АКУСТИЧЕСКИМ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 4, с. 669-681
АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ, БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
УДК 534.7
КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ СИНХРОНИЗАЦИИ РЕАКЦИИ НЕЙРОНОВ КОХЛЕАРНОГО ЯДРА ЛЯГУШКИ С ОГИБАЮЩЕЙ ЗВУКОВОГО СИГНАЛА В ПРОЦЕССЕ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ АДАПТАЦИИ
© 2008 г. Н. Г. Бибиков
ФГУП Акустический институт имени Н.Н. Андреева 117036 Москва, ул. Шверника 4
E-mail: bibikov@akin.ru Поступила в редакцию 3.05.07 г.
У многих слуховых нейронов второго порядка, расположенных в кохлеарном ядре лягушки, синхронизация импульсной активности с огибающей амплитудно-модулированного сигнала повышается в процессе долговременной адаптации. У 80 клеток этого ядра зависимости коэффициента синхронизации и фазы реакции от времени (обычно в диапазоне до 36 с) подвергали линейному регрессионному анализу. Наклон линий регрессии для коэффициентов синхронизации в подавляющем большинстве случаев был положителен, причем примерно у половины клеток эта зависимость была достоверна. Такая закономерность наблюдалась при разных глубинах модуляции, при разных уровнях несущей и при разных частотах модуляции. Фаза реакции имела тенденцию к возрастанию в процессе долговременной адаптации, однако четкой корреляции между характером изменений во времени коэффициента синхронизации и фазы реакции отмечено не было.
PACS: 43. 64.Qh 43.60.Mn
ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что важнейшим свойством мозга в целом и его сенсорных анализаторов, в частности, является способность приспосабливаться к меняющимся параметрам внешней среды. В слуховой системе одним из наиболее четких и ясных проявлений этой способности является поддержание дифференциального порога по интенсивности постоянным или даже уменьшающимся с увеличением уровня в громадном динамическом диапазоне слуха [1]. Учитывая, что динамический диапазон отдельных волокон слухового нерва сравнительно невелик (20-30 дБ), приходится заключить, что достижение эффективности кодирования амплитуды во всем динамическом диапазоне слуха осуществляется за счет специализированных нейронных механизмов. Важнейшую роль среди этих механизмов играет способность слуховой системы в целом и отдельных нейронов в частности увеличивать эффективность кодирования малых изменений амплитуды в процессе действия сигнала. Этот эффект адаптации явно основан на нескольких механизмах и функционирует в различных отделах слухового пути.
При исследовании кратковременной (менее 1 с) адаптации в нейронах слухового пути амфибий нами было нами было продемонстрировано существенное повышении синхронизации реакции с
огибающей тонального сигнала. Эффект был обнаружен при исследовании слухового центра среднего мозга [2]. В дальнейшем было показано, что, что он наблюдается и в более периферическом отделе слуховой системы - кохлеарном ядре [3, 4], хотя в этом ядре он выражен значительно слабее. Данный эффект может осуществляться за счет адаптационной подстройки синаптического потенциала или порога генерации спайка реакции к уровню входного сигнала, причем в качестве наиболее вероятного механизма такой подстройки было предложено явление накапливающейся постспайковой гиперполяризации (обобщенной рефрактерности) [5].
Повышение эффективности кодирования изменений амплитуды сигнала нейронами слуховой системы неоднократно демонстрировалось и при действии более длительных тонов в процессе так называемой долговременной адаптации [6-12]. Однако количественно этот эффект не исследовался ни на одном из объектов. Недавно для нейронов кохлеарного ядра амфибий мы произвели количественный анализ изменения плотности им-пульсации в процессе долговременной адаптации [13]. В настоящей работе осуществлено также количественное изучение характера адаптационных изменений для других важнейших параметров реакции нейронов кохлеарного ядра - степени синхронизации ответа с частотой модулирующе-
го сигнала и фазы реакции. Результаты позволили оценить эффект повышения эффективности воспроизведения огибающей в процессе долговременной адаптации, как при малых, так и при больших глубинах модуляции. Кроме того, впервые проанализированы изменения фазы реакции с течением времени во время предъявления длительного сигнала. Предварительные результаты получены по вопросам зависимости исследуемого эффекта от уровня несущего тонального сигнала и от частоты его модуляции.
Некоторые основные положения работы кратко были представлены ранее [3, 14].
МЕТОДИКА
Основные методические приемы, использованные в работе, были описаны ранее [4, 13, 14] и здесь будут рассмотрены только кратко.
Физиологические эксперименты были выполнены на 24 самцах травяной лягушки весом 20-60 г. Опыты проводились в осенне-зимний период и до эксперимента животные содержались в холодильнике. Перед началом опыта животным давали холодовой наркоз [15], при котором осуществляли дорсальный подход к оптической покрышке среднего мозга. Края операционного поля обрабатывались местным аналгетиком (лидо-каином). После обездвиживания животного раствором аллоферина животное переносили в звукоизолированную камеру и размещали в станке, обеспечивающем замкнутую акустическую связь между динамическим микрофоном и барабанной перепонкой, ипсилатеральной исследуемой половине мозга.
Уровень звукового сигнала в полости над барабанной перепонкой калибровался перед каждым экспериментом в дБ уровня звукового давления (УЗД) при помощи конденсаторного микрофона МК-6 с насадкой, предварительно вместе с насадкой откалиброванного в звукомерной камере.
В части экспериментов для генерации тональных отрезков и длительных модулированных сигналов использовали аналоговую аппаратуру, включающую генераторы синусоидального сигнала Г3-110 (несущая частота) и Г6-28 (модулирующая частота) и электронный ключ. Модуляция несущей частоты осуществлялась модулятором, встроенным в генератор Г3-110. Калибровку глубины модуляции при этом осуществляли на осциллоскопе. Тональные отрезки с временами нарастания и спада по 10 мс использовались для поиска нейронов и определения латентного периода. Синхроимпульсы генерировались в момент начала отрезка (при прерывистой стимуляции для построения постстимульных гистограмм) или минимума огибающей сигнала (при стимуляции дли-
тельным амплитудно-модулированным тоном для построения фазовых гистограмм).
В значительном большинстве экспериментов генерация, как тональных отрезков, так и длительных амплитудно-модулированных сигналов осуществлялось на персональном компьютере с помощью специально разработанной программы. Синхроимпульсы генерировались в те же моменты времени, как и при использовании аналоговой аппаратуры.
Импульсную активность одиночных нейронов регистрировали стеклянными электродами, содержащими 2.5 М раствор КаС1. Как правило, диаметр электрода составлял 2-3 цм, электрод продвигался через сосудистое сплетение над продолговатым мозгом. Движение электрода в вентральном направлении осуществлялась с помощью микроманипулятора с шаговым двигателем. При правильном расположении на поверхности сосудистого сплетения момент ввода электрода в кохлеарное ядро весьма легко выявлялся по появлению мощной асинхронной нейронной активности в ответ на поисковый стимул.
При обнаружении одиночного нейрона, имеющего достаточно высокую амплитуду потенциалов действия, внеклеточно регистрируемые спайки преобразовывалась в стандартные электрические пульсы, поступающие на аналого-цифровой вход компьютера. Вначале определяли характеристическую частоту нейрона, порог на этой частоте и тип реакции на тональные отрезки характеристической частоты уровнем 20-30 дБ над порогом. Как правило, получали постстимульную гистограмму реакции на тональные отрезки указанного уровня, модулированные и (или) смодулированные по амплитуде. Латентный период реакции на тональные отрезки оценивали по начальному отклонению постстимульных гистограмм. Затем, при наличии тонического ответа на длительные амплитудно-модулированные тоны, переходили к исследованию этих реакций. В случае отсутствия импульсации в установившемся режиме нейрон исключался из рассмотрения. Уровень несущей при действии длительных сигналов, если это не оговорено в тексте, также составлял 20-30 дБ над порогом реакции.
Статистическую обработку импульсной активности в процессе долговременной адаптации производили путем построения фазовых гистограмм. Фазовая гистограмма представляет собой выборочную оценку зависимости мгновенной плотности импульсации от фазы модулирующего сигнала. Мгновенная плотность импульсации вычислялась как частное от деления вероятности возникновения спайка в данном канале гистограммы на длительность канала. Поскольку ширина отдельных каналов фазовой гистограммы всегда составляла 0.5 мс, последнее действие сво-
дилось к умножению указанной вероятности на 2000. При анализе фазовых гистограмм использовали стандартные методы оценки коэффициента синхронизации (КС) и фазы реакции [16]. Для этого фазовая гистограмма рассматривалась как круговое векторное распределение. Поскольку нулевое значение фазы во всех случаях соответствовало минимуму амплитуды сигнала, максимальное значение амплитуды достигалось при фазовой задержке 180°. После векторной сумма-ции получали один вектор, нормализованная (деленная на общее число спайков) длина которого, называемая коэффициентом синхронизации (КС), характеризовала степень изменения активности исследуемого нейрона на периоде модуляции звука, а его направление характеризовало предпочтительную фазу реакции [17]. Напомним, что КС = 0.5 при 100% модуляции фазовой гистограммы. КС может достигать значения, равного единице, только если все импульсы нейрона возникали при одном значении фазы модуляции (точнее в одном канале фазовой гистограммы). Достоверность отличия фазовой гистограммы от равномерного кругового распределения оценивали по стандартным критериям [17].
Особенность данной работы состояла в том, что фазовые гистограммы строились как для всей длительности реализации, так и отдельно для каждого из двухсекундных (иногда четырехсе-кундных) последовательных участков импульсной активности, возникающей при действии длительного сигнала. В знач
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.