑性與多種因素相關(guān),包括條件刺激聲頻率與被測神經(jīng)元CF相差的范圍,條件刺激誘導(dǎo)時(shí)程等[2]。本文又進(jìn)一步觀察了條件刺激的強(qiáng)度對神經(jīng)元CF可塑性的影響。發(fā)現(xiàn)條件刺激的強(qiáng)度同樣可影響CF可塑性的產(chǎn)生。在條件刺激與所測定神經(jīng)元CF相差1.0kHz,誘導(dǎo)時(shí)間30min的實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)條件刺激的強(qiáng)度為MT+5 dB時(shí),僅個(gè)別被測神經(jīng)元的CF發(fā)生轉(zhuǎn)移,當(dāng)條件刺激強(qiáng)度為MT+10dB時(shí),CF轉(zhuǎn)移的神經(jīng)元占到被測神經(jīng)元總數(shù)的66.7%,進(jìn)一步將刺激強(qiáng)度提高到MT+20dB時(shí),所測定的39個(gè)神經(jīng)元的CF全部發(fā)生了轉(zhuǎn)移。這提示,條件刺激的強(qiáng)度也是誘導(dǎo)神經(jīng)元CF可塑性的重要因素。聽覺信息由外周到達(dá)皮層要經(jīng)過多級中樞的輻散-聚合投射和整合,每個(gè)聽皮層神經(jīng)元都接受多個(gè)調(diào)諧于不同頻率和不同閾值神經(jīng)元的輸入和匯聚,隨著條件刺激強(qiáng)度的增加,可能激活了更多的匯聚到被測神經(jīng)元的神經(jīng)元的活動,最終整合的結(jié)果使該神經(jīng)元的CF向著被激活的興奮性高的神經(jīng)元CF轉(zhuǎn)移。

已有的研究表明,中樞神經(jīng)元RF可塑性不僅受聽覺上行傳入系統(tǒng)的影響,也受聽覺下行反饋系統(tǒng)的調(diào)控[7,8],這種反饋調(diào)控使得那些頻率、強(qiáng)度匹配的神經(jīng)元會產(chǎn)生正反饋調(diào)控效應(yīng),而對那些不匹配的神經(jīng)元?jiǎng)t會產(chǎn)生側(cè)抑制。至于聽皮層神經(jīng)元RF、CF可塑性究竟是如何發(fā)生的,發(fā)生在哪一級中樞,尚待進(jìn)一步研究。

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