清醒狨猴听皮层神经网络对节律声刺激中时间信息的编码机制

In sound processing, time is an essential dimension of auditory signals as time must flow for sound to exist. How the brain processes temporal information remains a core question in auditory research as temporal information is crucial for perceiving and discriminating communication sounds such as human speech, animal vocalizations as well as music melody and rhythm. Auditory studies were traditionally carried out on anesthetized animals, under which neurons in the auditory cortex only exhibited transient (on/off set) responses rather than sustained responses. Therefore, it remains largely unknown that how the brain processes temporal information over the entire stimulation period. Recent studies in awake animals showed that auditory cortical neurons use temporal and rate coding to encode slow and fast changing time-varying stimuli respectively. As four neuron types were found in cortex in response to time-varying stimuli (synchronized, positive-monotonic and negative-monotonic non-synchronized as well as mixed response), how do they respond as a population to form perception to time-varying sound? What are their response properties cross different brain regions and cortical layers? What are the connections among different types of neuron? What’s mechanisms underlying transformation from temporal to rate coding? To answer these questions, we will use multi-channel extracellular recording technique, combined with focal electrical stimulation at the recording sites to study the mechanisms of cortical temporal coding schemes to time-varying stimuli at population level from the auditory cortex of awake marmosets.

时间是声音信号的基本维度，大脑如何对声音中时间信息进行编码是当今听觉研究的核心问题。近年来研究发现：清醒动物的听皮层对慢节律的声音产生相位锁定于声音刺激节律的同步化反应而对快节律的声音产生放电率随声音节律变化的非同步化反应。由此，听皮层神经元分为四类：同步化，正单调和负单调非同步化以及混合型反应神经元。目前，我们对该四类神经元的工作机制和神经网络连接知之甚少。本项目以清醒狨猴为研究对象，拟采用多通道细胞外记录、电刺激并结合数学建模等方法来研究（1）听皮层对节律声刺激反应的四类神经元的区域和深度分布特征以及功能连接，（2）听皮层从时间编码到发放频率编码的转变轨迹以及转变的神经机制，（3）四类神经元如何协同合作编码特定节律声刺激，尤其两类非同步化神经元在群体水平如何实现对节律声的编码？（4）听皮层对声音频率和时间编码的相关性。该研究将在神经网络水平揭示听皮层对声音中时间信号编码的奥秘。

听觉是人类感知和认识周围世界以及进行信息交流的重要途径。声音在不同时间尺度上携带了大量信息，声音的基本特征，如频率和强度等，随着时间时刻变化。大脑如何处理声音中时间信息是听觉研究的核心问题。大体来讲，清醒动物的听皮层对慢节律的声音产生神经元放电同步于声音刺激的相位锁定同步化反应，而对快节律的声音产生放电率随声音节律变化的非同步化反应。进一步细分的话，听皮层神经元分为四类：正单调同步化反应，负单调同步化反应，正单调非同步化反应和负单调非同步化反应。这四类神经元的神经网络连接和功能机制目前知之甚少。本项目研究了清醒狨猴听皮层，听觉丘脑和听觉中脑神经元对节律声刺激反应的四类神经元的分布特征以及功能连接；并通过可逆地快速地冷冻失活听皮层的方法研究了清醒狨猴听皮层对听觉中脑和听觉丘脑编码快慢变化的节律声刺激的调控机制。我们惊喜地首次发现：听觉中脑也存在跟听皮层类似的四类神经元来编码快慢变化的节律声刺激，这一发现刷新了之前我们对听觉系统编码节律声刺激的认识。之前的研究表明：只有皮层神经元采用放电率随着节律声刺激正向和反向变化的两类神经元，而听觉中脑只存在正单调非同步化神经元。我们在丘脑（内膝体）和中脑（下丘）中均发现了类似于听皮层对节律声进行编码的多样化正反向编码方式。另外，我们建立了冷冻失活清醒狨猴听皮层的方法，并证明了听觉中脑对节律声刺激的编码并不是听皮层对听觉下丘反馈控制的结果。同时，.我们发现冷冻听皮层对內膝体神经元的听反应有很强的调控作用。丘脑非同步化神经元的反应在皮层失活后消失，表明丘脑非同步化神经元的反应可能源于听皮层的下行调控。综上所述，我们在听皮层，听觉丘脑，听觉下丘研究了听觉神经元对快慢变化的节律声的调控，并证明对听觉皮层对丘脑和中脑有不同的反馈调控作用。该研究将在神经网络水平揭示听觉系统对声音中时间信号编码的奥秘。