宋長(zhǎng)寶，趙 巖，柏 林

南方醫(yī)科大學(xué)1生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院數(shù)學(xué)物理系，2基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)教研室，廣東 廣州 510515

自然界聲音信號(hào)常伴隨著無序多變的背景噪聲，如何從復(fù)雜的聲環(huán)境中甄別具有生物意義的信息并對(duì)其加以處理、利用是聽覺感知的重要任務(wù)之一。聲環(huán)境中存在的背景噪聲是如何影響我們的聽覺感知的？聽覺系統(tǒng)如何保持對(duì)目標(biāo)聲信號(hào)的聽覺表征？對(duì)人類的聽覺任務(wù)研究表明，連續(xù)的背景噪聲會(huì)降低人類聽覺行為測(cè)試的辨別能力［1-5］，長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度的噪音會(huì)損傷聽覺感知，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致短暫或永久性聽力損失［6,7］。另一些研究則表明［8-12］，某些背景噪聲能夠提高聽覺系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)能力。因此，背景噪聲對(duì)聽覺感知的影響是雙向的，信號(hào)源和噪聲強(qiáng)度的匹配程度可能是影響因素之一。

既往的神經(jīng)電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，高強(qiáng)度噪聲對(duì)聽覺中樞神經(jīng)元的目標(biāo)聲反應(yīng)往往表現(xiàn)為抑制，如閾值上移、動(dòng)作電位數(shù)減少或電位幅度減小等［13-17］。我們前期在麻醉大鼠初級(jí)聽皮層（A1）上進(jìn)行的研究提出線性閾值平移模型，噪聲背景相當(dāng)于降低了聲刺激的有效強(qiáng)度，聽覺神經(jīng)元對(duì)聲音基本信息的表征是通過聲強(qiáng)閾值的線性平移來進(jìn)行，其平移值與背景噪聲水平相關(guān)［14］。即使在聽覺中樞的核心區(qū)域內(nèi)，對(duì)噪聲環(huán)境中的信號(hào)處理也具有顯著的多樣性。隨著信噪比（SNR）的降低，噪聲的加入抑制了松鼠猴聽皮層某些核心部位對(duì)于調(diào)頻聲（FM）的反應(yīng)，但聽皮層的另一些區(qū)域?qū)η熬奥暣碳さ谋碚魅匀槐３址€(wěn)定，甚至在特定SNR時(shí)顯著增強(qiáng)。研究者認(rèn)為這些聽皮層區(qū)存在特定的神經(jīng)元群，在背景噪聲中處理前景信號(hào)的方式不同，可能有助于復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境中的信號(hào)表征和辨別［18］。另有學(xué)者報(bào)道聽皮層神經(jīng)元采用差別增益控制模型來保持其對(duì)新刺激的有效應(yīng)答，即聽覺神經(jīng)元能根據(jù)噪聲環(huán)境中新舊刺激的差別，主動(dòng)調(diào)節(jié)自身增益，以獲取更好的敏感性［19-21］。

上述對(duì)于聽覺中樞的電生理學(xué)研究［13-17,19-21］多以麻醉動(dòng)物為研究對(duì)象，且多為多單位細(xì)胞外記錄［13,15-20］，或采取多單位記錄后經(jīng)數(shù)學(xué)擬合的模式進(jìn)行分析［19］。隨著多導(dǎo)電極埋置技術(shù)的發(fā)展，近年來在清醒動(dòng)物聽覺中樞進(jìn)行的多單位記錄時(shí)有報(bào)道，如Christensen等［11］對(duì)清醒小鼠聽皮層、Malon等［18］對(duì)清醒松鼠猴聽皮層的研究。對(duì)清醒動(dòng)物進(jìn)行在體單神經(jīng)元記錄難度大，少有研究采用單細(xì)胞貼附式記錄探查噪聲背景下清醒動(dòng)物聽覺中樞神經(jīng)元的聲信號(hào)處理特征。此外，噪聲環(huán)境中聽覺時(shí)間反應(yīng)特性方面的研究較多集中于以人為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的聽覺誘發(fā)電位的延時(shí)變化［22,23］，在聽皮層的多單位記錄證實(shí)神經(jīng)元群體的聽反應(yīng)延時(shí)隨噪聲強(qiáng)度增加而延長(zhǎng)［24］，關(guān)于背景噪聲對(duì)聽覺中樞單神經(jīng)元時(shí)間調(diào)諧的影響尚未見報(bào)道。本研究擬以清醒活動(dòng)小鼠為主體，采用細(xì)胞貼附式記錄技術(shù)，通過記錄電極與A1單神經(jīng)元之間形成松散封接，設(shè)計(jì)多樣化聲刺激序列，從聲強(qiáng)調(diào)諧、頻率調(diào)諧和時(shí)間調(diào)諧特性3方面分析背景噪聲對(duì)清醒動(dòng)物A1單神經(jīng)元聽覺響應(yīng)的影響，以期更全面地了解清醒狀態(tài)下聽覺中樞對(duì)噪聲背景中目標(biāo)聲的處理方式，為復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境中聽覺感知的中樞機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

實(shí)驗(yàn)在6～8周的清醒狀態(tài)C57BL/6小鼠上進(jìn)行。所有的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)手術(shù)程序都遵循南方醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物使用委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 手術(shù)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)前，動(dòng)物用戊巴比妥鈉麻醉，并使用溫控系統(tǒng)使動(dòng)物體溫維持在37 ℃，用立體定位儀固定，保持耳朵自由。麻醉完全后用牙科水泥將一個(gè)長(zhǎng)約1.5 cm的平頭金屬釘粘合在顱骨前部正中位置，再將小鼠固定到屏蔽室的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，在立體顯微鏡下小鼠右側(cè)初級(jí)聽皮層經(jīng)手術(shù)開顱（直徑0.5～2 mm）暴露，同側(cè)（右）耳道堵塞。在手術(shù)和記錄過程中，暴露的皮質(zhì)由恒溫人工腦脊液（ASCF；單位mmol/L:NaCl，132 mmol/L；NaHCO3，20 mmol/L；ΚCl，2.5 mmol/L；NaH2PO4，1.2 mmol/L；MgSO4，1.1 mmol/L；CaCl2，2 mmol/L；Hepes，3 mmol/L；葡萄糖15 mmol/L）保持濕潤(rùn)。

1.3 聲音刺激

聲音波形由自編的Labview 程序合成，通過NI數(shù)據(jù)采集卡輸出（PCI-4052E，NI），采用自由場(chǎng)喇叭（ES1）發(fā)聲。喇叭被放置在小鼠左側(cè)耳10 cm處。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)置5種聲刺激序列。

1.3.1 頻率-聲強(qiáng)序列 所有神經(jīng)元以短純音序列（頻率2～64 kHz，1/10 octave遞增；0～70 dB聲壓級(jí)，10 dB遞增；穩(wěn)態(tài)時(shí)長(zhǎng)50 ms）掃描5遍以獲取單神經(jīng)元的聲音感受野（TRF），初步確定該神經(jīng)元的特征頻率（CF）和最低閾值（mTh）。

1.3.2 持續(xù)寬帶噪聲序列 所有神經(jīng)元給予持續(xù)寬帶白噪聲（頻率范圍1～32 kHz；0～48 dB聲壓級(jí)，12 dB遞增；時(shí)長(zhǎng)10 s），重復(fù)5遍，檢測(cè)單神經(jīng)元對(duì)不同強(qiáng)度持續(xù)噪聲的反應(yīng)情況。

1.3.3 聲強(qiáng)-噪聲強(qiáng)度序列 短純音（頻率為CF；0～90 dB聲壓級(jí)，10 dB遞增；穩(wěn)態(tài)時(shí)長(zhǎng)50 ms）與不同強(qiáng)度背景噪聲（頻率范圍1～32 kHz；0～48 dB聲壓級(jí)，12 dB遞增，時(shí)長(zhǎng)50 ms）經(jīng)TDT 3混合，重復(fù)5遍。

1.3.4 頻率-噪聲強(qiáng)度序列 短純音（頻率2～64 kHz，1/10 octave遞增；60 dB聲壓級(jí)；穩(wěn)態(tài)時(shí)長(zhǎng)50 ms）與不同強(qiáng)度背景噪聲（同1.3.3）經(jīng)TDT 3混合，重復(fù)5遍。

1.3.5 延時(shí)-噪聲強(qiáng)度序列 短純音（頻率為CF，聲強(qiáng)為mTh+20 dB聲壓級(jí)，穩(wěn)態(tài)時(shí)長(zhǎng)50 ms）與不同強(qiáng)度背景噪聲（同1.3.3）經(jīng)TDT 3混合，重復(fù)20遍。

1.4 電生理記錄

電聲理實(shí)驗(yàn)在聽覺屏蔽室中進(jìn)行。采用細(xì)胞外貼附式記錄法，記錄皮層下400～700 μm（聽覺皮層第四層和第五層淺表）的神經(jīng)元，記錄用電極（P-97拉制，尖端直徑1～2 μm，電阻1～9 MΩ），電極內(nèi)液為ACSF（同1.2）。記錄信號(hào)（采樣率為20 kHz，濾波2 kHz）經(jīng)過200B放大器（Axon Instruments）放大及信號(hào)轉(zhuǎn)換，通過MATLAB軟件提取數(shù)據(jù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

通過自寫Matlab程序讀取每個(gè)聲刺激下響應(yīng)的動(dòng)作電位發(fā)放數(shù)、延時(shí)及波形等數(shù)據(jù)。采用Matlab、OriginPro及Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和作圖。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所有記錄到的神經(jīng)元需完成1.3.1和1.3.2聲序列掃描才納入后續(xù)記錄。由于清醒動(dòng)物在體單神經(jīng)元記錄難以長(zhǎng)時(shí)間維持，根據(jù)每個(gè)神經(jīng)元的聲強(qiáng)響應(yīng)特征和后續(xù)3種聲序列掃描完成情況，將神經(jīng)元分為4組：?jiǎn)握{(diào)性-聲強(qiáng)組20例，非單調(diào)性-聲強(qiáng)組6例，單調(diào)性-頻率組25例，單調(diào)性-延時(shí)組15例。

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，正態(tài)分布計(jì)量資料資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，不同強(qiáng)度噪聲組和0 dB組比較采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，兩組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，觀察兩組計(jì)量資料的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)性分析，并進(jìn)行線性回歸，求得相關(guān)系數(shù)、斜率和R2值。P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 基本情況

采用細(xì)胞貼附式記錄技術(shù)共記錄清醒小鼠A1神經(jīng)元44例，封接電阻平均為45±13.5 MΩ。記錄位置為皮層下400～700 μm，相當(dāng)于小鼠聽覺皮層第四層和第五層淺表，根據(jù)動(dòng)作電位波形特點(diǎn)（動(dòng)作電位峰/谷值小于1，且峰-谷時(shí)間＞0.4 ms），這44例神經(jīng)元均為錐體神經(jīng)元。根據(jù)神經(jīng)元對(duì)聲強(qiáng)的反應(yīng)特點(diǎn)，將興奮性神經(jīng)元分為單調(diào)性和非單調(diào)性兩類：?jiǎn)握{(diào)性神經(jīng)元的放電率隨聲強(qiáng)增大而增加；非單調(diào)性神經(jīng)元在某一聲強(qiáng)時(shí)放電率達(dá)到最大，當(dāng)聲強(qiáng)超過一定限度時(shí)，神經(jīng)元放電率反而逐漸減小。44例神經(jīng)元均進(jìn)行1.3.1聲刺激序列掃描和1.3.2持續(xù)噪聲掃描，以獲取單個(gè)神經(jīng)元的基本聲響應(yīng)特征以及對(duì)持續(xù)背景噪聲的響應(yīng)特點(diǎn)。單調(diào)性神經(jīng)元38例，其中20例神經(jīng)元完成了1.3.3聲序列掃描，25例神經(jīng)元完成了1.3.4 聲序列掃描，15 例神經(jīng)元完成了1.3.5聲序列掃描；非單調(diào)性神經(jīng)元6例，完成了1.3.3聲序列掃描。

2.2 持續(xù)噪聲下清醒小鼠A1神經(jīng)元的背景發(fā)放率

結(jié)果顯示A1聽神經(jīng)元僅在給予噪聲刺激后10～40 ms內(nèi)出現(xiàn)瞬態(tài)的尖峰響應(yīng)（圖1A），不同強(qiáng)度的持續(xù)噪聲對(duì)44例神經(jīng)元的發(fā)放率無影響（圖1B，C）。

圖1 A1神經(jīng)元對(duì)連續(xù)噪聲刺激的背景發(fā)放率Fig.1 Background firing rate of A1 neurons in response to continuous noise stimuli.A:The firing PSTH diagram of the sample neuron to continuous noise shows that A1 neurons only have transient spike response within 50 ms after noise stimulation onset (5 repeats).B:Background firing rate (the number of action potentials/time within 10-40 ms after the noise onset)of the sample neuron under continuous noise of different intensities.C:Based on the firing rate of neurons under 0 dB noise intensity,the firing rates of 44 neurons to different noise intensities are normalized.The gray line represents a single neuron and the red line represents Mean±SD(the same below).The background noise intensity has no significant effect on the firing rate of neurons(P=0.12,12 dB vs 0 dB;P=0.09,24 dB vs 0 dB;P=0.08,36 dB vs 0 dB;P=0.12,48 dB vs 0 dB).

2.3 噪聲背景對(duì)清醒小鼠A1神經(jīng)元聲強(qiáng)調(diào)諧特征的影響

圖2A、3A分別為1例單調(diào)性神經(jīng)元和1例非單調(diào)性神經(jīng)元的聲強(qiáng)調(diào)諧范圍和發(fā)放強(qiáng)度變化的示例圖。不管神經(jīng)元的聲強(qiáng)調(diào)諧是否表現(xiàn)為單調(diào)性，PSTH和偽彩圖均顯示：當(dāng)背景噪聲增加到一定強(qiáng)度時(shí)，隨噪聲加大，神經(jīng)元對(duì)目標(biāo)聲的探測(cè)閾值增高，聲強(qiáng)響應(yīng)范圍縮小，發(fā)放率減小（圖2A～C、3A～C）。對(duì)閾值改變10%以上的點(diǎn)進(jìn)行線性回歸，求出神經(jīng)元的聲強(qiáng)閾值隨背景噪聲變化的斜率（slope），R2值和P值。圖2D、3D分別顯示20例單調(diào)性神經(jīng)元和6例非單調(diào)性神經(jīng)元的閾值變化趨勢(shì)，所有細(xì)胞的R2值均＞0.90（P＜0.05），表明閾值變化與背景噪聲強(qiáng)度改變有良好的線性關(guān)系。我們用閾值線性變化的斜率來表示噪聲水平對(duì)神經(jīng)元聲強(qiáng)響應(yīng)的影響程度，圖3F顯示，神經(jīng)元群體斜率的差異較大，而單調(diào)性和非單調(diào)性神經(jīng)元之間的閾值變化斜率未表現(xiàn)出顯著性差異。我們還觀察了非單調(diào)性神經(jīng)元的閾值變化和最佳聲強(qiáng)（指單一頻率純音刺激時(shí)，引起神經(jīng)元發(fā)放率最高的聲強(qiáng)）變化之間的關(guān)系。圖3E顯示6例非單調(diào)性神經(jīng)元最佳聲強(qiáng)隨背景噪聲增強(qiáng)也逐漸增大，同樣經(jīng)線性擬合獲得最佳聲強(qiáng)隨背景噪聲變化的斜率。以同一神經(jīng)元閾值變化斜率為橫坐標(biāo)，最佳聲強(qiáng)變化斜率為縱坐標(biāo)做散點(diǎn)圖并進(jìn)行線性擬合，結(jié)果顯示：背景噪聲水平改變時(shí)，A1非單調(diào)性神經(jīng)元最佳聲強(qiáng)的變化趨勢(shì)與聲強(qiáng)響應(yīng)閾值的變化趨勢(shì)呈正相關(guān)（圖3G），擬合系數(shù)略小于1。

圖2 不同背景噪音條件下單調(diào)性神經(jīng)元聲強(qiáng)調(diào)諧特征的變化Fig.2 Intensity tuning of monotonic neurons for tones in different background noises.A:Effects of different noise levels on intensity response range and firing rate of the example monotonic neuron.B:The threshold of the sample neuron to target stimulation increases with the increase of background noise intensity.C:The firing rate of the sample neuron to target acoustic stimulation decreases as the background noise increases.D:Effect of background noise levels on threshold of sound intensity response of 20 monotonic neurons (paired-sample t-test,*P=0.03,**P=0.006,***P＜0.001, vs 0 dB).E:Effect of background noise on normalized firing rate of monotonic neuronal population(paired-sample t-test,P=0.17,12 dB vs 0 dB;P=0.06,24 dB vs 0 dB;***P＜0.001,vs 0 dB）.

2.4 背景噪聲對(duì)清醒小鼠A1神經(jīng)元頻率調(diào)諧特征的影響

圖4A～D為1例神經(jīng)元的頻率調(diào)諧范圍、最佳頻率（BF，指單一強(qiáng)度純音刺激時(shí)，引起神經(jīng)元發(fā)放最強(qiáng)的頻率）、頻率響應(yīng)帶寬（BW）和發(fā)放強(qiáng)度變化的示例圖。當(dāng)背景噪聲增加到一定強(qiáng)度時(shí)，隨噪聲強(qiáng)度加大，神經(jīng)元對(duì)目標(biāo)聲的頻率響應(yīng)范圍縮?。▓D4A、C），平均發(fā)放率減少（圖4D），而最佳頻率BF基本不變（圖4B）。BF近似于特征頻率CF，可表征聽覺神經(jīng)元的頻率選擇性，以同一神經(jīng)元在0dB噪聲環(huán)境中的BF為橫坐標(biāo)，其他噪聲強(qiáng)度下的BF為縱坐標(biāo)，做散點(diǎn)圖并進(jìn)行線性回歸（圖3E），斜率為0.984，R2=0.986（P＜0.001），與我們前期在麻醉動(dòng)物上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，噪聲強(qiáng)度并不影響清醒小鼠A1神經(jīng)元對(duì)短純音響應(yīng)的頻率選擇性。將不同噪聲強(qiáng)度下神經(jīng)元頻率響應(yīng)帶寬BW及平均發(fā)放率按照0dB噪聲背景下的數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，顯示BW和平均發(fā)放率隨噪聲強(qiáng)度增大而逐漸減小。在不同強(qiáng)度的噪聲背景中，A1聽覺神經(jīng)元表現(xiàn)出目標(biāo)聲頻率響應(yīng)范圍的縮小和響應(yīng)強(qiáng)度的降低，而神經(jīng)元的頻率選擇性保持恒定。

圖3 不同背景噪音條件下非單調(diào)性神經(jīng)元聲強(qiáng)調(diào)諧特征的變化Fig.3 Intensity tuning of nonmonotonic neuron for tones in different background noises.A:Effect of background noise level on intensity response range and firing rate of the example nonmonotonic neuron.B:The threshold of the sample neuron to target acoustic stimulation increases with the increase of background noise level.C:The best intensity of the neuron increases along with the elevation of the background noise.D:Effect of noise level on the threshold of the intensity response of 6 non-monotonic neurons(P=0.76,24 dB vs 0 dB;*P=0.005,**P=0.001,vs 0 dB).E:Effect of noise level on the best intensity of nonmonotonic neurons (paired-sample t-test,*P=0.004,**P=0.003,***P=0.001, vs 0 dB).F:There was no significant difference in the slope distribution of threshold changes between monotonic and non-monotonic neurons (independent-sample t-test, P=0.70).G:The best intensity of nonmonotonic neurons shows a positive correlation with the change of threshold (correlation coefficient 0.944,slope=0.899,R2=0.890,P＜0.001).

圖4 不同強(qiáng)度噪音背景下神經(jīng)元頻率調(diào)諧特征的變化Fig.4 Frequency tuning of A1 neurons for tones in different background noises.A:Influence of background noise level on the frequency response bandwidth and firing intensity of the sample neuron.B:The noise intensity has no significant effect on the BF of the sample neuron.C:The BW of frequency tuning of the example cell decreases with the increase of background noise intensity.D:The firing rate decreases along with the enhancement of background noise.E:The noise level has no significant effect on the BF of 25 neurons(slope=0.984,R2=0.986,P＜0.001).F:An increased background noise compresses the normalized frequency bandwidth of the neuron (*P＜0.001, vs 0 dB).G:Normalized firing rate of the neuron group decreases with the increase of noise level(P=0.18,12 dB vs 0 dB;*P＜0.001,vs 0 dB).

2.5 背景噪聲對(duì)A1神經(jīng)元聽覺反應(yīng)時(shí)間及精確性的影響

圖5A為示例神經(jīng)元在不同背景噪聲強(qiáng)度下響應(yīng)的動(dòng)作電位散點(diǎn)圖。隨著背景噪聲強(qiáng)度的增加，神經(jīng)元發(fā)生響應(yīng)的FSL也隨之增大（圖5B），15例神經(jīng)元表現(xiàn)出同樣的變化趨勢(shì)（圖5D）。我們又進(jìn)一步對(duì)FSL的Jitter值（表征神經(jīng)元對(duì)同一聲刺激發(fā)生響應(yīng)的時(shí)間精確性）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在不同背景噪聲條件下，F(xiàn)SL的Jitter值基本不變。

圖5 不同背景噪音條件下聽覺響應(yīng)延時(shí)及精確性的變化Fig.5 First spike latency and jitter of A1 neurons for tones in different background noises.A:The response scatter of the sample neuron to the target tone under different noise background.The black dot represents the first action potential.B:The FSL of the sample neuron increases with the enhancement of background noise.C:The jitter of FSL showed no significant change along with the elevation of background noise intensity.D:The FSL of 15 cases to target stimulation are prolonged with the increase of background noise(*P=0.001,**P=0.002,***P＜0.001,vs 0 dB).E:The background noise intensity has no significant effects on the jitter of group(paired-sample t-test,P=0.58,P=0.86,P=0.06,P=0.32,vs 0 dB).

3 討論

在噪聲環(huán)境中，低強(qiáng)度的信號(hào)很難被檢測(cè)到的，尤其是當(dāng)噪聲的強(qiáng)度接近我們辨識(shí)的閾值時(shí)，這是心理聲學(xué)中的掩蔽現(xiàn)象［3,25,26］。早期研究描述了聽覺通路各中樞神經(jīng)元在背景噪聲下的電生理特性，這些研究大多是采用多單位記錄技術(shù)進(jìn)行神經(jīng)元群體水平上的研究。Rabinowitz等［19］通過對(duì)噪聲環(huán)境中麻醉貓聽皮層神經(jīng)元的多單位記錄結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，提出差別增益控制模型，該模型并未實(shí)際檢測(cè)不同噪聲背景中單神經(jīng)元對(duì)目標(biāo)聲反應(yīng)特性的變化，因此缺乏直接證據(jù)證明聽覺中樞神經(jīng)元確實(shí)存在主動(dòng)的增益調(diào)節(jié)。我們?cè)谇捌趯?shí)驗(yàn)中，采用貼附式記錄來探究背景噪聲對(duì)麻醉大鼠初聽皮層單神經(jīng)元聲響應(yīng)特征的影響，提出閾值平移模型［14］：聽覺神經(jīng)元對(duì)某種包含特定意義（如頻率信息）的聲信號(hào)的響應(yīng)是其固有特性，背景噪聲的加入改變了目標(biāo)聲信號(hào)的有效物理強(qiáng)度，使神經(jīng)元對(duì)聲信號(hào)的反應(yīng)閾值增大，相應(yīng)的感受野整體上調(diào)，但神經(jīng)元不改變其特定的功能選擇性，對(duì)閾值上相等聲強(qiáng)的目標(biāo)聲，其反應(yīng)特性如頻響帶寬、反應(yīng)強(qiáng)度等也保持相應(yīng)水平，提示噪聲背景中的聽覺中樞單神經(jīng)元并沒有出現(xiàn)主動(dòng)的增益調(diào)節(jié)。本研究旨在前期麻醉動(dòng)物結(jié)論的基礎(chǔ)上探查清醒小鼠聽皮層單神經(jīng)元在持續(xù)噪聲環(huán)境中聽覺響應(yīng)的頻率、聲強(qiáng)和時(shí)間特征，探討復(fù)雜聲環(huán)境中聽覺中樞神經(jīng)元對(duì)聲信號(hào)表征的基本工作機(jī)制，是否存在主動(dòng)的增益調(diào)節(jié)，為聽覺系統(tǒng)的信號(hào)識(shí)別機(jī)制提供理論證據(jù)。

受清醒動(dòng)物在體單神經(jīng)元記錄時(shí)長(zhǎng)所限，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的寬帶白噪聲集中于中低強(qiáng)度（0～48 dB），是人群日常生活和工作環(huán)境中的常見噪聲強(qiáng)度。結(jié)果表明，持續(xù)噪聲背景中清醒動(dòng)物聽皮層單神經(jīng)元處理目標(biāo)聲的方式與麻醉動(dòng)物類似，較小的噪聲強(qiáng)度不引起閾值改變或只產(chǎn)生極小變化；背景噪聲超過某一水平后，閾值偏移與噪聲強(qiáng)度間呈高度線性相關(guān)。這種變化趨勢(shì)同樣表現(xiàn)在A1非單調(diào)性神經(jīng)元，其閾值也隨噪聲強(qiáng)度增大表現(xiàn)出線性升高。閾值隨噪聲強(qiáng)度變化的趨勢(shì)呈現(xiàn)出神經(jīng)元之間的差異性，但A1單調(diào)性和非單調(diào)性神經(jīng)元閾值變化的斜率分布未見明顯差異，表明背景噪聲強(qiáng)度對(duì)聽覺神經(jīng)元聲強(qiáng)調(diào)諧特征的影響是一致的，都是基于噪聲背景中目標(biāo)聲有效強(qiáng)度的變化而產(chǎn)生相應(yīng)改變。早期研究發(fā)現(xiàn)［27］，噪聲強(qiáng)度每增加1 dB，豚鼠下丘中央核神經(jīng)元的聲強(qiáng)反應(yīng)范圍就向高強(qiáng)度方向偏移0.97 dB，且這種變化趨勢(shì)與神經(jīng)元種類（單調(diào)或非單調(diào)）無關(guān)。貓下丘中央核和初級(jí)聽皮層的研究也證實(shí)了這種線性變化規(guī)律［15-17,28］。因此，噪聲背景下聽覺神經(jīng)元的聲強(qiáng)反應(yīng)特征在閾值增大的基礎(chǔ)上發(fā)生線性推移可能是整個(gè)聽覺系統(tǒng)的基本處理方式。不同的是，低位聽覺中樞如下丘神經(jīng)元，受背景噪聲影響的聲強(qiáng)反應(yīng)區(qū)的推移幅度可能直接反映噪聲對(duì)目標(biāo)聲強(qiáng)度的削減效應(yīng)（斜率接近1），而A1神經(jīng)元的閾值和聲強(qiáng)反應(yīng)區(qū)的偏移系數(shù)則表現(xiàn)出更大的差異化（斜率0.25～1.75），這可能歸因于聽皮層內(nèi)復(fù)雜的環(huán)路聯(lián)系，尤其是抑制性纖維的廣泛分布，使得神經(jīng)元的突觸后總和出現(xiàn)明顯的差異。Teschner等［24］在麻醉大鼠聽皮層上進(jìn)行的多單位記錄顯示，高強(qiáng)度噪聲（40～85 dB）表現(xiàn)出對(duì)神經(jīng)元反應(yīng)更大程度的壓抑，因此背景噪聲對(duì)神經(jīng)元群體反應(yīng)的影響無法用單一的閾值平移模型進(jìn)行擬合。對(duì)于噪聲環(huán)境中清醒動(dòng)物聽覺中樞單神經(jīng)元的聲強(qiáng)調(diào)諧特征，還需要設(shè)置更寬泛的噪聲強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步探查。

另一方面，非單調(diào)神經(jīng)元對(duì)聲強(qiáng)的調(diào)諧可能出現(xiàn)改變。雖然非單調(diào)性神經(jīng)元的最佳聲強(qiáng)隨著閾值變化也發(fā)生相應(yīng)的增大，其最佳感受區(qū)向高聲強(qiáng)方向偏移，但最佳聲強(qiáng)的偏移斜率略小于閾值的偏移幅度，意味著非單調(diào)神經(jīng)元的工作范圍被壓縮，影響聽覺系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)聲低聲強(qiáng)部分的編碼，造成低聲強(qiáng)信號(hào)的感覺缺失。當(dāng)背景噪聲強(qiáng)度過高時(shí)，非單調(diào)神經(jīng)元工作范圍的偏移過大，可能使非單調(diào)神經(jīng)元由閉合型轉(zhuǎn)變?yōu)閱握{(diào)性響應(yīng)的Ⅴ型感受野，即改變了該類神經(jīng)元的聲強(qiáng)調(diào)諧特征。有研究認(rèn)為［17］，背景噪聲的加入可以移動(dòng)聲強(qiáng)選擇性神經(jīng)元的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，但基本不改變神經(jīng)元的聲強(qiáng)響應(yīng)特征，這可能是由于連續(xù)噪聲對(duì)形成非單調(diào)性的興奮性和抑制性輸入具有相同程度的影響。而我們?cè)谇捌趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，背景噪聲對(duì)興奮性和抑制性神經(jīng)元閾值變化斜率的影響可能不一致［14］。因此，有必要采用在體全細(xì)胞記錄技術(shù)探查聽覺神經(jīng)元在噪聲背景中對(duì)目標(biāo)聲刺激發(fā)生響應(yīng)時(shí)的突觸前輸入，以明確聽覺中樞在處理聲強(qiáng)信息時(shí)的突觸整合情況。

聽覺神經(jīng)元對(duì)純音的頻率選擇性是聲反應(yīng)的基本特征之一。與麻醉動(dòng)物中的研究相似，背景噪聲的增強(qiáng)，強(qiáng)烈壓縮了A1聽覺神經(jīng)元的頻率響應(yīng)范圍，但并不影響神經(jīng)元的最佳響應(yīng)頻率。背景噪聲的加入，使得神經(jīng)元的頻響范圍縮小，從而表現(xiàn)出更尖銳的頻率選擇性，有利于噪聲環(huán)境中對(duì)特殊頻率的辨別，Christensen等［11］在清醒小鼠A1進(jìn)行多電極細(xì)胞外記錄的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。另一方面，當(dāng)環(huán)境過于嘈雜時(shí)，過高的背景噪聲強(qiáng)度掩蔽了前景聲信號(hào)，導(dǎo)致神經(jīng)元只對(duì)圍繞最佳響應(yīng)頻率的少數(shù)頻段有響應(yīng)，頻段之間的疊加減小，可能削弱聽覺中樞對(duì)某些頻率的響應(yīng)甚至造成缺失，必然會(huì)影響噪聲環(huán)境中的復(fù)雜聲信號(hào)如語言的辨識(shí)感知。

動(dòng)作電位發(fā)放時(shí)間是聽覺中樞編碼的可能機(jī)制之一。早期研究即已表明［29,30］，在單個(gè)神經(jīng)元中，動(dòng)作電位的時(shí)間特性作為信息載體，尤其是第一個(gè)動(dòng)作電位延時(shí)FSL，可以忠實(shí)地表征聲強(qiáng)，表現(xiàn)在神經(jīng)元對(duì)同一個(gè)目標(biāo)聲刺激發(fā)生反應(yīng)的延時(shí)非常穩(wěn)定，其標(biāo)準(zhǔn)差（又稱為FSL的jitter）往往只有零點(diǎn)幾毫秒，變異系數(shù)非常小，這意味著更高的聲刺激分辨能力。我們的研究認(rèn)為，動(dòng)作電位延時(shí)可作為聽覺中樞神經(jīng)元通過不同通路處理不同頻率聲刺激信息時(shí)的指標(biāo)［31］。關(guān)于噪聲環(huán)境中聽覺中樞的時(shí)間反應(yīng)特性方面的報(bào)道較少，Teschner等研究［24］顯示當(dāng)SNR減小時(shí)，聽皮層神經(jīng)元群體的動(dòng)作電位延時(shí)隨之增大，但SNR的改變對(duì)延時(shí)隨目標(biāo)聲強(qiáng)度增大而減小的斜率沒有顯著影響，提示目標(biāo)信號(hào)聲強(qiáng)和SNR對(duì)于延時(shí)來說是相對(duì)獨(dú)立的影響因素。我們的結(jié)果證實(shí)，固定前景聲的頻率（CF）及聲強(qiáng)（閾上20 dB）不變，隨著背景噪聲強(qiáng)度的增加，SNR相應(yīng)減小，清醒小鼠A1單神經(jīng)元的FSL隨之延長(zhǎng)，而FSL的jitter值基本保持不變，提示背景噪聲增大時(shí)，盡管A1神經(jīng)元的響應(yīng)時(shí)間出現(xiàn)延長(zhǎng)，但對(duì)于相同目標(biāo)聲刺激，其動(dòng)作電位發(fā)放時(shí)間的精確性不發(fā)生變化，表明延時(shí)的改變是基于背景噪聲引起的閾值增大，仍然能忠實(shí)地反映閾值偏移后的實(shí)際目標(biāo)聲強(qiáng)。

綜上，我們通過在體細(xì)胞貼附記錄探查了清醒小鼠單個(gè)聽皮層神經(jīng)元對(duì)噪聲背景中目標(biāo)聲響應(yīng)的聲強(qiáng)調(diào)諧和頻率調(diào)諧，進(jìn)一步證實(shí)了我們前期在麻醉動(dòng)物上得到的閾值平移模型，即背景噪聲通過削減目標(biāo)聲信號(hào)的有效聲強(qiáng)，導(dǎo)致神經(jīng)元聲響應(yīng)閾值增大，在此基礎(chǔ)上發(fā)生神經(jīng)元頻率-聲強(qiáng)感受范圍向高聲強(qiáng)方向偏移。這種平移使得神經(jīng)元對(duì)于低聲強(qiáng)信號(hào)失去感知能力，同時(shí)神經(jīng)元頻率選擇性更尖銳，一方面有利于嘈雜環(huán)境中對(duì)重要聲信號(hào)的探查，另一方面會(huì)損害中樞對(duì)復(fù)雜語言中細(xì)微變化的辨識(shí)。我們還觀察了背景噪聲下聽皮層神經(jīng)元的時(shí)間響應(yīng)特性，F(xiàn)SL隨噪聲強(qiáng)度增大而延長(zhǎng)，表明聽神經(jīng)元時(shí)間特性的變化也是基于聲信號(hào)有效強(qiáng)度的減小，而聽覺反應(yīng)時(shí)間精確程度不會(huì)受到背景噪聲的影響，這為我們探究復(fù)雜環(huán)境中聽覺信號(hào)的識(shí)別機(jī)制提供了一定的理論基礎(chǔ)。