Cell Reports | 听觉皮层通过不同区域环路可并行处理声音的开始与结束

来源：BioArt

听觉皮层 (Auditory Cortex) 最基本的组织原则是其tonotopic梯度【1】，它将声音中的频谱信息转化为空间信息，进而被下游神经元读出。这个组织原则是通过播放纯音而测得的，但在现实生活中，频谱不随时间变化的声音是极为少见的。正因如此，听觉系统演化为能够对声音中的动态信息进行编码，无论是在时域还是频域。于是要理解听觉系统，尤其是听觉皮层，除去静态的频谱信息，更重要的是研究这些动态信息的编码是否具有系统性的结构。

在声音的动态信息中，声音的开始和停止 (sound onset/offset) 在听觉场景分析 (auditory scene analysis) 中具有重要作用。例如，人类语言和动物发声具有谐波结构，其中频谱在基频的整数倍处具有多个峰值。然而，我们将这些谐波成分归为相同的“听觉物件” (auditory object) ，其中重要线索之一即这些谐波结构拥有相同的开始和结束的时间。然而，有关听觉系统对sound offset的组织原则的研究则很少。

2019年4月16日，美国马里兰大学Patrick Kanold实验室的研究生Ji Liu等人在 Cell Reports 发表了题为 Parallel Processing of Sound Dynamics across Mouse Auditory Cortex via Spatially Patterned Thalamic Inputs and Distinct Areal Intracortical Circuits 的研究，系统地探寻了小鼠听觉皮层是如何对sound offset进行编码的。

为此，作者利用光学方法在宏观和微观尺度上对GCaMP6s活性进行成像。GCaMP6s的荧光信号反映了神经元的电活动。实验过程中，清醒小鼠的头部被固定，神经元活动通过一个3毫米颅窗来成像。声音刺激包括不同频率和声强的纯音，时长2秒，以充分区分对声音开始和结束的响应 (On-response, On-R; Off-response, Off-R) 。首先，单光子广域成像 (widefield imaging) 显示所有听觉脑区都显示出Off-R，并且Off-R具有类似On-R的tonotopic梯度。这具体反映在随着纯音频率的增高，Off-R激活的区域出现系统性的位移。虽然Off-R和On-R的tonotopic梯度有极大的重叠，Off-R激活了更大区域，尤其是在初级听觉皮层 (A1) 的背侧。这些结果表明，On-R和Off-R潜在的神经回路结构可能有所不同。

为了进一步分析widefield图像，作者开发了一种基于Autoencoder【2】的图像分割技术 (image segmentation) 。该技术运用了一个三层的简单神经网络，能够基于像素随时间的共变而将图像分割成局部的感兴趣区 (Region of Interest, ROI) 。该技术基于无监督学习，从而无需提前知晓皮层的功能区分。这对于小鼠widefield imaging的图像分割尤其重要，因为小鼠皮层没有沟回结构，不能通过这些结构定义功能区。运用这项技术，作者发现不同的听觉皮层区域对于On-R和Off-R有不同的选择性，这进一步显示了不同听觉区域可以通过其对于On-R和Off-R的选择性来定义。例如，对于高声强，A1中Off-R响应强烈，而在Anterior Auditory Field (AAF) 和secondary auditory cortex (A2) 中则相反。这意味着不同听觉区域存在着不同的On-R和Off-R回路。

作者进一步研究了不同听觉区域细胞尺度上的On-R和Off-R结构。发现有两个非重叠的神经元群体对纯音的开始和结束响应，而对开始和结束都响应的神经元较为罕见。此外，作者使用Granger Causality (GC) 分析了神经元之前的功能连接 (functional connectivity) ，并揭示了On-R和Off-R的网络结构的不同主要在于网络的尺寸，并且这些网络在空间上互相交织。同时，不同听觉区域On-R和Off-R的网络大小也不同，并与widefield结果相一致。这些结果表明在皮层中声音的开始和结束是由两个并行的网络来处理的。

听觉皮层接收来自丘脑的输入，丘脑的输入结构可能确定了On/Off-R的空间构成。之前的研究显示A1中的On-R和Off-R是由不同的突触介导的，即介导On-R的突触不介导Off-R，反之亦然【3】。因此，作者在内侧膝状体 (Medial Geniculate Body, MGB) 中表达GCaMP6s，并在A1对丘脑轴突终端进行成像。这些终端同样显示出了On-R和Off-R的分离，但程度低于A1皮质神经元。这表明A1的神经回路在丘脑的基础上进一步对Off-R进行了放大，同时促进了On-R和Off-R的分离。

最后，作者研究了皮质中两种抑制性神经元 (Parvalbumin+, PV; Somatostatin+, SOM) 对声音开始和结束的编码。这两种类型的抑制性神经元在纯音开始后显示出非典型的On-R，体现在荧光信号的变化速度比兴奋性神经元更慢上。值得注意的是，PV神经元主要显示出抑制，而SOM神经元主要显示出正向的反应，并且它们的反应在时间尺度上大致匹配，表明在纯音呈现期间SOM神经元对PV神经元有抑制作用。该回路可以帮助放大Off-R，因为SOM神经元介导的抑制性突触电位很可能在声音结束后有短暂的持续，从而减少了PV 神经元对兴奋性神经元的抑制，使得其对声音结束的响应更加强烈。

总而言之，该研究系统地研究了多个空间尺度上的Off-R的组织原则。研究显示这些组织结构很大可能起源于丘脑，同时皮层神经元通过对于丘脑输入进行不同程度的聚敛来实现对声音开始和结束的并行处理。皮层中的抑制性神经元也可能进一步参与了对Off-R的放大。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.03.069 

制版人：珂

参考文献

1. Merzenich, M. M., Knight, P. L., & Roth, G. L. (1975). Representation of cochlea within primary auditory cortex in the cat. Journal of neurophysiology, 38(2), 231-249.

2. Whiteway, M. R., & Butts, D. A. (2016). Revealing unobserved factors underlying cortical activity with a rectified latent variable model applied to neural population recordings. Journal of neurophysiology, 117(3), 919-936.

3. Scholl, B., Gao, X., & Wehr, M. (2010). Nonoverlapping sets of synapses drive on responses and off responses in auditory cortex. Neuron, 65(3), 412-421.