在复杂声学环境下听皮层和下丘对目标声频率信息的编码

Human and animals often detect and discriminate meaningful auditory target information in complex acoustic environments, however, the correlated neural mechanisms are not fully understood. In the present proposal, using electro-neurophysiological method, we investigate how the responses of neurons in the auditory cortex and inferior colliculus to preferred and non-preferred stimuli in the frequency-level response areas vary dynamically with the change of complex acoustical environments. We study the synaptic mechanism that neurons in the auditory cortex and inferior colliculus encode the frequency information of a target sound in complex acoustic environments，and the related neurotransmitters and receptors that involve in this process. The similarity and differences in neural and synaptic coding mechanism when encoding auditory target information in complex acoustic environments will be compared between auditory cortex and inferior colliculus. Using behavioral and electrophysiolgical methods, we also study how attention impact the neural coding of frequency information of target sound in background noise conditions in the auditory cortex. These studies will provide experimental evidences and theoretic basis on our understanding on how the brain extracts auditory target information in complex acoustic environments.

人和动物经常从复杂声学环境中探测和分辨有意义的目标声信息，然而与之相关的神经机理尚未完全阐明。本项目用神经电生理学方法，研究听皮层和下丘听神经元对其频率-强度反应域内偏好声刺激和非偏好声刺激的反应随声学环境的变化而动态变化的规律；研究听皮层和下丘听神经元在复杂声学环境下对目标声频率信息编码的突触机制、参与的神经递质和受体；比较听皮层和下丘神经元在复杂声学环境下对目标声频率信息编码机制的异同；用行为学和电生理学相结合的方法，研究注意对听皮层神经元在噪声环境下编码目标声频率信息的影响及相关的神经机理。这些研究将为我们进一步理解脑从复杂声学环境中提取目标声信息的原理提供实验依据和理论依据。

我们用电生理学方法和前掩蔽声刺激模式，研究了在动态变化的声环境中大鼠听皮层和下丘听神经元的频率-强度反应域（frequency-level response area, FLRA）的动态变化规律。结果发现，与在安静条件下测量的听神经元的FLRA相比，超前声对FLRA中的听反应有抑制作用，并可使听神经元的FLRA缩小。这种抑制性影响随超前声强度的增加而增强，随超前声和探针声的间隔时间的延长而减弱。当超前声的频率与听神经元的特征频率相同或接近时，超前声FLRA的抑制性影响最强。此外，在下丘，当超前声的空间方位与探针声的空间方位一致时，超前声对听神经元FLRA的抑制性影响最强。超前声对听皮层和下丘神经元的FLRA内偏好声刺激和非偏好声刺激的反应的影响是非线性的：大多数神经元对偏好声刺激的反应受超前声的影响较小，而对非偏好声刺激的反应受超前声的影响较大。这种抑制性影响的非线性特征有利于听神经元在嘈杂的声环境下保持对偏好声刺激频率编码的相对稳定，有利于群体神经元对目标声刺激频率的编码。在经过长期的声刺激频率分辨的行为训练后，听皮层调谐于目标声刺激频率的神经元的比例增加，并且调谐于目标声刺激频率的神经元在初级听皮层所占的区域也增大。听皮层神经元对序列声刺激中经常出现的声刺激频率的反应比新异声刺激频率的反应小，这种对声刺激频率的刺激特异性适应可以维持听皮层对新异声刺激频率的敏感性。听皮层神经元对声刺激频率的刺激特异性适应在后天有一个发育过程，但可被出生后听觉发育时期的噪声环境而削弱。本项目的研究结果有利于我们理解在复杂声学环境下听觉中枢对目标声刺激频率信息的处理机制。