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嫌太吵学不进?耳朵不“背锅”

来源:《中国科学报》2021-01-14 09:58

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  嘈杂环境中,总有人能屏蔽噪声集中注意力努力学习,可偏偏自己就不可以;老师讲课时,一听到“段子”就竖起了耳朵;认真练习英语听力,总是毫无障碍地睡着……大家同样长着一双耳朵,怎么选择听到的声音就那么不同?

  上海交通大学医学院附属第九人民医院教授吴皓、研究员华云峰团队联合德国哥廷根大学的科学家,通过深入解析耳蜗神经回路超微结构,建立耳蜗神经回路成像新方法,对人选择性感知外界声音的原因有了新的解答。研究成果近日发表于《细胞报告》。

  修正教科书

  哺乳动物感知外界声音时,耳蜗是关键器官。耳蜗中的毛细胞就像信号接收器,顶部有纤毛首先感知声音振动,随后通过带状突触将转换信号传递给听神经,上行至大脑进而解析信息。不同位置的毛细胞对应了其所能感知声音的频率,声强大小则由毛细胞上具有不同形态和功能的带状突触分工处理。

  由于过去的研究受分辨率或样品大小的限制,认为听神经普遍受单一带状突触支配,所以科学家据此推测,每根听神经仅接受单个毛细胞提供的固定声强信息,且毛细胞在编码声音过程中保持独立。长期以来,这一结论得到科学界公认,被写进了教科书。

  在这次最新发表的论文中,研究人员得到了足以修正教科书的证据。经过高通量连续切片扫描电子显微镜解析,他们获得了目前最大、最具有突触分辨率的小鼠耳蜗神经回路超微结构。

  “在成年小鼠的耳蜗里,仅有72%的听神经属于先前报道的具有单一突触来源,而15%的听神经在单一位点具有多个带状突触结构,剩下的13%为分叉的听神经,连接有两个以上的带状突触,可同时接受来自单个毛细胞不同位点或相邻毛细胞的信号。”论文第一作者华云峰告诉《中国科学报》。

  这表明,教科书上对耳蜗听神经受单一带状突触支配的描述是不准确的。毛细胞与听神经突触连接的多样性提示,声音的神经编码方式可能比人们先前认为的更为多样和复杂。

  耳朵不“背锅”

  上述结论说明,由毛细胞和听神经构成的“声音编码器”可通过多样的连接方式接收复杂的声音信息,但这一过程仍是被动的,导致对外界声音选择性感知的关键原因到底是什么?

  大脑中听神经除了接受毛细胞的信号外,还受中枢传出神经支配来调控其活动。研究人员据此进一步推测,若自下而上的底层毛细胞和听神经不能决定传输哪些声音给大脑,极有可能是中枢神经系统通过调节听神经的活动,选择性过滤掉一些声音信息,但耳蜗神经回路如何实现这一功能?

  本次研究发现,在不同听神经上,传出神经突触的数量具有显著差异,且听神经上带状突触的体积越大、数量越多,传出神经突触越多,即受到中枢更强的调控。这说明,中枢系统对耳蜗听神经活性的调节具有很强的选择性,可以刚好过滤掉背景噪声或者完全屏蔽“不喜欢”的信息。所以,在嘈杂的背景噪声中你学习不下去,别人却能专心致志,真的不能怪“耳朵”,是“神经”不够强大。

  此外,研究者还在听神经上发现了一类新的突触连接,说明听神经受多个大脑核团控制。一系列新发现表明,大脑并非简单地根据音量调节声音感知,从耳蜗神经回路的构造上完全可以实现复杂的音强信息提取。

  听力治疗新前景

  在我国,职业性和老年性听觉疾病发病率始终居高不下,患有残疾性听力障碍人士已超过7200万。在研究者看来,新发现有望对听力损伤治疗有所帮助。

  目前,包括基因治疗在内的各类听觉疾病临床治疗都仅针对耳蜗毛细胞。研究者指出,恢复毛细胞数量或修复损伤只是听觉重建的第一步,接下来如何重塑耳蜗神经回路并恢复其所有高级功能可能是又一个研究重点。

  在研究者看来,新出炉的耳蜗神经回路结构如同一张蓝图,详细描绘了耳蜗听神经如何整合多样的外界声音信号并受大脑中枢紧密、多样的调控。

  “从整体上解析大脑神经网络构造、全面了解其内部各类突触连接的特征和功能,可能是未来脑科学助力临床治疗的新方向。”华云峰指出。此外,随着人工智能的发展,基于机器学习模仿搭建生物大脑的神经网络结构正在如火如荼进行,包括耳蜗神经回路等一系列功能神经网络的超微结构解析将为机器学习算法改进、硬件系统优化带来新的启发。

  对于该成果的未来,华云峰表示,“解析耳蜗神经回路构造只是第一步,在此基础上揭示其生理功能、调控机制,以及该系统的建立和可塑性变化是我们团队和领域研究的新方向。”(实习生 蒋程 记者 甘晓)

[ 责编:赵宇豪 ]
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