高等生物处理听觉信息的最高级中枢是听皮层,听皮层的正常功能对生物的交流和生存等都至关重要,比如能使动物及时感知到危险声音信号,做出正确决策。对于人类而言,听觉皮层的正常功能对于听觉感知和语言交流非常重要。人类双侧听觉皮层功能障碍会严重损害听力功能,导致中枢性耳聋和失语等临床表现,从而导致患者沟通障碍。在动物上双侧听皮层损毁会使动物丧失听觉认知能力。听皮层根据结构功能又可以分为几个亚区,而其中一个最主要的听皮层功能区就是初级听皮层(primary auditory cortex,A1)。初级听皮层直接接收来自丘脑的听觉信息输入,同时听觉信息进入皮层的第一站就是初级听皮层。以往的研究表明,初级听觉皮层在听觉信息加工处理的过程中起着非常重要的作用,并参与重要的听觉过程,如声源定位和声学信息提取。因此,研究初级听皮层神经元的基本信息编码特征是我们理解皮层听觉信息处理的基础。自闭症谱系障碍(autism spectrum disorder,ASD)是一大类以患者兴趣狭窄、缺乏必要的社会交流等行为学表现为特点,且发病较早的、复杂的神经发育障碍性疾病的统称。典型的自闭症患者具有社交障碍、交流障碍、兴趣狭窄三个核心症状。目前,遗传学的研究揭示,自闭症可能与多种基因的突变有关,具有明显的遗传倾向。而神经生物学相关研究显示,自闭症的发生也与环境因素密切相关。研究表明,神经系统发育异常及突触传导异常很可能是导致自闭症的重要因素,这与自闭症谱系障碍患者发生突变的基因大多编码对神经系统发育及突触传导有重要功能的蛋白有关。甲基化CpG结合蛋白2(methyl CpG-binding protein 2,MECP2)作为一个转录因子,具有调控基因表达的重要功能。当MECP2基因发生缺失功能的突变,会导致瑞特综合征(Rett syndrome)。当MECP2基因拷贝数增加会导致MECP2倍增综合征。这两种病都被归为自闭症谱系障碍的一种。2006年佐格比研究组将人MECP2基因转入小鼠后,惊奇地发现携带人类MECP2基因的转基因小鼠表现出社会交往行为缺陷等类自闭症表型。这个小鼠模型极大地推动了自闭症的研究。大多数自闭症患者都存在着听觉异常,目前关于自闭症与听觉的研究多为自闭症患者的研究,其局限性在于由于无法使用有创的记录手段,自闭症患者听觉异常的机制研究都不够深入。而在自闭症动物模型上的研究也缺乏单细胞反应的结果。我们试从听皮层局部场电位(local field potential,LFP)、细胞群体反应(multi-unit activity,MUA)以及单细胞反应(single-unit activity,SUA)三个不同的层面展开关于自闭症动物模型的听觉研究,并提出了以下4个问题:1首先了解初级听皮层关于多峰频率偏好的神经机制。2 MECP2转基因小鼠初级听皮层的基本电生理特性与正常对照组小鼠有何区别。3 MECP2转基因小鼠初级听皮层对噪音刺激的反应特性与正常对照组小鼠有何区别。4 MECP2转基因小鼠初级听皮层在噪音环境中声音感知与正常对照组小鼠有何区别。为回答以上问题,我们应用在体局部场电位记录技术、细胞外多单位放电记录技术、在体松散膜片钳记录技术、在体全细胞膜片钳记录技术、在体多通道记录技术及化学遗传学技术等,对以上问题进行了研究,并探索MECP2转基因小鼠听觉感知异常的神经生物学机制。1、大鼠初级听皮层多峰频率偏好及其突触机制对于特定声强不同频率的纯音刺激,听觉神经元存在一个频率反应范围,也就是所谓的频率感受野或者频率反应区。而对于大多数听觉神经元而言,在特定声强级上存在一个反应最强的频率点,我们称其为最佳频率(best frequency,BF)。有研究报道,在多种生物的听皮层中多有记录到除最佳频率以外,也存在着其他偏好的频率反应,呈现出多峰样的频率偏好反应现象。然而,大部分这样的研究都是基于电生理细胞外记录手段所得到的数据,导致目前对于这种多峰频率偏好现象的细胞内电生理机制尚不清楚。听皮层内神经元的频率调谐依赖于突触输入的整合,对于这种多峰频率偏好现象是否也存在相似的电生理机制尚不清楚。结果:我们观察到大鼠初级听皮层对于纯音刺激存在多峰样频率偏好的现象,并深入研究了其单细胞反应和突触输入反应,发现(1)大鼠初级听皮层部分神经元(16/137,11.7%)在单细胞反应水平上存在多峰频率偏好,其偏好点带宽为0.3-0.4个音频层。(2)大鼠初级听皮层神经元的兴奋性突触输入(excitatory postsynaptic current,EPSC)和抑制性突触输入(inhibitory postsynaptic current,IPSC)水平上也存在多峰频率偏好,并且其偏好点带宽同样为0.3-0.4个音频层。(3)兴奋性突触输入和抑制性突触输入在这种多峰频率偏好的峰谷频率点出现了兴奋/抑制比失衡。2、MECP2转基因小鼠初级听皮层听觉反应特性自闭症谱系障碍(autism spectrum disorder,ASD)是一大类发病较早的、复杂的神经发育障碍性疾病的统称。甲基化DNA结合蛋白2(methyl CpG-binding protein 2,MECP2)具有调控基因表达的重要功能。当MECP2基因发生缺失或者拷贝数增加会导致患者出现自闭症样表现。而自闭症患者与他人交流困难一个很重要的原因就是因为自闭症患者与正常人相比存在听觉感知的异常。有文献报道在自闭症患者中,听觉脑干诱发反应是正常的,这说明自闭症患者的听觉感知异常可能出现在听觉系统更高阶段。但目前很多研究都只是集中于局部场电位(LFP)或者神经元群体发放(MUA)水平的研究,很少有单细胞反应的结果。而且所给的声音刺激信息不够全面,一般只是用了click音或者几个简单纯音,频率和强度信息都不够完整。从单细胞反应水平完整的探究自闭症模型动物的听觉反应特性对于我们进一步弄清自闭症患者的听觉感知异常尤为必要。结果:我们以MECP2转基因小鼠为动物模型,从神经元群体反应水平和单细胞反应水平来研究MECP2转基因小鼠听觉反应特性,发现(1)MECP2转基因小鼠的听觉脑干诱发反应与正常对照组小鼠没有显著性差异。(2)MECP2转基因小鼠在初级听皮层各个频率区的发放阈值均高于正常对照组小鼠。(3)MECP2转基因小鼠快放电(fast spiking,FS)神经元动作电位的峰谷比低于正常对照组小鼠。(4)无论常规放电(regular spiking,RS)神经元还是FS神经元,MECP2转基因小鼠的反应峰值潜伏期都晚于正常对照组小鼠。(5)无论RS神经元还是FS神经元,MECP2转基因小鼠的反应阈值都高于正常对照组小鼠。3、MECP2转基因小鼠对噪音刺激的反应特性噪音刺激广泛存在与自然界和人类生活之中,人们在生活工作中几乎都可能接受到各种各样的噪音刺激。有大量文献报道,自闭症患者暴露在对正常人并无太大影响的噪音强度下,都往往表现出难以忍受的反应。但是,对于纯音刺激并没有表现出与噪音类似的反应。目前在自闭症模型动物的研究中,将纯音和噪音反应在同一研究中的对比还比较缺乏。另外在听皮层单细胞反应水平上,对于自闭症模型动物而言,纯音刺激与噪音刺激的反应有何不同,目前还尚未清楚。而MECP2倍增综合征患者以及MECP2倍增综合征动物模型在这方面的研究就更加稀少。结果:我们以MECP2转基因小鼠为动物模型,从局部场电位反应水平、神经元群体反应水平和单细胞反应水平三个层面,揭示MECP2转基因小鼠对噪音刺激的反应特性,发现(1)MECP2转基因小鼠展示出对噪音刺激更加敏感的行为学表现。(2)MECP2转基因小鼠的场电位对于噪音刺激的反应幅度明显大于对纯音刺激的反应幅度,而正常对照组小鼠对两种刺激的反应幅度没有显著性差异。(3)MECP2转基因小鼠群体细胞发放对于噪音刺激的反应明显强于对纯音刺激的反应,同样正常对照组小鼠对两种刺激的反应没有显著性差异。(4)MECP2转基因小鼠RS神经元对噪音刺激的发放高于对纯音刺激的发放,而正常对照组小鼠FS神经元对噪音刺激的发放高于对纯音刺激的发放。4、MECP2转基因小鼠在噪音环境中听觉反应特性的研究当自闭症患者处于安静环境中时,能比较容易的听清他人说话的内容,不过当自闭症患者处于中等强度的噪音环境中时,要听清他人说话的内容就变得异常困难。说明中等声强的噪音环境就能对自闭症患者产生重大的听觉感知影响。在瑞特综合征的动物模型中也有研究显示,当瑞特综合征模型鼠处于噪音环境中,声音分辨能力下降比正常动物更厉害。那么MECP2倍增综合征模型动物是否也像瑞特综合征模型鼠一样,在噪音环境中对声音分辨能力下降?其单细胞反应有何特性?其神经机制是什么?以上问题目前都尚未清楚,这也是我们本研究要重点关心的问题。结果:我们以MECP2转基因小鼠为动物模型,从局部场电位反应水平、神经元群体反应水平和单细胞反应水平三个层面,揭示MECP2转基因小鼠在噪音环境中对声音反应的特性,并通过药物和化学遗传学手段调控听皮层内神经元活性,已达到纠正其行为异常。研究发现(1)噪音环境对MECP2转基因小鼠的听觉感知影响大于正常对照组小鼠。(2)在噪音环境中,MECP2转基因小鼠初级听皮层的对声音刺激的场电位和群体神经元反应均高于安静环境中的反应,而正常对照组小鼠在两种环境中对声音刺激的反应没有显著性差异。(3)通过激活初级听皮层内抑制性神经元的活性,可改善噪音环境中MECP2转基因小鼠的听觉感知行为。(4)在噪音环境中,MECP2转基因小鼠的RS神经元对声音刺激的反应增加,FS神经元对声音刺激的反应降低。(5)通过调节初级听皮层内PV神经元的活性,可改善噪音环境中MECP2转基因小鼠的听觉感知行为。