摘要
成人大脑皮层回路具有相当大的可塑性,这可以通过改变其输入来诱导。神经元反应变化的一种机制是峰时依赖可塑性(STDP),突触效能的上调或下调取决于突触前和突触后活动的顺序和时间。感觉刺激与另一种感觉刺激或电流注入的重复和异步配对可以以符合STDP的方式改变视觉和体感神经元的响应特性。为了检测听觉系统是否也存在这种可塑性,我们从麻醉和清醒的成年雪貂初级听觉皮层的神经元中进行了记录。不同频率纯音的重复配对导致神经元频率选择性的改变,表现出类似于STDP的时间特异性。只有8或12毫秒的刺激开始异步的配对才有效,并且移位的方向取决于配对中音调的呈现顺序。600对刺激(持续~70秒)足以产生频率调谐的显著变化,并且这种变化持续了几分钟。当条件刺激的频率间隔<~1倍频程时,观察到的位移幅度最大。此外,仅在上层皮质中发现了显著的变化。我们的研究结果强调了感觉输入的毫秒级定时在塑造神经功能中的重要性,并强烈建议STDP是成熟听觉系统可塑性的相关机制。
结果
记录是由小的多单元星团组合而成的(n个=299)和单个装置(n个=94)成年雪貂。此处显示的所有数据,除了图5D类,来自麻醉动物。
调节响应的峰值定时精度
在这项研究中,条件刺激对的异步呈现,包括PF处的一个纯音和NPF处的第二个纯音(图1,2),被反复呈现,试图控制A1中频率选择性神经元的不同输入的相对尖峰时间。为了评估条件刺激是否能够以预期的方式控制听觉系统中神经活动的时间,我们分析了条件刺激呈现期间记录的棘波序列。图3一个显示了来自多单元群集的PSTH和尖峰光栅,其频率调谐曲线如所示图1B类它们是通过呈现一个阳性和一个阴性条件反射块获得的(图2B类). 在这些示例中,每对中PF和NPF的起始异步长度为8ms,反映在两个PSTH峰值之间的间隔中,这表示每种情况下对PF音调的响应。因此,当每对音调的顺序颠倒时,负性条件作用(PF在NPF之前)的峰值出现早于正性条件作用的峰值。
图1。
反应窗口和条件刺激的确定。一个,通过对其在所有映射块上的响应进行平均并扫描以确定其起始响应窗口,为每个单元生成平均PSTH(5ms分辨率)。等强度调谐曲线,例如B类,基于在此响应窗口(暗条)期间测量的放电率,其中包括从第一个放电室延伸至超过自发放电率(刺激开始后测量250–500 ms)至少3个SDs的放电室,至响应降至峰值放电率的50%以下后第一个放电室内的放电室。从等强度调谐曲线中选择两个频率来构建调节对,一个PF和一个NPF。前者必须位于设备强烈响应的频率范围内,后者则超出该范围。
图2。
实验程序和条件刺激。一个在确定每个记录位置的单位阈值后,在初始预处理映射(M)块中获得等强度调谐曲线,随后是三个交替条件(C)和映射块。在某些情况下,延迟后会包含一个或两个额外的映射块,以探测频率调谐中任何更改的持续性。B类,一对条件刺激由两个不同频率的5毫秒纯音组成(参见图1). 在正向条件作用期间,NPF音调先于PF音调。在负条件反射期间,顺序颠倒。一对中两个刺激开始的间隔为8、12、16或30 ms,两个连续刺激之间的休息时间固定为100 ms。条件反射对以600为一组呈现。
图3。
条件反射的尖峰定时精度。一个在600对正性(NPF先于PF,红色)和600对负性条件反射(PF先于NPF,蓝色)期间激发的动作电位的光栅图(底部)和PSTH(顶部),间隔8 ms。B类,将正负条件作用的尖峰序列交叉相关,如一个产生了一个互相关函数,峰值为8ms,宽度为10ms。C类,大多数互相关函数(n个=339)的峰值位置与条件反射对中刺激之间的间隔一致。将结果归一化,使值为0表示互相关函数的峰值位置等于间隔,负值表示峰值位置比使用的间隔预期的更接近0 ms。D类,本研究中,互相关函数宽度在单位总体上的分布。
为了量化峰值计时精度,我们将在正、负条件下获得的峰值序列相互关联,并测量产生的互相关函数的峰值位置和宽度(图3B类). 在这种情况下,峰值出现在8 ms,这再次反映了所使用的调节间隔,其半最大宽度为10 ms。调节间隔和互相关函数中峰值位置之间的对应关系(图3C类)对于大多数可以用这种方法评估的录音,也就是说,那些经历了相同间隔长度和音调频率的正负条件反射的录音。该人群的平均互相关宽度为29.27ms(图3D类),这与在猫视觉皮层的类似条件反射实验中报道的结果相当(Fu等人,2002年)
频率表征可塑性的时间特异性
通过比较600对条件反射对的每个区块前后测得的等强度调谐曲线,评估了条件反射刺激的异步呈现对A1单元频率选择性的影响。STDP规则预测,正性条件反射应诱导NPF调谐神经元到PF调谐神经元的突触增强,并将后者的调谐曲线移向NPF,而负性条件反射则应削弱NPF调谐神经到PF调制神经元的突触体,并将调谐曲线移离NPF。图4一个显示了一条预处理调谐曲线(黑色)和一条后置条件调谐曲线(红色),该曲线是通过对紧跟在三个正调节块之后的三个映射块的响应进行平均而得出的。本例中使用的条件刺激的频率为7.5 kHz(NPF)和15.1 kHz(PF)。相对于预处理调谐曲线,根据STDP预测,后处理调谐曲线略微向NPF偏移。
图4。
调谐曲线示例。一个,C类,积极条件反射示例。B类,D类,负条件反射示例。预处理等强度调谐曲线以黑色绘制。后处理曲线显示为所有三个后处理映射块的平均值(用红色绘制,如一个和B类),或分别用于第一个(深蓝色)、第二个(中蓝色)或第三个(浅蓝色)后处理映射块,如C类和D类等强度频率调谐曲线中位移的持续性如所示B类和C类通过在不同延迟(浅绿色,第一延迟期;深绿色,第二延迟期)下获得的后处理曲线。最佳频率(拟合高斯峰)由调谐曲线上方的垂直线表示。中显示了预处理和后处理调谐曲线的高斯拟合(虚线)和误差条一个,但为了清楚起见,对于预处理调谐曲线B类,C类、和D类.
为了量化调节过程对等强度调谐曲线位置和形状的影响,拟合了高斯函数。根据这些拟合,得出了调谐曲线的最佳频率(拟合函数的峰值)、调谐宽度(半高)和峰值发射率。调谐曲线的最佳频率由每条曲线上方的短垂直线表示。因此,在图4一个,最佳频率值向下移动至NPF。另一个正条件作用的例子,这次使用的是等强度调谐曲线高频边上的NPF,如所示图4C类这里,最佳频率值略有上升。与此相反,图4,B类和D类,展示了负面调节的例子,其中最佳声音频率从NPF移开。
位移被量化为预处理和后处理等强度调谐曲线的最佳频率之间的差异,并通过预处理调谐宽度进行归一化。以8 ms的间隔进行正向调节,导致调谐曲线向NPF的显著偏移,平均偏移1.71±0.48%(平均值±SEM,对<0.0005时,t吨测试,n个=183)。负性条件作用诱导了与NPF相反的方向偏移−2.22±0.47%(对< 0.0005,n个= 165). 这符合我们预测的顺序特异性。如果这种效应的潜在机制依赖于神经连接的STDP,那么这种转变不应在较长的调节间隔内发生。我们的数据证实了这一点。尽管在12 ms的间隔内仍发生了类似的变化(积极条件:1.92±0.77%,对< 0.05,n个= 129; 负调节:−2.06±0.98%,对< 0.05,n个=108),在16或30 ms间隔内未观察到此类影响(图5一个).
图5。
条件作用的时间特异性。一个,最佳频率的偏移是调节间隔的函数,通过调节宽度进行归一化(样本大小从n个=73至n个=183(每个间隔)。负间隔对应于负条件反射,正间隔对应于正条件反射。负迁移意味着从NPF迁移,正迁移到NPF。B类,与中相同人群的调谐宽度和发射率随条件而变化一个.C类,单个单位子群体的最佳频率偏移(n个=19–39(对于不同的间隔)。D类,记录在两只警觉雪貂身上的调谐曲线群的最佳频移(n个= 24–30). *对< 0.05, **对< 0.005, ***对< 0.0005,t吨测试。误差条为±一个SEM。
图5B类显示调谐宽度和发射率随调节间隔的变化。条件反射导致频率调谐范围扩大,间隔更短,分别为8、12和16 ms,但在任何间隔下,积极条件反射和消极条件反射之间均无显著差异(对> 0.46). 激发率没有受到任何系统性调节的影响,在任何时间段,负调节和正调节之间的激发率变化都没有差异(对>0.2)。我们分别检查了单个单位的人口(n个=94),在最佳频率偏移方面表现出非常相似的时间特异性,在8 ms间隔内,正条件偏移和负条件偏移之间存在显著差异(对< 0.0005) (图5C类)至整个样品的观察值(图5一个). 因此,在所有分析中,将单个单元与多单元响应相结合。
我们还研究了条件反射对两只警觉的头枕雪貂A1频率选择性的影响(详见材料和方法)。实验程序和分析是相同的。然而,使用钨玻璃电极进行记录,通过放置在动物面前的单个自由场扬声器进行刺激,只测试了两个间隔(8和30 ms)。在清醒动物中观察到与麻醉下测量的最佳声音频率的等效偏移,在8ms间隔内,正条件反射和负条件反射之间存在显著差异(对<0.005),但不在30 ms时(图5D类).
调谐曲线变化轮廓
为了找出最佳频率的变化是否是由于NPF或PF的特定变化或刺激频率以外的变化引起的,通过从后处理调谐曲线中减去预处理,进一步根据不同调谐曲线分析数据。在归一化、移位并在必要时镜像差异调整曲线后,在NPF上对其进行校准,并以8或12 ms的间隔对所有接受正或负调节的单元进行平均。正性条件作用导致NPF和附近频率的响应增强,PF无变化,调谐曲线另一侧出现代偿性抑制。负性条件作用导致相反的变化模式,即NPF周围的抑郁,PF无变化,远端的代偿增强(图6一个).
图6。
平均差校正曲线。从后处理调谐函数中减去预处理(参见材料和方法),可以揭示出调节过程增强或抑制响应的频率区域。一个,正(黑色,n个=311)和负片(灰色,n个=273)以8和12 ms的间隔进行调节。虽然每种情况下的NPF都是已知的,因为曲线都是在此音频上对齐的,但PF标记在x个-轴表示所有调谐曲线的平均值。B类,C类,分别使用NPF或PF的单音调理的差异调谐曲线。上标记的最佳频率(BF)位置x个-轴表示所有曲线的平均BF。误差条为±一个SEM。
单端调节
为了确定最佳频率的变化是否与频率不同的成对音调的条件作用有关,我们还检查了在调谐曲线(PF)的峰值或接近峰值或神经元强烈响应的频率范围(NPF)之外重复呈现单音频率的效果。然而,无论是单独的NPF还是单独的PF调节都不会产生最佳频率的显著变化(NPF:-0.54±0.88%,对>0.5,n个= 141; PF:0.49±1.01%,n个= 92,对> 0.5). 对差异调谐曲线的检查表明,在大多数频率下,响应性普遍提高(图6B类,C类)与使用两种不同的音调频率时观察到的顺序特定的变化相反。
塑性诱导和持续的时间尺度
为了更详细地检查最佳频率的刺激-时间依赖性可塑性,我们汇集了那些产生显著影响的条件的数据,即每个条件反射对中刺激之间的8和12毫秒间隔,并颠倒了负条件反射偏移的符号,因此,结果可以绘制为“预测方向上的偏移”
为了评估最佳频率偏移发生的时间尺度,分别分析了在三个调节块中的每一个之后获得的调谐曲线。图4C类显示了紧跟在三个正向调节块之后的每个映射块的预处理调谐曲线和一个调谐函数。在第三次调节组后,观察到最佳频率的最大偏移,在这种情况下是朝向NPF的。图4D类显示了一个类似的负条件反射示例。对于该单元,随着调节量的增加,最佳频率逐渐从NPF移开。人口平均数与这些例子类似(图7一个). 在三个调节块的最后一个之后立即观察到最大位移。然而,一个由600对音调组成的调节块,表示调节时间很少大于1分钟,足以产生显著效果。
图7。
塑性诱导和持续的时间尺度。一个,随着条件对数量的增加,预测方向上的偏移(n个= 571).B类,在大多数实验中(n个=350),在最后一次调节块后约6分钟获得了额外的第五条等强度调谐曲线。C类,在一些实验中,在调节结束后约12分钟获得了另一条第六条调谐曲线(n个= 100). 平均而言,调谐曲线偏移会持续到第五个映射块,但不会持续到第六个映射块。只考虑了8 ms和12 ms间隔条件处理的数据,并颠倒了负条件处理结果的符号,以便将数据汇总并绘制为预测方向的偏移*对< 0.05, **对< 0.005, ***对<0.0005时,t吨测试。误差条为±一个SEM。
在几个实验中,在最后一个调节块后延迟约6分钟后,加入了一个额外的映射块。中描述了两个示例图4,B类和C类,通过浅绿色调谐曲线。在前一个例子中,机组的最佳频率在其原始值的方向上略微向后偏移,而在后一个例子里,最佳频率在此延迟后保持在其新值。第六个映射块有时在最后一个调节块后约12分钟后出现,其示例显示为图4B类这表明,该装置的最佳频率进一步向后偏移,甚至超过了其初始预处理值。平均而言,在第五个映射块中持续存在显著的最佳频率偏移(图7B类)但在第六个街区消失了(图7C类). 最佳频率变化的瞬态性质,再加上其对条件刺激出现的间隔和顺序的系统依赖性,排除了观察到的效应是由于单位反应性随时间漂移的任何可能性。
影响可塑性的因素:条件刺激的频率分离
条件反射对中两个刺激之间的频率差在不同的实验中有所不同,范围为2.1个倍频程。据预测,由频率上广泛分离的音调组成的条件刺激将在频率调谐方面产生较小的变化,可能是因为它们招募了仅稀疏连接的神经元群体。绘制位移作为条件反射对中刺激之间频率差的函数表明,~1倍频程或更小的差异确实比更大的差异更有效(图8一个). 然而,从这些数据来看,由于两种条件刺激激活相同数量的神经元,频率差异在什么时候变得太小,可塑性降低,尚不清楚。
图8。
影响刺激依赖性可塑性的两个因素。一个,最佳频率偏移是条件反射对中两个刺激之间频率差的函数(n个=54–326(对于不同的频率间隔)。B类,用垂直于皮层表面的16个电极进行记录。C类,最佳频率偏移是记录深度的函数。计算成对记录位点的平均位移,不包括几乎没有记录的位点1和16,并绘制成记录深度和皮质层的函数(n个=26–110(不同深度)。只考虑了间隔为8和12毫秒的调节数据,并颠倒了负调节结果的符号,以便将数据合并并绘制为预测方向的偏移。在两只代表性雪貂的A1表面上的六个位置(由插图中的红色十字表示;黑色小十字表示记录位点的位置)测量皮层的厚度。图表两侧的彩色条显示了在这六个位置中最薄(左)和最厚(右)的皮层厚度。A1,初级听觉皮层;AAF,前声场;D、 背侧;P、 后部*对< 0.05, **对< 0.005, ***对< 0.0005,t吨测试。误差条为±一个SEM。
影响可塑性的因素:皮层深度
麻醉动物的所有实验都是使用16位单柄硅探针进行的(图8B类). 小心地将这些电极以垂直于皮层表面的角度插入,使最接近的记录位置刚好位于表面上方,以便深度测量可以与皮层层相关。在最深的现场几乎没有获得任何记录,因此这些记录被排除在本次分析之外。通过绘制条件反射产生的最佳频率随记录深度变化的曲线图,可以清楚地看出,只有在大脑皮层上层电极位置的有限范围内才会发生显著变化(图8C类).
因为不可能通过单柄硅探针通过电流来标记电解损伤的记录位置,使用尼塞尔物质或NeuN抗体染色的大脑冠状和水平切片,对两种不同雪貂的大脑皮质层厚度进行了六次测量。这些测量是在MEG的不同区域进行的,因此涵盖了A1中电极位置的整个范围(图8C类,参见插图)。毫不奇怪,他们发现每一层的厚度在一定程度上随MEG上方的位置和动物的大小而变化。因此,在这六个位置中最薄(左)和最厚(右)处测量的每一层的上下边界由图两侧的彩色条表示图8C类分别是。记录电极的角度或用于进行这些测量的截面的切割平面的任何差异都会增加估计值范围的变化。然而,图8C类表明不同频率的两个音调的重复配对仅在第II/III层和第IV层中导致A1频率选择性的显著偏移。
不影响可塑性的因素:响应的调谐宽度、速率和时间精度
调谐曲线宽度(图9一个)也不是调节期间发射的峰值数量(图9B类)似乎影响了最佳频率偏移的大小。我们还研究了时间精度(如图3)A1响应的。然而,在移位的幅度和条件音对之间的间隔和互相关函数峰值之间的差异之间没有发现任何关系(图9C类)或函数的宽度(图9D类).
图9。
刺激-时间依赖性可塑性对调谐宽度的依赖性,以及对条件刺激的反应的发射率和时间精度的依赖性。一个,偏移大小是调整曲线宽度的函数(n个= 144–245).B类,根据条件刺激呈现期间激发的尖峰数量改变大小(n个= 156–267).C类,D类,使用中描述的互相关函数的两个特征测量峰值精度图3:它们的峰值位置和调节间隔之间的差异,以及它们的宽度。C类,位移大小是峰值位置和调节间隔之间差异的函数(n个= 51–197).D类,移位大小是互相关宽度的函数(n个= 28–139). 只考虑了8 ms和12 ms间隔条件处理的数据,并颠倒了负条件处理结果的符号,以便将数据汇总并绘制为预测方向的偏移。误差条为±一个SEM。
神经元间相关性
据报道,两个相邻视网膜区域的重复异步调节会导致具有相似感受野的猫初级视皮层(V1)神经元的反应之间的神经元间相关性发生变化,这归因于条件诱导的共同输入变化(Fu等人,2002年). 因此,我们研究了神经元间相关性的类似变化是否是由我们的条件反射过程引起的。为了测试相关性强度的变化,我们计算了具有类似频率选择性的神经元的成对记录之间的CCG(详见材料和方法)。我们使用的记录探针的结构使我们能够测量不同皮层深度和不同神经元间距下的神经元间相关性。
图10一个图示了通过将较浅记录部位的神经元活动与逐渐加深的记录部位的活动相关联而获得的CCG。毫不奇怪,关联强度随着单位之间距离的增加而降低。为了量化相关性强度,可以测量CCG峰值的高度、宽度或其下的面积。图10B类绘制平均CCG峰值高度作为记录位置组合的函数。较暖的颜色清楚地表明,附近单位的相关强度最大。通过从预处理后相关强度中减去后相关强度,并用预处理相关强度将该差异得分归一化,来评估预处理引起的相关强度的潜在变化。图10C类显示了以CCG的宽度或峰高表示的相关强度如何作为相隔0.3mm的记录位点的调节间隔的函数而变化。Fu等人(2002)发现相邻空间位置视觉刺激的异步配对改变了猫V1中同时记录神经元的棘波序列之间的相互关系,并根据刺激出现的间隔和顺序改变了它们的感受野。在特定的调节间隔期间,A1中也观察到相关强度的显著变化(对< 0.05). 然而,尽管我们评估了一系列的位点间距和皮层深度,但没有证据表明这些变化遵循相同的时间模式(图10C类)与听觉频率调谐的变化相比(图5).
图10。
互相关分析结果。一个,在同一个多站点记录探针上,由0.1–0.9 mm分隔的记录站点之间计算的互相关图,通过3 ms boxcar函数进行平滑。B类,相关强度由交叉相关图峰值的平均高度测量,作为记录位置组合的函数。C类,相关强度的变化,通过交叉相关图下的面积及其峰值高度测量,作为记录点调节间隔的函数,间隔高达0.3 mm(n个=104–292(对于不同的间隔)。误差条为±一个SEM。
讨论
我们表明,不同频率音调的重复、异步配对可以改变A1中的音频选择性,其方式与STDP的主要特征一致。当声调对的起始不同步为8或12毫秒时,会发生显著变化,但间隔时间不会更长,变化的方向取决于刺激的顺序。相反,在重复呈现单音频率后,最佳频率并没有发生变化。正如先前对刺激-时间依赖性可塑性的研究一样,这些感受野的改变是在麻醉下观察到的。然而,重要的是,在警觉的雪貂身上也观察到了类似的变化。
塑性稳定性
A1中刺激-时间依赖性可塑性的持续时间与戊巴比妥类麻醉猫V1中的报道相似(姚明和丹,2001)以及乌拉坦麻醉大鼠大脑皮层的STDP(Jacob等人,2007年)这表明在我们的麻醉方案中加入氯胺酮并没有限制效果的持续性。这种可塑性持续时间短可能是由于完整大脑中的神经元活动,这使得建立稳定和持久的突触修饰变得更加困难(有关综述,请参阅周和浦,2004). 因此,LTP和LTD在视网膜顶盖突触爪蟾如果让神经元自发放电几分钟,蝌蚪可以迅速逆转(Zhou等人,2003年)另外,在随机视觉刺激下,10分钟的刺激可以逆转这些细胞中长时间的刺激刺激诱导的感受野偏移(Vislay Meltzer等人,2006年). 神经元活动的这些影响,加上与直流注射相比,感觉刺激对尖峰的控制较弱,可以进一步解释产生刺激时间依赖性可塑性所需的相对大量的刺激配对体内.