研究揭示大腦聽覺形成機制

日期：2010-10-20 16:48:01

眾所周知，人類能夠獲得聽力是基于選擇性地聽取一定頻率范圍的聲音。大腦的“聽力中心”聽覺皮層中的神經元通常聚集在一起對特定頻率的聲音產生反應。然而科學家們對于復雜的神經元網絡準確地對聲音做出反應的具體機制仍然不清楚。

現在由冷泉港實驗室神經科學計劃的負責人Anthony Zador教授領導的科研小組朝揭示這一謎底邁進了一步。科學家們試圖通過研究聽覺皮層中神經元之間的功能聯系了解聽力形成的機制。最新的論文發表在《自然神經科學》（Nature Neuroscience ）網絡版上。

“我們希望通過這種方式了解聽覺皮層產生應答反應的機制，”Zador說。

聽覺皮層的神經元組織方式不同于大腦視皮層和感覺皮層。在視覺形成過程中，視網膜上的感光受體可直接將信號傳遞到大腦的視皮質形成二維“視網膜定位”圖像。然而在聽覺系統，耳蝸內的聽覺受體的組成方式則是一維的。靠近耳蝸外緣的受體可識別低頻率的聲音，而靠近耳蝸內的受體則對高頻率的聲音比較敏感。耳蝸中這種由低到高不同部分與不同聲音頻率的一種規則的對應關系稱之為“頻率拓撲”。耳蝸的頻率拓撲特征使得神經元將高低頻率的聲音以梯度形式傳遞至聽覺皮層形成一維信號。

“人類視覺和感覺器官獲得是二維信號，而聽覺皮層獲取的聲音則是一維信號。這表明兩種皮層定位機制存在功能上的差異。然而現在還沒有人能夠理解產生差異的具體機制。”Zador說。

為了解答這個問題，Zador和博士后研究員Hysell Oviedo將小鼠大腦分別沿著拓撲軸線或呈垂直方向切片，對制成的切片進行神經元活性比較。

為了精確刺激切片上單個神經元并對其進行記錄，Oviedo和 Zador與曾任職于冷泉港實驗室的科學家Karel Svoboda和Ingrid Bureau合作，利用光刺激掃描系統獲得了詳細的高分辨率的圖譜。

“當我們在視皮質中進行該實驗時，我們發到無論采取哪種切片方式其神經元的連接方式都是一致的。然而在聽覺皮層切片上，沿拓撲軸線切片與垂直切片相比較神經元的連接有著質的差別。”Oviedo說。

1962年諾貝爾生理醫學獎頒給了澳大利亞科學家伯納德卡茨，因其證實了中樞神經系統視皮質中的對同一信號產生反應的神經元常呈簇狀聚集在同一個柱狀結構內，稱為皮層功能柱。視皮質上的神經元通常只與同一柱狀結構內的其他神經元發生相互作用。科學家們曾認為聽覺皮質中的神經元同樣聚集形成一個柱狀結構傳遞相同頻率的信號。然而出于意料的是，科學家們發現事實并非如此。

“我們第一個證實聽覺皮質的神經元組織方式并不是柱狀結構方式。接下來我們的研究重點將是基于這種神經網絡對聽覺功能進行研究，”Zador說道。