Cereb Cortex︱高利霞/李新建团队揭示清醒狨猴丘脑对声音信息的编码受到听觉皮层的选择性调控
撰文︱王晓会，高利霞，李新建
责编︱王思珍
编辑︱杨彬伟
我们生活的环境中充满来自不同方位不同声源的各种各样的声音，从嘈杂的环境中快速准确地提取有效的声音信息对于哺乳动物的生存及生活至关重要[1]。许多研究发现，在复杂的声学环境中检测目标声音主要是通过上行和下行听觉通路的相互作用来实现的[2]。
大量研究表明皮质-丘脑下行通路对听觉信息流具有重要的调控作用[3-5]。之前的研究大都集中在麻醉动物或者清醒蝙蝠上，众所周知，麻醉会一定程度上抑制听觉皮层的功能[4]，而蝙蝠的听觉系统又比较特殊，故皮质-丘脑下行投射是否以及如何调节清醒动物的听觉信息处理目前仍然不清楚[2, 6, 7]。此外，以前的大多数工作主要研究皮质-丘脑环路对听觉丘脑频率调谐特性的影响，很少关注听皮层对丘脑神经元编码的自发活动及清醒动物特有的持续听觉反应（sustained response）的影响。持续反应对于时间信息的处理（temporal processing）尤其是对语音和音乐处理尤其重要[8, 9]，但皮质丘脑调节对持续反应的影响仍然未知。
2022年7月18日，浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所/浙江大学附属第二医院高利霞和李新建团队在Cerebral Cortex上发表了题为“Selective corticofugal modulation on sound processing in auditory thalamus of awake marmosets”的文章，揭示了皮质-丘脑环路对于清醒狨猴内侧膝状体（MGB）神经元处理声音信息具有选择性调控作用。该研究发现失活初级听皮层使大多数MGB神经元的听觉反应频率选择性降低，同时自发放电率增加，导致了丘脑对声音信息处理过程中的信噪比降低，并且初级听皮层（A1）对于MGB神经元的持续听觉反应有重要调控作用。
在此工作中，作者通过在清醒狨猴的初级听皮层放置冷冻环，进行可逆地失活初级听皮层，然后通过单通道记录的方法，研究听觉皮质-丘脑环路对MGB神经元听觉反应的调控作用。其中，初级听皮层的位置通过神经元对于纯音反应的拓扑结构和反应特性等来确定。在冷冻过程中，作者可以使用与脑表面接触的温度传感器来检测初级听皮层的温度变化（图 1B），并在听皮层进行神经信号的记录，来确认冷冻失活的有效性。研究发现当温度降至 3°C时，冷冻环下方及相邻区域神经元的神经放电活动消失（图 1C），远离冷冻环的神经元活动并不受影响（图 1D）。确定了A1可以被有效可逆性失活后，作者进一步分析了失活A1时MGB神经元的自发放电活动和声音诱发反应的变化。结果表明A1失活选择性减弱了MGB 神经元对于最佳频率声音刺激的诱发反应（图 1G&l），然而增强了MGB神经元的自发放电（图 1H&J）。
图1 冷冻方法的失活效果验证以及失活初级听皮层对MGB神经元反应的影响
（图源：Wang, Zhang et al., Cerebral Cortex,2022）
基于以上结果，作者进一步分析了失活A1对于MGB神经元对声音编码的信噪比的变化。分析发现当A1失活时，MGB单个神经元对于声音刺激的诱发反应，特别是最佳频率诱发反应明显降低，但同一神经元的自发反应明显增加（图 2A-D），故失活听皮层，丘脑神经元对声音编码的信噪比明显降低。统计发现，47.4%的MGB神经元对于最佳频率刺激的诱发反应降低，56.9%的神经元自发反应增加。这两种变化导致了MGB神经元编码声音刺激的信噪比降低（图 2H和2J）。以上结果表明在清醒狨猴中，A1失活降低了MGB神经元的听觉诱发反应，同时增加了MGB神经元的自发活动，因此皮质-丘脑反馈回路可增加MGB神经元对声刺激反应的信噪比，这有利于在复杂声音环境中对目标声音的检测。
图2 初级听皮层的失活降低了MGB神经元的信噪比
（图源：Wang, Zhang et al., Cerebral Cortex,2022）
除了研究皮质-丘脑投射对MGB神经元编码声音刺激的信噪比的影响，作者还探究了皮质-丘脑投射对MGB神经元对其他声学特性的调控（图3A-C），结果表明皮质-丘脑反馈调控效果随声刺激的特征（如频率、声强）而变化（图 3 D, E , F）。此外，作者也分析了皮质-丘脑反馈对MGB神经元编码调幅音和不同声强白噪音刺激的影响,并分析了不同参数变化和信噪比变化的相关性（图 3H-J）。以上结果表明，皮质-丘脑环路对丘脑神经元的调控和声音刺激的特征相关。
图3 初级听觉皮层调节MGB神经元的诱发反应依赖于刺激特征
（图源：Wang, Zhang et al., Cerebral Cortex,2022）
由于丘脑对声音的持续反应是清醒动物特有的，并且皮层对其的调控作用鲜有研究。此工作中作者把MGB神经元对声音的反应分为起始反应（onset response）和持续反应（sustained response）分别进行分析。结果表明。A1改变了MGB神经元对于最佳频率声音刺激的反应，可以导致持续反应的显著变化（图4 A-B, E-F）。此外作者也分析了MGB神经元持续反应和起始反应的频率响应曲线在失活A1前后的变化（图4 C, D, G, H）。
这些数据表明皮质-丘脑环路对MGB神经元持续反应和起始反应具有不同的调控作用，对于不同频率的声音刺激的影响也有巨大差别，最佳频率受到的影响相对更大。作者在神经元群体水平进行了进一步验证。当失活A1时，起始反应和持续反应都会降低放电率（图5 A, B）。然而，起始反应减少的神经元比例低于持续反应减少的比例（图5 C），表明初级听皮层的失活对MGB神经元的持续反应影响更大。类似地，更多的MGB神经元降低了对最佳频率的反应（图5 D）。以上结果表明，和声音的起始反应相比，皮质-丘脑环路对MGB神经元的持续反应调控更为明显；和其他频率声音刺激相比，对于最佳频率的声音刺激的调控更为明显。
图4 初级听觉皮层调节MGB神经元的频率调谐曲线
（图源：Wang, Zhang et al., Cerebral Cortex,2022）
图5 初级听觉皮层失活引起的MGB神经元的反应变化的定量分析
（图引自：Wang, Zhang et al., Cerebral Cortex,2022）
由于狨猴的MGB由四个不同的亚核团组成，作者进一步探究了对于不同的亚区，皮质-丘脑反馈调节影响是否不同，本文的研究表明此环路对MGB亚核团的调控没有明显差异（图6）。
图6 皮质丘脑反馈调节对于MGB的不同亚区的影响
（图源：Wang, Zhang et al., Cerebral Cortex,2022）
原文链接：https://doi.org/10.1093/cercor/bhac278
论文通讯作者为浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所/浙二医院的高利霞研究员和李新建研究员，特别感谢Anna Wang Roe教授在写作方面的帮助。本研究得到国家自然科学基金、国家科技创新2030重大计划、浙江省自然科学基金和教育部脑科学与脑机集成前沿科学中心等项目的资助。
高利霞教授（左），李新建教授（右）
（照片提供自：高利霞实验室和李新建实验室）
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参考文献（上下滑动阅读）
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[2] Nuñez, A. and E. Malmierca, Corticofugal modulation of sensory information. (0301-5556 (Print)).
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本文完