前言：听觉是人体一项非常重要的感觉功能。听觉功能包括两个部分,一是声音的感知过程,即感知声音的存在;二是判断出声音所携带的生物学信息,即声音的认知过程。如果声音的感知过程出现了障碍,就无法感受声音的存在;如果声音的认知过程出现了问题,就无法理解声音刺激的意义。　　 多年来,听觉神经科学相关的研究大多集中于对声音感知机制过程的探索,而对于声音认知行为过程大脑皮质神经机制的研究还很少见。传统的研究动物皮层功能的方法一般是将动物全身麻醉后,实施手术,暴露颅骨并打孔,将微电极插入皮层相关区域,记录大脑皮层相关区域神经元的放电活动。通过研究神经细胞对各种声音的反应情况,来探讨声音在脑内的表达及传递机制。由于没有结合动物行为学方面的实验,因此,关于对声音认知的中枢机制还所知甚少。近年来,已有研究报道在动物完全清醒的条件下,记录听觉皮质神经细胞的电活动。利用这一技术可以发现许多在麻醉动物观察不到的听觉神经机制,目前这一技术已经逐渐成为国际上听觉皮质研究的主要手段。但是通常在实验时动物必须被固定在实验台上,被动地感受声音刺激,并没有观察动物根据接收到的声音信息做出主动的行为反应。在这种条件下,我们仍然不知道动物是否真正能够识别不同声音,以及其识别能力如何,这些神经生理学实验结果还不能用来恰当地解释声音认知行为。解决这一问题的关键在于,如何实现在同一动物个体上即做电生理记录,又进行听觉心理实验。正如美国的Cohen等最近提出的“直接研究神经元电活动和动物听觉行为反应的相关性是声音认知研究未来发展的一个重要方向”。　　 调频和调幅是声音两个最基本的变量参数,正因为声音有着调频和调幅的性质,才有不同的声音出现,包含着不同的信息。因此,有关调频、调幅音认知方面的研究是当今心理行为学以及听觉神经科学研究的重点。　　 本研究是将动物大脑皮层神经元反应情况与其行为学观察结合起来进行研究,旨在揭示动物听觉认知功能的神经机制。研究采用训练猫对不同的调频音或调幅音认知并做出相应的行为学反应,在此基础上,记录听觉皮层神经元放电,研究其反应规律。本研究的意义在于力图回答大脑为什么能够听懂调频与调幅音信息并做出相应的反应,即认知行为的神经机制这一神经科学命题。其成果不但对听觉神经科学的发展具有重要的理论意义,还将有助于为寻找感觉性失语症等听觉语言相关疾病的康复治疗方法提供实验依据。　　 方法：　　 1、心理行为学训练：整个动物的心理行为学训练均在隔音屏蔽室内进行,采用给声摄食的条件刺激进行听觉刺激的识别,猫禁食2-7天,体重减轻至原体重的80％时,即开始行为学训练,训练在计算机软件的控制下,通过数模转换器向发声器传递发声信息,一对校准喇叭放在行为学训练笼的外面,喇叭距离猫双耳25cm左右。屏蔽室内放置监视器监控猫的位置及活动。猫首先通过训练听到声音后反射性的舔金属给食管,电脑感应到猫前来舔食后发出给食指令,给食泵随即推出一滴液体食物。经过约一周的训练,猫能够形成较为稳定的条件反射。然后,训练猫区分调频或调幅音。　　 (1)调频音的训练条件：调频音的频率范围是128-16,128 Hz,持续时间为160ms,声音开始/结束时的上升/下降时间为5ms。调频音每次刺激由3部分组成,前一部分总是持续160ms的升调(upward FM-sweeps,简称U stimuli),中间为250ms的时间间隔,最后为持续160ms的升调或降调(downward FM-sweeps,简称D stimuli)。当受试猫在听到先升后降调的刺激(UD stimuli),即靶刺激时,舔给食管给食;在两个都为升调的刺激(UU stimuli),即非靶刺激时,不给食。因此,猫会有四种表现,即UD刺激时舔给食管(hit)、UU刺激时不舔给食管(correct reiect)、UU刺激时错误地舔管(false alarm)和UD刺激时错失机会(miss)。在本实验中,UU和UD刺激是等概率随机给出的,每100次测试组成一个测试组。一般情况下,猫每天可以完成2-4个测试组的训练。直到猫经过1-2月(约5000-6000次刺激)的训练能够得到较为稳定的行为学表现为止。　　 (2)调幅音的训练条件：调幅音包括声音逐渐增大的Ramp音和声音逐渐减小的Damp音,Ramp音的幅度是从零开始随时间线性增大至声音结束,而Damp音恰恰相反。其中两个时间间隔为250ms的Ramp音为靶刺激音,而两个时间间隔为250ms的Damp音为非靶刺激音。最初选择4kHz的调幅音,持续时间为160ms,待猫学会4kHz调幅音的区分后,改变刺激频率(1k,2k,8k,16k)进行上述训练,直到猫能够稳定的识别刺激持续时间为160ms的调幅音为止。　　 2、心理行为学测试：在猫学会区分持续时间为160ms的调频音(d值大于2)之后,用160,80,40,20,10ms五种持续时间不同的声音随机刺激,记录测试结果。在猫学会刺激频率为4kHz,持续时间为160ms的Damp/Ramp音的识别后,用80,40,20,10,5,2.5ms六种持续时间进行检测;用同样的方法,改变刺激频率,分别采用1k,2k,8k,16kHz进行上述测试,记录检测结果。　　 3、初级听觉皮质神经元放电的记录：将饱食后的猫装在一个大小合适的棉口袋里,通过埋植在头顶的固定金属块固定,在A1区域,用牙科钻在颅骨打孔(直径0.5-1mm),金属电极刺破硬脑膜,远程控制的微操作推进器将单个树脂绝缘的钨微细电极插入大脑皮层。用128-16,000Hz之间各种声音强度的短纯音刺激了解电极记录的神经元的特征频率,然后采用上述测试条件的调频、调幅音刺激,记录实验结果。每天记录神经元3-5个小时,共持续记录2-6个月。记录期间,在猫的前面放一个摄像镜头以监视猫的状态。如果猫在舒适的体位收听声音刺激,可以保存记录的结果,如果猫处于不安静状态或者入睡状态,可以通过打开/关闭屏蔽室的门或者遥控的轻拍装置对猫进行警告。　　 4、数据分析：所有的数据均采用MATLAB(MathWorks)进行统计学分析。　　 结果：　　 1、猫认知调频、调幅音的行为学特点猫可以识别持续时间较长的调频音(160,80,40ms)和调幅音(80,40,20ms)的频率及振幅的变化,但随着声音持续时间的缩短,识别能力会逐渐降低。当调频音持续时间小于或等于20ms,调幅音持续时间小于等于10ms时,猫难以对其进行识别。　　 2、单个神经元编码调频音的特点　　 (1)升调和降调刺激反应的潜伏期存在着明显的差异。在持续时间为160ms的升/降调刺激时,降调与升调的反应潜伏期比较,二者存在明显地差异(p＜0.01),这种差异随着刺激持续时间的缩短也相应地减小,在持续时间为10ms时,两者没有统计学差异。　　 (2)特征频率为低频的神经元,在升调刺激时较早出现反应,而降调刺激时反应出现较晚。特征反应频率在高频的神经元,反应时间与前相反。　　 (3)大脑听觉初级皮质的神经元有两种不同的方法对调频音进行编码。一个是升/降调反应的潜伏期的差别(瞬时编码);另一个是由于放电频率大小不同(放电频率编码)。随着声音刺激持续时间的缩短,瞬时编码与放电频率编码的区分能力均减弱,这与行为学结果是一致的。然而,在区分调频音方面瞬时编码比放电频率编码更好,表明瞬时编码比放电频率编码更可靠。　　 3、总体神经元编码调频音的特点根据反应的潜伏期,我们将第二个调频音的刺激开始对齐,将291个神经元分成两组:72个神经元反应潜伏期短(＜25ms);其余219个神经元以反应潜伏期依次增加,将其按照潜伏期由小至大的顺序将神经元反应进行排列,形成一条清晰地神经元反应的轨迹曲线。部分神经元对升/降调刺激的开始总出现反应(排在图底部),可以用来确定刺激反应的开始。这样的总体反应模式可能是猫区分不同音调变化调频刺激的神经机制之一。　　 4、两种神经元反应模式及其编码调幅音的特点　　 (1)一般来说,对声音的刺激,在初级听皮层记录的神经元会出现两种反应模式,即有些神经元的反应持续时间较短,称为phasic反应模式;有些神经元反应持续时间较长,称为tonic反应模式。Phasic反应主要通过声音的开始/结束反应来区分,而tonic反应主要通过持续反应对声音大小的变化进行细微瞬时编码。　　 (2)Tonic神经元反应与行为学结果有显著的相关性(P＜0.01),提示Ramp/Damp音的瞬时振幅变化信息可能包含在tonic反应的瞬时放电频率的变化中。与之相比,phasic神经元反应除了160ms的窗口,没有发现与行为学反应之间存在着显著相关性,表明对于大脑初级听觉皮质神经元区分调幅音来说,tonic神经元参与意义更大。　　 结论：　　 1、猫可以识别持续时间较长的调频音或调幅音,但随着声音持续时间的缩短,这种识别能力会逐渐降低。　　 2、调频音可以诱发A1不同神经元产生瞬时反应。升调诱发的反应,低频率神经元先反应,高频神经元后反应;降调诱发的神经元反应与上述相反。　　 3、将A1区神经元以反应潜伏期为序进行排列,其反应模式与猫的行为学表现是一致的。这可能是区分调频音音调变化方向的中枢机制。　　 4、猫能够对一定刺激持续时问的瞬时调制的调幅音进行行为学识别,随着调幅音持续时间的缩短,识别能力逐步下降。其神经元反应模式能够解释这种行为学的变化。　　 5、调幅音的行为学识别需要神经元功能各异的细胞群的作用:非同步的tonic反应模式能够在声音刺激中实现轻微的幅度调制。同步的phasic反应模式可以体现振幅的突然地改变尤其是在声音结束时的变化。