CC BY
214. Huang ZB, Wang H, Rao XR, Liang T, Xu J, Cai XS, Sheng GQ. Effects of immune activation on the retrieval of spatial memory. Neurosci Bull. 2010 Oct;26 (5):355—64. doi: 10.1007/s12264—010—0622-z. PMID: 20882061; PMCID: PMC5560354.
УДК 612.85
Хорунжий Г. Д., Егорова М. А.
ФГБУН Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН, Санкт-Петербург, Россия.
G. D. Khorunzhii and M. A. Egorova
I. M. Sechenov Institute of evolutionary physiology and biochemistry of Russian academy of sciences, St.Petersburg, Russia
E-mail: khorunzhii.gd@gmail.com
КОДИРОВАНИЕ ЗВУКОВ НЕЙРОНАМИ С V-ОБРАЗНЫМИ ЧАСТОТНЫМИ РЕЦЕПТИВНЫМИ ПОЛЯМИ В СЛУХОВЫХ ЦЕНТРАХ МОЗГА ДОМОВОЙ МЫШИ
SOUND PROCESSING IN V-SHAPED NEURONS OF HOUSE MOUSE AUDITORY BRAINSTEM AND CORTEX
DOI
Аннотация: Изучение функциональной специализации нейронов слуховых центров мозга в обработке звуковой информации является актуальной задачей физиологии слуха. В настоящей работе выполнен сравнительный анализ частотных и временных свойств активности V-образных нейронов слуховых центров ствола мозга и слуховой коры мыши. Полученные данные выявили принципиальные различия между стволовым и корковым уровнями слуховой системы как по доле V-образных нейронов, так и по временным характеристикам их активности, что позволило предположить различную специализацию данных нейронов в обработке звуков слуховыми центрами ствола мозга и слуховой корой.
Ключевые слова: слух, одиночные нейроны, частотные рецептивные поля, временной анализ звука, задние холмы, слуховая кора
Abstract: Spectro-temporal properties of the V-shaped neurons in the auditory brainstem and primary auditory cortex are studied. The obtained data revealed a strong difference between the brainstem and cortical levels of the auditory system both in the ratio and in the temporal properties of V-shaped neurons activity, providing a suggestion about the different role of these neurons for sound processing in the auditory brainstem and cortex.
Keywords: hearing, inferior colliculi, primary auditory cortex, single neurons, frequency receptive fields, temporal sound analysis
При исследовании механизмов кодирования звуковых сигналов нейронами слуховых центров мозга млекопитающих большое внимание уделяется изучению строения их частотных рецептивных полей [1—5]. Разработанные классификации частотных рецептивных полей слуховых нейронов, как правило, основаны на особенностях соотношения их тормозных и возбуждающих входов. При этом во всех классификациях выделяют, в первую очередь, нейроны, имеющие узкую частотную настройку, близкую к частотной настройке слухового нерва, т. е. нейроны с узкими частотными рецептивными полями, а также широко настроенные нейроны, с широкими частотными рецептивными полями, так называемые V-образные нейроны [1—3, 5]. Впервые в восходящем слуховом пути V-образ-ные нейроны появляютя в постеро-вентральном кохлеарном ядре. Это — так называемые клетки-октопусы [6]. Далее по ходу слухового пути V-образные нейроны были обнаружены в центральном ядре заднего холма (ЦЯ) среднего мозга и в первичной слуховой коре (СК) [1, 3]. Такие нейроны, как правило, имеют широкие, симметричные области возбудительного ответа, слабые боковые тормозные зоны и фазные характеристики ответа на звук. Эти свойства существенно отличают V-образные нейроны от остальных нейронов слуховой системы, что дает основания предположить, что и их функции должны обладать определенной спецификой. Для понимания роли данных нейронов в обработке слуховой информации необходимо выполнить сравнительный анализ частотно-временных свойств их активности на различных уровнях слуховой системы, что и стало целью нашей работы.
Методика: В работе внеклеточно регистрировали импульсную активность одиночных нейронов слухового центра среднего мозга (ЦЯ) и СК у наркотизированных мышей Mus musculus, самок — гибридов линии NMRI с дикими животными в возрасте 8—15 недель. Методика подготовки животного к эксперименту и регистрации
импульсной активности одиночных нейронов ЦЯ и СК подробно описана ранее [1,3]. Анестезию поддерживали внутрибрюшинными инъекциями смеси кетамина (кетавет, 35 мг/кг) и ксилазина (ром-пун, 0.1 мг/кг) каждые 20—45 мин. Для излучения звука в диапазоне частот 1—30 кГц использовали электродинамический излучатель (Thiel, C2 33/8), в диапазоне 12—75 кГц — изготовленный по специальному заказу электростатический излучатель. Излучатели были размещены на расстоянии 60 см от уха животного, контралатераль-ного стороне регистрации, под углом 45° к сагиттальной плоскости.
Для регистрации активности нейронов ЦЯ использовали стеклянные микропипетки с диаметром кончика 1—3 мкм и сопротивлением 5—7 МОм, заполненные 3 М раствором KCl. Генерация сигналов и тестирование частотных рецептивных полей нейронов производились автоматически на базе двухканального комплекса Tacita и системной платы BOTIM3 (тактовая частота 250 кГц, разрешение по амплитуде 12 бит) с использованием контролируемой компьютером однотоновой парадигмы, разработанной Dr. Dörrscheidt (Германия). Тональные сигналы длительностью 60 мс, включая время нарастания и спада по 5 мс, предъявляли с интервалом 300 мс. Каждый сигнал предъявляли трижды, в случайном порядке комбинаций 16 фиксированных частот и 16 интенсивно-стей (256 различных тонов).
Для регистрации активности нейронов СК использовали изолированные лаком вольфрамовые микроэлектроды с диаметром кончика 1—3 мкм и сопротивлением 5—6 МОм. Регистрацию производили на глубине 300—600 мкм, что соответствовало расположению III—V слоев коры. Генерация звуков и тестирование частотных рецептивных полей нейронов выполнялись автоматически на базе встроенной в РС системной платы TMS320C30 (тактовая частота 200 кГц, разрешение по амплитуде 16 бит) с использованием специализированных программ (TMS97), разработанных Dr. Schulze-Krüger (Германия). Тональные сигналы длительностью 100 мс, включая время нарастания и спада по 5 мс, предъявляли однократно с интервалом 900 мс в случайном порядке комбинаций 45 фиксированных частот и 15 интенсивностей (т. е. 675 различных сигналов).
Измерения производили во всем частотном диапазоне слуха мыши (3—80 кГц) при интенсивностях сигнала от пороговых до 105 дБ над порогом ответа нейрона (что соответствует диапазону от -20 до 85 дБ над 20 мкПа). Изучены характеристики активности
41 нейрона ЦЯ и 96 нейронов СК, частотные возбудительные рецептивные поля которых имели V-образную форму.
Результаты: В ЦЯ доля нейронов с V-образными рецептивными полями составляла 30 %. При действии тона характеристической частоты (ХЧ) у этих нейронов преобладали фазные свойства ответа (82 % нейронов): фазный разряд, образованный 1—3-мя спайками в начале действия тона, или пачечный разряд (рис., а, б). Количество спайков в пачках составляло у разных нейронов 4—10 импульсов, и разряд заканчивался ранее окончания тонального сигнала. В ответ на сигналы, охватывающие все возбудительное рецептивное поле нейрона, значительная часть нейронов (41 %, 16 единиц) не изменяли типа разряда. Среди них 61 % нейронов имел фазные ответы, 31 % — пачечные. 24 V-образных нейрона (59 %) изменяли тип разряда в зависимости от частоты и интенсивности сигнала. Чаще всего фазный ответ заменялся пачечным и, наоборот, пачечный — фазным. Такие изменения были отмечены у пятой части всех исследованных V-образных нейронов (21 %, 8 единиц). Таким образом, почти две трети V-образных нейронов сохраняли фазные характеристики ответа при действии любых звуковых стимулов (рис., а). Почти половина исследованных V-образных нейронов ЦЯ (49 %, 19 единиц) демонстрировали постоянство латентных периодов ответов как на сигналы ХЧ, так и на тоны не-характеристических частот (рис., а). Их латентности практически не изменялись с изменением частоты и интенсивности сигнала, составляя в среднем 11 ± 2 мс. Около четверти исследованных нейронов (28 %, 11 нейронов) изменяли латентные периоды ответов в пределах 6 мс (рис., б). Лишь у 9-ти нейронов (23 %) с изменением параметров сигнала латентный период ответа увеличивался на 8—38 мс. В ответах нейронов, латентный период которых не изменялся или изменялся в пределах 6 мс, всегда был выражен начальный фазный компонент. Увеличение латентности ответа нейрона более, чем на 6 мс, всегда сопровождалось утратой фазного компонента в ответе, который при этом становился поз-днелатентным.
а 1» 1Q.OI1.li 42.4l3.414.41S.il 6.7 18 19.320.32 2.1 24 26 29' 30 45 4* 35 30 20 12.4 Г| 0* 5 — А_ 0 П 14 15 1 С с с с г 5 С с с с с с ■ ыл 1Ш ш 1И 1Н 1П !□ ш ](] 1С] !!□ ]С1 _12.4 _13.4 _144 _15.5 _16.7 18 «Чв _193 . _20.8 _22.4
= -- — - г.— — ир — 8 п га и и щ г 7.7 1
: = — — щ "В" т
: п * ш щ 11 ПК =р £ 5Г щ ¡1
г 2.3 "П 26 таг "Г 3 4 3. 145 5.15.8 т.т 8 8 10 гт.язг П5 И 1 - — _ 1= ТТЛ - .1 л — 11 — — 11 — - ь — — — Ь - — ь — — и
г 6 Т" I | I = I зп I I ± | = ± ± ± ЕЕ е: :ее ш ЕЕ ЕЕ ЕЕ
± • 7 -5- - | — — — —
Г хЧ
— - — — — - — — — - — — - — — — — — — — — — — — — — —
Рис. Временные характеристики активности У-образных нейронов ЦЯ с фазными (а) и пачечными (б) разрядами, а также типичного У-образного нейрона СК (в). Слева — частотные возбудительные рецептивные поля нейронов; абсцисса: частота, кГц, ордината: уровень сигнала, дБ УЗД. Высота столбиков/вертикальных линий на диаграммах пропорциональна числу спай-ков в ответе нейрона на сигнал данной частоты и интенсивности. На цифровых диаграммах показано распределение латентных периодов ответов нейрона на соответствующие сигналы, охватывающие все возбудительное рецептивное поле. Абсцисса: частота сигнала, кГц, ордината: уровень сигнала, дБ над порогом ответа нейрона. Серым на шкале частот выделена возбуждающая ХЧ нейрона (ХЧВ). На цифровой диаграмме серым выделен периферический пояс ответов с латентностями, превышающими 40 мс. Для нейронов ЦЯ приведены растровые диаграммы ответов (справа на а, б). Каждая точка — один спайк в ответе нейрона на сигнал соответствующей частоты и интенсивности. Для каждой частоты сигнала (указана цифрами) приведена отдельная диаграмма в координатах время (абсцисса), уровень сигнала (ордината), возрастает снизу вверх. Горизонтальная линия под каждой диаграммой — отметка стимула.
В СК доля нейронов с V-образными рецептивными полями составляла 69 %. Все V-образные нейроны СК имели фазные характеристики активности при действии любых звуков, вызывавших ответ данного нейрона. Преобладающим типом разряда у этих нейронов был фазный (72 %, 78 нейронов). Разряды остальных нейронов были пачечными.
Анализ латентных периодов ответов V-образных нейронов СК выявил их высокую вариабельность во всей области возбудительного рецептивного поля. У всех нейронов латентные периоды ответов изменялись более, чем на 2 мс в зависимости от характеристик стимула. Лишь у четырех нейронов изменения латентностей не пре-
вышало 6 мс. У остальных нейронов латентные периоды ответов изменялись более, чем на 6 мс. В рецептивных полях 40 нейронов (42 % У-образных нейронов, рис., в) можно было выделить центральную и периферическую области. В центральной области латентные периоды ответов не превышали 40 мс, а диапазон их изменения был не более 15—20 мс. На периферии латентности превышали 40 мс, а диапазон их изменения составлял 20—70 мс. В рецептивных полях 34 нейронов (35 %) имелись периферические области позднелатент-ного ответа (с латентностью 40—45 мс и более), но они не образовывали единого периферического позднелатентного пояса ответов. 7 нейронов почти на все сигналы отвечали с латентным периодом, превышающим 40 мс. У 11 нейронов латентности варьировали в диапазоне 15—70 мс во всем рецептивном поле, что не позволяло выделить центр и периферию.
Заключение: Результаты настоящей работы позволяют предположить, что специализация У-образных нейронов изменяется по мере перехода от более древних в эволюционном аспекте структур ствола мозга к более молодой слуховой области неокортекса. На уровне ствола мозга У-образные нейроны обладают наиболее стабильными среди всех групп нейронов латентными периодами ответов, что очевидно подразумевает их участие в точном временном кодировании начала звукового сигнала. Для клеток-октопу-сов вентрального кохлеарного ядра и близких к ним по характеристикам активности У-образных нейронов ЦЯ это можно считать подтвержденным фактом [5—7]. В СК, где У-образные нейроны составляют абсолютное большинство нейрональной популяции, они демонстрируют высокую стабильность паттернов и почти такую же высокую вариабельность латентных периодов ответов. По-видимому, в СК возрастает вклад временного кодирования акустических сигналов. Об этом свидетельствует увеличение доли У-образных нейронов и появление в их рецептивных полях центральной и периферической областей с разной динамикой латентных периодов ответов. Таким образом, вклад У-образных нейронов СК во временную обработку звука увеличивается в восходящем слуховом пути.
Работа выполнена при поддержке федерального бюджета по госзаданию на 2019—2021 годы (№ регистрации темы АААА-А18—118013090245—6).
Список литературы:
1. Egorova M., Ehret G., Vartanian I., Esser K.-H. Frequency response areas of neurons in the mouse inferior colliculus. I. Threshold and tuning characteristics//Exp. Brain Research. 2001. V.140. P. 145—161.
2. Linden J. F., Liu R. C., Sahani M., Schreiner C. E. Spectrotemporal Structure of Receptive Fields in Areas AI and AAF of Mouse Auditory Cortex//J. Neurophysiol. 2003. V. 90. P. 2660—2675.
3. Егорова М. А. Частотная настройка нейронов первичного слухового поля (А1) и переднего слухового поля (AAF) слуховой коры мыши (Mus musculus)//Журн. Эвол. Биохим. и физиол. 2005. Т. 41. № 4. С. 379—382.
4. Хорунжий Г. Д., Егорова М. А. Временные характеристики импульсной активности нейронов с V-образными частотными рецептивными полями в слуховом центре среднего мозга домовой мыши (Mus musculus)//Журн.Эвол.Биохим.и физиол.2014.Т. 50.№ 4. С. 314—318.
5. Egorova M. A., Akimov A. G., Khorunzhii G. D., Ehret G. Frequency response areas of neurons in the mouse inferior colliculus. III. Time-domain responses: Constancy, dynamics, and precision in relation to spectral resolution, and perception in the time do-main//Plos0ne.2020.V.140.P.145—161.
6. Rhode W. S., Oertel D., Smith P. H. Physiological response properties of cells labeled intracellularly with horseradish peroxidase in cat ventral cochlear nucleus//J. Comp. Neurol. 1983. V. 213 (4). P. 448—463.
7. Golding N. L., Robertson D., Oertel D. Recordings from slices indicate that octopus cells of the cochlear nucleus detect coincident firing of auditory nerve fibers with temporal precision//J. Neurosci. 1995. V. 15 (4). P. 3138—3153.
УДК: 612; 612,65; 612,66; 612,88
Цветаева Д. А.12
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт Высшей Нервной Деятельности и Нейрофизиологии РАН. Москва, Россия
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение Научный Центр Психического Здоровья. Москва, Россия
