史艷莉 張聯(lián) 摘譯

1 武漢輕工大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)與護(hù)理學(xué)院(武漢 430026)

大腦皮層是匯聚和整合各種感覺信息的主要樞紐，例如，聲音信號(hào)(聽覺域)和言語的嘴唇運(yùn)動(dòng)(視覺域)的整合，從根本上影響語言的感知。以往認(rèn)為，信息加工處理的最早階段是單一的模態(tài)，即只對(duì)某一種感覺刺激做出反應(yīng)。近期研究發(fā)現(xiàn)，視覺、聽覺和運(yùn)動(dòng)感覺皮層的初級(jí)腦區(qū)均能接收和整合來自其他感官系統(tǒng)的信息。Kayser等在對(duì)獼猴研究中發(fā)現(xiàn)，配有光閃刺激的聲音出現(xiàn)時(shí)，聽覺皮層(auditory cortex，ACtx)核心區(qū)和周邊區(qū)域?qū)β曇舻纳窠?jīng)反應(yīng)被視覺刺激進(jìn)行了加工處理。目前，對(duì)于視覺反應(yīng)神經(jīng)元的刺激偏好和皮層分布雖然仍知之甚少，但這類信息對(duì)于了解這些反應(yīng)在聽覺處理中的作用卻是至關(guān)重要。本研究通過對(duì)小鼠清醒狀態(tài)下聽覺和視覺皮層的電生理記錄，旨在明確小鼠聽覺皮層(ACtx)是否及如何對(duì)視覺刺激做出的反應(yīng)。

本研究采用6～12周Ntsr1-CreJ基因敲除小鼠19只進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)分五步進(jìn)行。首先，采用線性探針對(duì)清醒小鼠進(jìn)行實(shí)時(shí)的細(xì)胞外記錄，明確小鼠ACtx神經(jīng)元是能同時(shí)傳導(dǎo)聽覺和視覺刺激;隨后，采用探針電極位點(diǎn)與切面圖融合，探究小鼠ACtx對(duì)視覺反應(yīng)發(fā)生的皮質(zhì)層次;第三步，為了研究ACtx初級(jí)腦區(qū)和次級(jí)腦區(qū)的視覺反應(yīng)特征，進(jìn)行數(shù)據(jù)重建和分析;第四步，通過對(duì)聽覺和視覺皮層的視覺反應(yīng)潛伏期的記錄，了解視覺皮層(visual cortex，VCtx)和ACtx對(duì)視覺刺激處理的時(shí)差效應(yīng)；最后，為了驗(yàn)證ACtx的視覺反應(yīng)是否同樣攜帶視覺場(chǎng)景的特定信息，對(duì)1 s移動(dòng)光柵刺激的反應(yīng)時(shí)間和放電率進(jìn)行了比較。

結(jié)果顯示在不同實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，給予小鼠100 ms的不同頻率和衰減的純音刺激，或150 ms黑色背景下白色方塊光柵刺激后，觀察MU(multiunit unit,MU)和SU(single unit,SU)的情況，結(jié)果MU和SU均存在視覺刺激反應(yīng)電位，說明小鼠ACtx能同時(shí)傳導(dǎo)聽覺和視覺刺激。

通過繪制探針電極位點(diǎn)到大腦熒光染色的IDi-I切面圖，來確定視覺反應(yīng)電極部位的皮層深度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MU和SU視覺反應(yīng)大部分發(fā)生在L6(layer six, L6)中，其余的發(fā)生在L5(layer five, L5)；并且視覺反應(yīng)均發(fā)生在距邊緣≤200 μm處。

與主要區(qū)域相比，在感覺皮層的次要區(qū)域或“高階”區(qū)域更容易觀察到多感覺整合的神經(jīng)特征。視覺反應(yīng)主要位點(diǎn)存在于小鼠腦圖譜上的ACtx初級(jí)腦區(qū),但次級(jí)位點(diǎn)的最佳頻率(best frequency,BF)在接近64 kHz的位置，視覺反應(yīng)更顯著。表明視覺MU反應(yīng)更傾向于次級(jí)位點(diǎn)和初級(jí)高頻調(diào)諧位點(diǎn)及多個(gè)聽覺BF位點(diǎn)。

初級(jí)ACtx的MU視覺反應(yīng)明顯早于次級(jí)腦區(qū)(P<0.05)。使用與刺激ACtx相同強(qiáng)度的閃光刺激清醒小鼠記錄VCtx參數(shù)，結(jié)果顯示VCtx和ACtx的視覺反應(yīng)潛伏期沒有顯著差異。盡管VCtx位點(diǎn)分布范圍更廣，但VCtx在視覺閃光刺激到達(dá)ACtx之前就開始對(duì)視覺刺激進(jìn)行了加工處理。

視覺皮層加工的標(biāo)志是將神經(jīng)元輻射到特定方向的邊緣。在對(duì)ACtx記錄時(shí)，通過全屏呈現(xiàn)1 s移動(dòng)光柵，在SU的視覺反應(yīng)中記錄到強(qiáng)烈反應(yīng)，且ACtx存在中度的調(diào)諧。移動(dòng)光柵反應(yīng)顯示VCtx具有較高的定向選擇性，但在ACtx僅有弱調(diào)諧單位。表明ACtx的視覺反應(yīng)不攜帶視覺方向信息，只有視覺刺激的時(shí)間信息。

本研究為了明確小鼠ACtx是否對(duì)視覺刺激做出反應(yīng)，讓清醒的小鼠接受視覺和聽覺刺激，同時(shí)從聽覺或視覺皮層進(jìn)行單模態(tài)實(shí)時(shí)記錄。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，初級(jí)和次級(jí)ACtx在沒有聲音的情況下，通過光閃和移動(dòng)光柵刺激可以直接激活SU和MU。這些反應(yīng)除了大部分在L6，還有部分在L5；并且ACtx視覺反應(yīng)位點(diǎn)的潛伏期比VCtx的長(zhǎng)，針對(duì)移動(dòng)光柵僅僅呈現(xiàn)較弱調(diào)諧。該結(jié)果表明，皮質(zhì)深層可能是小鼠多種感覺整合的位點(diǎn)。

Banks等采用神經(jīng)示蹤法研究發(fā)現(xiàn)，小鼠初級(jí)ACtx接受VCtx的投射，并且V2的神經(jīng)元主要投射到L1和L6。由此可見，視覺信號(hào)通過視覺皮層V2M和V2L的單突觸連接到小鼠ACtx的深層，引起刺激反應(yīng)有潛在的解剖學(xué)途徑。盡管本研究中并沒觀察到L1視覺反應(yīng)性細(xì)胞，但在初級(jí)和次級(jí)ACtx投射到L5和L2或L3的錐體細(xì)胞中觀察到較多的L1樹突棘。視覺信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)ACtx的感覺刺激反應(yīng)的同時(shí)，聯(lián)合皮層的其他區(qū)域也會(huì)發(fā)送反饋投射來調(diào)節(jié)ACtx的信息加工。這就可以比較清楚地解釋為何在看電影時(shí)，同時(shí)看字幕、聽聲音能更好地理解劇情，發(fā)現(xiàn)細(xì)節(jié)信息。Bizley等用單個(gè)神經(jīng)元電活動(dòng)記錄，發(fā)現(xiàn)視覺刺激會(huì)影響麻醉的雪貂聽皮層神經(jīng)元活動(dòng)，當(dāng)它們同時(shí)受到視覺和聽覺刺激時(shí)，會(huì)以棘波的形式接受比單一模態(tài)刺激時(shí)更多的信息。本實(shí)驗(yàn)在清醒動(dòng)物身上實(shí)時(shí)記錄聽覺和視覺皮層的電生理變化，不僅避免麻醉狀態(tài)下被抑制的反應(yīng)，而且在對(duì)反應(yīng)定向調(diào)諧的研究中發(fā)現(xiàn)，視覺反應(yīng)在次級(jí)ACtx中更為明顯。

本研究通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了視覺、聽覺和運(yùn)動(dòng)感覺皮層的初級(jí)腦區(qū)均能夠接收和整合來自其他感覺模態(tài)的信息，對(duì)傳統(tǒng)的“信息加工的最早階段是單模態(tài)的，即僅對(duì)一種感覺模態(tài)做出反應(yīng)"的經(jīng)典理論提出質(zhì)疑。將熒光細(xì)胞標(biāo)記、光遺傳學(xué)和化學(xué)遺傳學(xué)的方法運(yùn)用于多種感覺整合的研究, 將有助于闡明整合交叉模式信號(hào)的微環(huán)路。

(摘譯自：Morrill RJ, Hasenstaub AR.Visual information present in infragranular layers of mouse auditory cortex[J].J Neurosci，2018，38(11):2854-2862.)