仙琴蛙對(duì)不同類型聲音的感知差異研究

鈕文俊， 李照， 沈迪， 張保衛(wèi)， 方光戰(zhàn)*(1. 安徽大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，合肥230601； 2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長沙410128；3.中國科學(xué)院成都生物研究所，成都610041； 4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

聽覺是大腦感知外界信息的重要功能之一，通過聽覺系統(tǒng)感知不同的聲音信息，并整合其他模態(tài)輸入(如視覺和嗅覺等)的處理結(jié)果，最終決定動(dòng)物捕食、逃逸和交配等行為，對(duì)維系個(gè)體與種群的生存具有極其重要的意義(Schrode.，2014)。聽覺感知包括對(duì)聲音信息的覺察、感覺、注意和知覺等多個(gè)認(rèn)知過程，既往研究對(duì)這些過程進(jìn)行了深入研究(Janik，2000；Charrier.，2001；Vlgnal.，2004；Elie & Theunissen，2018)，但是大腦如何對(duì)復(fù)雜的聲音信號(hào)進(jìn)行解碼和處理依然是神經(jīng)生物學(xué)的核心問題之一。例如，大腦在處理不同類型的復(fù)雜聲音信號(hào)時(shí)，大腦活動(dòng)的動(dòng)態(tài)特征依然不清楚；對(duì)這一問題進(jìn)行研究有助于深入理解大腦功能、聽覺感知和聽覺目標(biāo)識(shí)別的相關(guān)機(jī)理。

哺乳類(包括人)、鳥類和爬行類的聽覺行為往往受多模信息影響，視覺、聽覺和嗅覺等信息的時(shí)空交互給聽覺感知的研究帶來一定困難。由于大腦功能的保守性，脊椎動(dòng)物在一定程度上共享著基于對(duì)信號(hào)的選擇性處理而指導(dǎo)行為響應(yīng)的基本環(huán)路(Krauzlis.，2018)，因此可選擇單模通訊動(dòng)物(比如主要依賴聲音通訊的夜行性蛙類)作為模型對(duì)聽覺感知進(jìn)行研究。對(duì)蛙類而言，雄性廣告鳴叫(復(fù)雜聲音信號(hào))傳遞著物種、個(gè)體、繁殖狀態(tài)、所處位置、資源占有、體型等復(fù)雜信息，即聲學(xué)成分編碼了物種/個(gè)體識(shí)別所需的信息；雌性根據(jù)廣告鳴叫識(shí)別物種、亞種或個(gè)體，并選擇最適雄性作為配偶。雄性仙琴蛙在繁殖季節(jié)能產(chǎn)生2種廣告鳴叫(產(chǎn)生于巢穴內(nèi)的洞內(nèi)鳴叫和巢穴外的洞外鳴叫)，雌雄兩性均偏好響應(yīng)洞內(nèi)鳴叫(Cui.，2012；Fang.，2014)；而在非繁殖季節(jié)，仙琴蛙通常將自己埋于泥土之中，進(jìn)入或準(zhǔn)備進(jìn)入冬眠狀態(tài)，此時(shí)很少聽到外界聲音，尤其不可能聽到同種廣告鳴叫(Yang.，2018)。行為學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，雌雄兩性對(duì)同種鳴叫和非同種鳴叫(如白噪聲)的行為響應(yīng)不同(Cui.，2012；Fang.，2014)，而且仙琴蛙的腦網(wǎng)絡(luò)特征受聲音信號(hào)的生物學(xué)意義調(diào)制(Xue.，2018)，說明仙琴蛙能分辨不同類型的聲音信號(hào)。但仙琴蛙在感知不同類型的聲音時(shí)其大腦活動(dòng)的動(dòng)態(tài)特征尚不清楚。

腦電(electroencephalogram，EEG)是神經(jīng)元群電活動(dòng)在大腦皮層的總體反映，是腦功能信息傳輸?shù)膬?nèi)部載體，蘊(yùn)藏豐富、動(dòng)態(tài)的生理信息。EEG功率譜反映了同步放電的神經(jīng)元數(shù)量(Klimesch，1999)，即功率譜增加表明參與當(dāng)前任務(wù)的神經(jīng)元數(shù)量增加。通常將EEG劃分為delta、theta、alpha、beta和gamma 5個(gè)頻段，各頻段對(duì)聽覺認(rèn)知均具有重要作用(Klimesch.，2007；Klimesch，2012；Wang.，2016)，各頻段不同功率譜與特定的大腦狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，反映了與注意力、學(xué)習(xí)、記憶和決策相關(guān)的感覺和認(rèn)知過程(Klimesch，1999，2012；Engel，2001；Thut & Miniussi，2009)。Delta頻段與最古老的信息傳遞系統(tǒng)有關(guān)，需要內(nèi)部專注的任務(wù)往往伴隨著delta出現(xiàn)，它抑制干擾任務(wù)解決的其他過程(Harmony，2013)；其抑制作用可能是由較高的系統(tǒng)抑制較低的系統(tǒng)，即下行抑制機(jī)制(Knyazev & Slobodskaya，2003)。Theta頻段在認(rèn)知過程中起著重要作用，包括感知、注意、學(xué)習(xí)、空間導(dǎo)航、情景記憶和工作記憶(Kahana，2006；Soltani Zangbar.，2020)。Alpha頻段參與聽覺注意的調(diào)制，皮層中alpha頻段振蕩是選擇性注意的關(guān)鍵標(biāo)志(Klimesch，2012)。Beta頻段的活動(dòng)與刺激加工相關(guān)，參與對(duì)新奇刺激的處理(Haenschel.，2000)。Gamma頻段在動(dòng)態(tài)選擇信息過程中起重要作用，還與語言的加工和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)有關(guān)(Uhlhaas.，2011)。但仙琴蛙僅有delta、theta、alpha和beta頻段，缺少gamma頻段，這可能與兩棲動(dòng)物大腦缺少新皮質(zhì)有關(guān)(Fang.，2012)。由于大腦功能具有保守性，脊椎動(dòng)物之間的EEG節(jié)律沒有本質(zhì)的系統(tǒng)發(fā)育差異(Segura & De Juan，1966)，所以EEG是研究聽覺感知的理想信號(hào)。

由于處于繁殖期的仙琴蛙能對(duì)聲音信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的行為響應(yīng)；而處于非繁殖期的仙琴蛙通常埋于泥土之中，很少聽到外界聲音，尤其不可能聽到同種廣告鳴叫。因此，選擇繁殖期的仙琴蛙作為研究對(duì)象，更接近于其自然條件下的生存狀態(tài)，也更能揭示其自然條件下的聽覺感知特征。為此，本研究以繁殖期的仙琴蛙為對(duì)象，采用等概率實(shí)驗(yàn)范式，在隨機(jī)播放白噪聲和洞內(nèi)鳴叫2種不同類型的聲音刺激時(shí)，實(shí)時(shí)采集仙琴蛙相關(guān)腦區(qū)的EEG信號(hào)；分析和探討聽覺感知過程中EEG各頻段的動(dòng)態(tài)特征，相關(guān)結(jié)果將有助于深入理解蛙類在進(jìn)行同種鳴聲識(shí)別時(shí)各EEG頻段的功能。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

在繁殖季節(jié)，從四川省峨眉山地區(qū)采集16只仙琴蛙(雌雄各半)。按性別分裝于2只不透明塑料箱子里(長54 cm×寬40 cm×高33 cm)，箱內(nèi)有適量的泥和水。在室內(nèi)飼養(yǎng)條件下，雄性往往會(huì)發(fā)出廣告鳴叫，而雌性通常有卵，保證雌雄兩性在實(shí)驗(yàn)過程中的激素水平維持在一個(gè)相對(duì)較高的水平。飼養(yǎng)箱置于 12L∶12D 光照周期(08∶00 開燈)的飼養(yǎng)房中，室溫23 ℃±1 ℃。每隔3 d喂食新鮮活蟋蟀一次。手術(shù)時(shí)，動(dòng)物平均體質(zhì)量為9.96 g±1.64 g，平均體長為4.65 cm±0.24 cm。所有實(shí)驗(yàn)操作均遵守中國科學(xué)院成都生物研究所動(dòng)物福利相關(guān)規(guī)定。

1.2 手術(shù)過程

將仙琴蛙浸入0.15%的魚安定(MS-222)溶液中麻醉(保持頭部外露，避免眼部不適)，通過夾趾反應(yīng)判斷麻醉程度，無夾趾反應(yīng)時(shí)停止麻醉。用濕潤紗布包裹動(dòng)物身體，留出頭部手術(shù)區(qū)域，依次使用碘伏、75%醫(yī)用酒精及消炎藥對(duì)手術(shù)區(qū)域進(jìn)行處理，避免術(shù)后感染。去除手術(shù)區(qū)皮膚，暴露頭骨，將7個(gè)不銹鋼電極(=0.8 mm)植入顱骨內(nèi)直至接觸硬腦膜為止(通過平均顱骨厚度、不銹鋼螺絲的螺距及電極植入時(shí)眼部變化共同確定)，其中6個(gè)電極分別位于端腦(left telencephalon，LT；right telencephalon，RT)、間腦(left diencephalon，LD；right diencephalon，RD)和中腦(left mesencephalon，LM；right mesencephalon，RM)的左右兩側(cè)，參考電極(cerebellum，C)位于小腦上方(圖1)。電極埋植完成后，用牙托水泥對(duì)電極進(jìn)行封固；用自封膜對(duì)接插件進(jìn)行防水密封。動(dòng)物術(shù)后單獨(dú)置于裝有適量純凈水的飼養(yǎng)盒中，恢復(fù)7 d后開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)動(dòng)物進(jìn)行安樂死，并在電極相應(yīng)位點(diǎn)注射蘇木精染料，檢查電極位置是否與預(yù)期一致，排除與目標(biāo)位置不一致的數(shù)據(jù)。

圖1 電極位置分布及相應(yīng)的10 s EEG特征波形Fig. 1 Electrode placements and 10 s typical EEG tracings for each brain area

3條粗體虛線表示顱骨骨縫; LT、RT、LD、RD、LM、RM分別表示端腦、間腦和中腦的左右兩側(cè); C表示植入小腦上方的參考電極

Three dashed lines in bold denote the intersection among the suture lines in the frog skull; LT, RT, LD, RD, LM, RM denote the left and right sides of telencephalon, diencephalon and mesencephalon, respectively; while C denotes the reference electrode implanted above the cerebellum

1.3 聲音刺激

實(shí)驗(yàn)使用白噪聲和洞內(nèi)鳴叫2種刺激。雄蛙聽覺敏感的頻率范圍通常比雌性更寬(Liu.，2014)，為了更好地檢測(cè)聽覺感知的性別差異，需要采用帶寬比同種鳴叫更寬的聲音刺激。由于理想的白噪聲具有無限帶寬(實(shí)際使用的白噪聲帶寬與聲音播放設(shè)備的頻率響應(yīng)帶寬相等)，同時(shí)白噪聲在整個(gè)頻域范圍內(nèi)的所有頻率分量具有相等的功率譜密度，所以白噪聲適合用于對(duì)包括神經(jīng)系統(tǒng)在內(nèi)的生理系統(tǒng)的刺激響應(yīng)進(jìn)行識(shí)別和分析(Marmarelis & Marmarelis，1978)；并且生理系統(tǒng)對(duì)白噪聲的刺激響應(yīng)在很大程度上不受出現(xiàn)在該系統(tǒng)中的其他類型噪聲影響。為避免偽重復(fù)，選用 4只非實(shí)驗(yàn)對(duì)象的同種雄性個(gè)體的、包含 5個(gè)音節(jié)的洞內(nèi)廣告鳴叫，每個(gè)洞內(nèi)鳴叫分別與白噪聲配對(duì)，組成4組刺激對(duì)(圖2)。白噪聲上升/下降沿均為7.5 ms(正弦調(diào)制)，時(shí)長等于 4個(gè)洞內(nèi)鳴叫的平均時(shí)長(約1.28 s)。隨機(jī)選取1組刺激對(duì)用于隨機(jī)選取的 4只仙琴蛙(雌雄各半)。聲音刺激通過2個(gè)便攜式揚(yáng)聲器(SME-AFS；Saul Mineroff Electronics，Elmont，New York，USA)播放，揚(yáng)聲器置于實(shí)驗(yàn)箱兩端，并與實(shí)驗(yàn)箱等距。聲音強(qiáng)度通過聲壓計(jì)(AWA6291，愛華，杭州)調(diào)整為65 dB±0.5 dB SPL(在實(shí)驗(yàn)箱中心測(cè)得，C計(jì)權(quán))。

圖2 聲音刺激的波形圖和頻譜圖 Fig. 2 Waveforms and spectrograms of the five stimuli

a. 白噪聲, b～e. 來自4只同種個(gè)體的洞內(nèi)鳴叫

a. white noise, b-e. 4 advertisement calls acquired from four conspecific individuals

1.4 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)在隔音的電磁屏蔽室(背景噪聲23.0 dB±1.7 dB)進(jìn)行?；謴?fù)7 d后，動(dòng)物被放入裝有泥和水的不透明實(shí)驗(yàn)箱(長80 cm×寬60 cm×高55 cm)，并連接至信號(hào)采集系統(tǒng)(RM6280C，成儀，成都)，適應(yīng)24 h；實(shí)驗(yàn)箱上方裝有紅外攝像機(jī)，監(jiān)測(cè)被試行為。采用隨機(jī)、等概率方式回放白噪聲與洞內(nèi)鳴叫，刺激呈現(xiàn)順序隨機(jī)(即下一個(gè)刺激是什么不可預(yù)測(cè))、刺激間隔在2 s、2.5 s、3 s、3.5 s和4 s中隨機(jī)(下一個(gè)刺激什么時(shí)候出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)；由于在自然條件下雄性廣告鳴叫之間的平均間隔為 3.3 s，且雄性對(duì)時(shí)間間隔為3 s的聲音回放的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率最高(Fang.，2014)，所以選取以3 s為中心的5個(gè)時(shí)長為刺激間隔)，最大化消除有意注意影響，實(shí)驗(yàn)共隨機(jī)回放了40次聲音刺激(白噪聲回放 20次，洞內(nèi)鳴叫回放20次)。刺激播放起始時(shí)刻，播放程序向信號(hào)采集系統(tǒng)發(fā)送TTL電平用于數(shù)據(jù)同步。采集動(dòng)物的EEG信號(hào)和行為數(shù)據(jù)，帶通濾波設(shè)置為0.05～200 Hz，采樣頻率為1 000 Hz。實(shí)驗(yàn)前一天喂食，實(shí)驗(yàn)過程中不進(jìn)食，以保證信號(hào)受營養(yǎng)代謝的影響最小。

1.5 數(shù)據(jù)處理

EEG信號(hào)經(jīng)過50 Hz陷波和0.5～45 Hz帶通濾波后，分別取刺激起始點(diǎn)前后1 s且無偽跡的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。利用Welch算法(漢明窗，頻譜分辨率為0.5 Hz)計(jì)算每段數(shù)據(jù)的delta(0.5～5.5 Hz)、theta(5.5～8.5 Hz)、alpha(8.5～17 Hz)、beta(17～45 Hz)的絕對(duì)功率譜(Fang.，2012)。得到每個(gè)EEG頻段、每種刺激(白噪聲和洞內(nèi)鳴叫)、每個(gè)腦區(qū)(左右端腦、左右間腦和左右中腦)在不同時(shí)間(刺激前和刺激后)的絕對(duì)功率譜。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)絕對(duì)功率譜進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)(Shapiro-Wilk檢驗(yàn))和方差同質(zhì)檢驗(yàn)(Levene’s檢驗(yàn))。利用5個(gè)因素(刺激組別、性別、刺激類型、時(shí)間和腦區(qū))重復(fù)測(cè)量ANOVA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在刺激組別和性別這2個(gè)因素上均無顯著差異，說明本實(shí)驗(yàn)已排除偽重復(fù)可能造成的不利影響。進(jìn)一步采用三因素(刺激類型、時(shí)間和腦區(qū))重復(fù)測(cè)量ANOVA。若交互效應(yīng)顯著，進(jìn)行簡單或簡單-簡單效應(yīng)分析。事后檢驗(yàn)采用Bonferroni檢驗(yàn)；若有必要，進(jìn)行Greenhouse-Geisser矯正；分別用Partial和Cohen’s d檢測(cè)方差分析和檢驗(yàn)的效應(yīng)度(0.20為低效應(yīng)度，0.50為中效應(yīng)度，0.80為高效應(yīng)度)。統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 26。顯著水平定義為α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 Delta頻段

刺激類型(=13.140，partial=0.467，=0.002)、時(shí)間(=43.385，partial=0.752，<0.0001)和腦區(qū)(=11.590，partial=0.436，=0.001)的主效應(yīng)均顯著；且三交互效應(yīng)顯著(=3.061，partial=0.169，=0.039；表1)。簡單-簡單效應(yīng)分析和簡單效應(yīng)分析結(jié)果顯示，對(duì)不同刺激而言：左右間腦和左右中腦在白噪聲刺激下的絕對(duì)功率譜均顯著小于洞內(nèi)鳴叫刺激；對(duì)刺激前后而言：白噪聲和洞內(nèi)鳴叫均表現(xiàn)出刺激前的絕對(duì)功率譜顯著小于刺激后；對(duì)不同腦區(qū)而言：腦區(qū)間的差異主要表現(xiàn)為端腦最大、間腦次之、中腦最小，但左右端腦、左右間腦、左右中腦之間均無顯著差異(表2；圖3)。

表1 Delta頻段絕對(duì)功率譜的ANOVA統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Results of ANOVA for absolute power spectra of delta band

注： “>”表示左側(cè)條件下的絕對(duì)功率譜大于右側(cè), 同側(cè)間無顯著差異; WN. 白噪聲, IC. 洞內(nèi)鳴叫, PRE. 刺激前, POST. 刺激后, LT, RT. 左右端腦, LD, RD. 左右間腦, LM, RM. 左右中腦, NA. 不適用; * 結(jié)果詳見后表; 下同

Notes: the symbol “>” denotes that the absolute power spectra of the four bands associated with various conditions on the left side of “ > ” are significantly larger than those on the right side, and no significant difference exists among the corresponding conditions on the same side of “ > ” for each case; WN. white noise, IC. inside call, PRE. pre stimulation, POST. post stimulation, LT, RT. the left and right telencephalon, LD, RD. the left and right diencephalon, LM, RM. the left and right mesencephalon, NA. not applicable; * see the table below; the same below

表2 Delta頻段絕對(duì)功率譜的簡單-簡單效應(yīng)分析結(jié)果Table 2 Results of simple-simple effects analysis for the absolute power spectra of delta band

圖3 白噪聲和洞內(nèi)鳴叫刺激下不同腦區(qū)、不同時(shí)間(刺激前后)對(duì)應(yīng)的delta頻段的絕對(duì)功率譜Fig. 3 Absolute power spectra of delta band elicited in different brain regions before and after playbacks of white noise and inside call

*<0.05， **<0.001; 下同， the same below

2.2 Theta頻段

時(shí)間(=98.923，partial=0.868，<0.000 1)和腦區(qū)(=12.987，partial=0.464，<0.000 1)的主效應(yīng)均顯著；且三交互效應(yīng)顯著(=5.267，partial=0.260，=0.006；表3)。簡單-簡單效應(yīng)分析和簡單效應(yīng)分析結(jié)果顯示，對(duì)不同刺激而言：左中腦和右中腦在白噪聲刺激下的絕對(duì)功率譜均顯著小于洞內(nèi)鳴叫；對(duì)刺激前后而言：白噪聲和洞內(nèi)鳴叫刺激前的絕對(duì)功率譜均顯著小于刺激后；對(duì)不同腦區(qū)而言：腦區(qū)之間的差異主要表現(xiàn)為端腦最大、間腦次之、中腦最?。坏笥叶四X、左右間腦、左右中腦之間均無顯著差異(表4；圖4)。

表3 Theta頻段絕對(duì)功率譜的ANOVA統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Results of ANOVA for absolute power spectra of theta band

表4 Theta頻段絕對(duì)功率譜的簡單-簡單效應(yīng)分析結(jié)果Table 4 Results of simple-simple effects analysis for the absolute power spectra of theta band

圖4 白噪聲和洞內(nèi)鳴叫刺激下不同腦區(qū)、不同時(shí)間(刺激前后)對(duì)應(yīng)的theta頻段的絕對(duì)功率譜Fig. 4 Absolute power spectra of theta band elicited in different brain regions before and after playbacks of white noise and inside call

2.3 Alpha頻段

刺激類型(=8.751，partial=0.368，=0.010)、時(shí)間(=36.185，partial=0.707，<0.000 1)和腦區(qū)(=13.863，partial=0.480，<0.001)的主效應(yīng)均顯著；且三交互效應(yīng)顯著(=5.016，partial=0.251，=0.011；表5)。簡單-簡單效應(yīng)分析和簡單效應(yīng)分析結(jié)果顯示，對(duì)不同刺激而言：左端腦、左中腦和右中腦在白噪聲刺激下的絕對(duì)功率譜均顯著小于洞內(nèi)鳴叫；對(duì)刺激前后而言：絕大部分腦區(qū)在白噪聲和洞內(nèi)鳴叫刺激前的絕對(duì)功率譜顯著小于刺激后；對(duì)不同腦區(qū)而言：整體而言，端腦最大、間腦次之、中腦最??；但左右端腦、左右間腦、左右中腦之間均無顯著差異(表6；圖5)。

表5 Alpha頻段絕對(duì)功率譜的ANOVA統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 Results of ANOVA for absolute power spectra of alpha band

表6 Alpha頻段絕對(duì)功率譜的簡單-簡單效應(yīng)分析結(jié)果Table 6 Results of simple-simple effects analysis for the absolute power spectra of alpha band

圖5 白噪聲和洞內(nèi)鳴叫刺激下不同腦區(qū)、不同時(shí)間(刺激前后)對(duì)應(yīng)的alpha頻段的絕對(duì)功率譜Fig. 5 Absolute power spectra of alpha band elicited in different brain regions before and after playbacks of white noise and inside call

2.4 Beta頻段

刺激類型(=5.761，partial=0.277，=0.030)、時(shí)間(=18.979，partial=0.559，=0.001)和腦區(qū)(=16.324，partial=0.521，<0.000 1)的主效應(yīng)均顯著；刺激與時(shí)間的交互作用顯著(=8.632，partial=0.365，=0.010)、時(shí)間與腦區(qū)的交互作用顯著(=8.305, partial=0.356，=0.001；表7)。簡單效應(yīng)分析結(jié)果顯示，對(duì)不同刺激而言：白噪聲刺激后的絕對(duì)功率譜顯著小于洞內(nèi)鳴叫；對(duì)刺激前后而言：白噪聲和洞內(nèi)鳴叫刺激前的絕對(duì)功率譜顯著小于刺激后；對(duì)不同腦區(qū)而言：腦區(qū)之間的差異具體表現(xiàn)為端腦最大、間腦次之、中腦最??；但左右端腦、左右間腦、左右中腦之間均無顯著差異(表8；圖6)。

表7 Beta頻段絕對(duì)功率譜的ANOVA統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 7 Results of ANOVA for absolute power spectra of beta band

表8 Beta頻段絕對(duì)功率譜的簡單效應(yīng)分析結(jié)果Table 8 Results of simple effects analysis for the absolute power spectra of beta band

圖6 白噪聲和洞內(nèi)鳴叫刺激下不同腦區(qū)、不同時(shí)間(刺激前后)對(duì)應(yīng)的beta頻段的絕對(duì)功率譜Fig. 6 Absolute power spectra of beta band elicited in different brain regions before and after playbacks of white noise and inside call

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，在播放白噪聲和洞內(nèi)鳴叫時(shí)，仙琴蛙EEG各頻段活動(dòng)均表現(xiàn)出刺激后大于刺激前，說明各頻段共同參與了仙琴蛙的聽覺感知過程；不同腦區(qū)對(duì)應(yīng)的各頻段活動(dòng)模式主要表現(xiàn)為端腦最大、間腦次之、中腦最小，說明仙琴蛙聽覺感知需全腦共同參與；洞內(nèi)鳴叫刺激下EEG各頻段的絕對(duì)功率譜強(qiáng)于白噪聲刺激，說明EEG各頻段活動(dòng)強(qiáng)度受到聲音刺激的生物學(xué)意義調(diào)制。

3.1 聲音刺激使EEG各頻段的活動(dòng)增加

注意、知覺、學(xué)習(xí)和記憶等認(rèn)知過程的基礎(chǔ)是EEG振蕩，這些認(rèn)知過程并非相互獨(dú)立，而是緊密相關(guān)的(Baar，2005)。因此，討論各頻段的認(rèn)知功能對(duì)于闡明聽覺感知的神經(jīng)機(jī)制具有重要意義。本研究發(fā)現(xiàn)仙琴蛙EEG各頻段在給予聲音刺激后均出現(xiàn)絕對(duì)功率譜增大的現(xiàn)象，這與EEG各頻段的認(rèn)知功能密切相關(guān)。

Delta頻段參與注意和刺激顯著性檢測(cè)等認(rèn)知過程(Knyazev，2007；Knyazev.，2009；Güntekin & Basar，2016)，在低等脊椎動(dòng)物的大腦活動(dòng)中占主導(dǎo)地位(Knyazev & Slobodskaya，2003)。本研究發(fā)現(xiàn)聲音刺激引起delta頻段活動(dòng)增加，說明其參與了仙琴蛙的聽覺感知過程。蛙類通過工作記憶保持對(duì)聲音信號(hào)的注意(Akre & Ryan，2010)，而記憶信息存儲(chǔ)在分布式theta網(wǎng)絡(luò)之中，并與大腦后部區(qū)域的傳入感覺痕跡相匹配(Sauseng.，2008)。同時(shí)，theta頻段與多種感覺共享注意和注意分配，如視聽整合，這也是theta頻段具有認(rèn)知控制功能的原因之一(Wang.，2016；Keller.，2017)。聲音刺激引起仙琴蛙theta頻段活動(dòng)增加，說明仙琴蛙可能與其他蛙類一樣，運(yùn)用工作記憶保持對(duì)聲音信號(hào)的注意(Akre & Ryan，2010)。傳統(tǒng)認(rèn)為alpha頻段表征大腦的空閑態(tài)，但最近研究發(fā)現(xiàn)，alpha頻段與注意的2個(gè)基本功能(抑制和選擇)密切相關(guān)，前者通過事件相關(guān)同步實(shí)現(xiàn)，后者通過事件相關(guān)去同步解除抑制實(shí)現(xiàn)(Klimesch.，2007；Klimesch，2012)；即alpha頻段表征大腦通過抑制與當(dāng)前任務(wù)不相關(guān)的認(rèn)知過程，提高大腦相關(guān)認(rèn)知任務(wù)的信號(hào)處理的皮層信噪比。本研究發(fā)現(xiàn)刺激后alpha功率增大可能也體現(xiàn)了alpha的抑制作用。Beta頻段活動(dòng)與刺激加工(Siniscalchi.，2013)和注意調(diào)節(jié)相關(guān)(Wrobel.，2007)，本研究發(fā)現(xiàn)beta頻段活動(dòng)增加，體現(xiàn)其頻段參與仙琴蛙的聽覺感知過程。

綜上可知，聲音刺激引起的EEG各頻段的絕對(duì)功率譜增大(即相關(guān)頻段的活動(dòng)增強(qiáng))，與刺激呈現(xiàn)時(shí)仙琴蛙需要調(diào)用注意等認(rèn)知資源處理相關(guān)信息匹配；同時(shí)與“同一頻段可能參與多種大腦功能的實(shí)現(xiàn)，同一大腦功能亦需多個(gè)頻段的共同參與”的結(jié)論一致(Sauseng & Klimesch，2008；Kim & Davis，2021)。

3.2 EEG各頻段的活動(dòng)強(qiáng)度受聲音信號(hào)的生物學(xué)意義調(diào)制

洞內(nèi)鳴叫刺激下的端腦、間腦、中腦的絕對(duì)功率譜比白噪聲刺激更大，反映了處于繁殖期的仙琴蛙在處理不同類型的聲音信息時(shí)會(huì)投入不同的認(rèn)知資源。在繁殖季節(jié)，雄性仙琴蛙通常發(fā)出廣告鳴叫與同種其他雄性個(gè)體競(jìng)爭(zhēng)并吸引雌性，雌性則根據(jù)雄性發(fā)出的廣告鳴叫，選擇最適雄性作為配偶(Cui.，2012)，因此廣告鳴叫對(duì)雌雄兩性的成功繁殖至關(guān)重要，這類繁殖相關(guān)信息需投入更多的認(rèn)知處理資源；而白噪聲在自然界中并不存在，不包含特定的生物學(xué)信息，仙琴蛙投入的認(rèn)知資源就會(huì)相對(duì)較少。本研究結(jié)果亦說明仙琴蛙能辨別 2類聲音，且EEG各頻段活動(dòng)強(qiáng)度受聲音信號(hào)的生物學(xué)意義調(diào)制，這與Xia等(2018)發(fā)現(xiàn)的仙琴蛙腦網(wǎng)絡(luò)受聲音信號(hào)的生物學(xué)意義調(diào)制的結(jié)論一致。無尾類的中腦存在響應(yīng)同種鳴叫中特定聲學(xué)特征的特異性神經(jīng)元(Feng.，1990；Gooler & Feng，1992；Edwards.，2008)和可能與調(diào)節(jié)聽覺處理有關(guān)的類固醇受體(Forlano.，2010)，而雌二醇可增強(qiáng)對(duì)聲音的聽覺反應(yīng)(Yovanof & Feng，1983)及同種鳴叫和其他聲音之間的聽覺差異性(Chakraborty & Burmeister，2015)。本研究采用繁殖期的仙琴蛙，其激素水平相對(duì)穩(wěn)定，中腦特異性神經(jīng)元的存在可解釋其繁殖期如何對(duì)繁殖信息投入更多的認(rèn)知資源。本研究并未發(fā)現(xiàn)大腦活動(dòng)的性別差異，說明在電生理層面，雌雄兩性對(duì)不同類型聲音(同種鳴叫和白噪聲)的處理過程存在相似性。

本研究發(fā)現(xiàn)EEG各頻段的絕對(duì)功率譜由端腦到間腦再到中腦依次減小；這可能與聽覺感知或電極布局相關(guān)。一方面，端腦、間腦和中腦共同參與了無尾類的聽覺感知。比如損毀紋狀體(位于端腦)和丘腦的淺層或深層結(jié)構(gòu)(位于間腦)損害無尾類的鳴叫識(shí)別，而中腦(包含半環(huán)隆枕)是無尾類聽覺感知的中樞，也是無尾類聽覺系統(tǒng)中首個(gè)基于聲音信號(hào)的時(shí)頻域信息進(jìn)行復(fù)雜特征檢測(cè)的腦區(qū)(Narins.，2006)；聲音信號(hào)中的“what”和“where”信息在半環(huán)隆枕中整合(Fang.，2015)，損毀半環(huán)隆枕嚴(yán)重影響無尾類的趨聲性行為，說明聽覺感覺階段(比如簡單刺激特征的識(shí)別和聲源定位)在中腦水平就基本完成(Wilczynski & Endepols，2006)；但對(duì)復(fù)雜聲音信號(hào)的處理(如同種鳴叫的識(shí)別與感知)需端腦參與(Yang.，2018)。本研究發(fā)現(xiàn)EEG各頻段的絕對(duì)功率譜表現(xiàn)為端腦最大、間腦次之、中腦最小，這可能在一定程度上也反映了仙琴蛙的聽覺感知需要全腦共同參與。另一方面，當(dāng)前結(jié)果可能與電極布局有關(guān)，本研究的參考電極位于小腦上方，端腦電極離參考電極最遠(yuǎn)，中腦電極離參考電極最近；由于EEG信號(hào)隨距離增加而衰減，因此對(duì)差分放大器而言，相同的信號(hào)在端腦采集會(huì)比在間腦和中腦采集時(shí)更大(由于電極數(shù)較少，不便于用平均參考或重參考)。同時(shí)，本研究通過分析仙琴蛙EEG各頻段絕對(duì)功率譜的變化，探討各頻段在仙琴蛙聽覺感知過程中的功能和大腦活動(dòng)在不同類型聲音之間的差異，但由于研究方法和技術(shù)條件的限制，未能揭示各頻段在聽覺感知過程中的確切功能及其對(duì)辨別不同類型聲音的具體作用，未來可以使用空間密度更大的電極采集聽覺感知相關(guān)核團(tuán)的局部場(chǎng)電位信號(hào)或采用事件相關(guān)電位中的Oddball實(shí)驗(yàn)范式，并結(jié)合行為學(xué)進(jìn)一步探討仙琴蛙聽覺感知過程中EEG各頻段的活動(dòng)特征與功能。