文摘
最近的研究表明,暴露在只有一个组件的视听事件会导致跨通道皮质激活。然而,现在还不确定这种交叉招聘是否可能发生在缺乏明确的条件,语义因素,或长期联系。最近的一项研究表明,交叉皮层招聘甚至可能出现短暂接触双向刺激后没有语义关联。此外,作者表明,初级视觉皮层在这种交叉影响。在目前的研究中,我们使用分子活动立即早期基因zif268的映射。我们发现,动物,以前接触到听觉和视觉刺激的结合,显示数量的增加活跃的初级视觉皮层神经元当面对单独的声音。正如前面暗示,这种交叉激活似乎内隐联想两个刺激的结果,可能受他们的时空特征;观察它在相对较短时间的接触(约45分钟),持续时间相对较长时期在最初接触(~ 1天)。这些结果表明,之前报道的发现可能直接来源于增加占领了初级视觉皮层神经元的活动。
1。介绍
感觉处理的环境刺激开始的特化器官(如皮肤、眼睛、耳朵、等)和遵循隔离中枢神经系统信息处理途径。连贯和统一的知觉的多通道事件(例如,包含声音和光线在一个移动的汽车或鸣唱同种的),感觉信息在这些显然不同的途径需要集成。集成的信息在两个或两个以上的感官渠道涉及多个皮层下结构(1- - - - - -4),以及皮质区域(例如,顶叶皮层(5,6),颞上沟(7- - - - - -9),和岛叶皮质10,11])。
在最近的感觉处理,强调modality-specific通道之间的相互作用。例如,最近的研究表明,unisensory皮层的活动可以在跨通道的影响。例如,最近的研究表明,一个初级感觉皮层下可以抑制(12- - - - - -17]或兴奋性交叉影响18- - - - - -21]。发现从单一制录音的视觉影响早期听觉皮层处理(22,23也证明活动在名义上unisensory听觉皮层可以调制的存在并发视觉刺激;类似的数据在人类神经影像学研究,已报告在调制的感觉皮层发生由于多种感觉的聚集有关(审查[24- - - - - -26])。
此外,它已被证明通过几行证据表明,刺激了只有一个感觉形态影响的加工和知觉刺激呈现另一种形态。flash-beep幻觉夏姆斯引入了et al。27)是一个明显的例子这样的多重交互的感知到的数量的视觉闪烁似乎积极联系实际数量的同时一个闪光的哔哔声。后续工作的神经生理学基础这个错觉揭示了初级视觉皮层(V1)的参与和/或其他早期视觉皮质(28- - - - - -31日]。这些现象出现在非常短的时间尺度(通常是几十或几百毫秒)和最有可能反映了过程集成的信息来自两个模式。
当这种相互作用的时间尺度扩展超出分钟和小时,就刺激的情况下提出了只有一个感觉形态新兵地区属于一个不同的形态(如读唇术(32- - - - - -35]或视觉皮质的情况已经被证明对听觉的组件通常双峰事件密切的语义关系,如工具和他们的声音7,8]或声音和脸36,37])。此外,大量的神经影像学研究也直接调查之后学习或调节的跨通道活动范式的本质无关的任意配对的听觉或视觉刺激21,38,39)导致跨通道招聘所示。
立即早期基因(ieg)是一组基因是暂时性的感官刺激后激活(40]。IEG zif268编码转录因子,在神经过程的监管作用如兴奋性神经递质释放,和新陈代谢40,时间进程的mRNA和蛋白表达进行了研究41]。IEG蛋白的诱导表达产品通常用于映射神经活动在细胞水平上通过免疫组织化学(广泛评论[40,42- - - - - -47])。使用活动zif268表达式映射的一个好处是有相当大的染色可靠性和可用性的抗体(48]。此外,细胞决议映射提供了一个精确的定位在大面积的皮层的神经活动。这提供了一个框架,用于大规模分析单细胞分辨率,结合其他方法难以实现的(48,49]。执行分析后期以来,技术许可实验动物与灵活的行为治疗计划。与功能性神经成像和电生理技术,分子映射研究几乎不需要准备程序。动物因此允许不受限制的环境中表现得更自然实验前(48,49]。
分子映射可用于显示激活的大脑区域地图回应刺激序列的每个组件。这允许隔离人群的可视化的神经元,每个响应的不同部分序列(41]。鉴于zif268感应的时间进程已经决定,如果一个动物暴露在一个复合刺激之后,安乐死在一个精确的时间点,可以建立序列内的点,一个给定的人口的神经元活跃评估zif268表达水平的组织。基于zif268感应的时间特性,神经元响应的第一部分化合物刺激应该包含可检测水平的蛋白质,而神经元响应序列的第二部分不应该(41]。在此基础上,如果一个动物是preexposed双峰,随后经历听觉刺激后,视觉刺激安乐死之前,zif268表达式的初级视觉皮层除了听觉皮层将为跨通道招聘构成证据。
功能性正电子发射断层扫描(PET)最近的一项研究[50)探讨了在何种情况下跨通道皮质招聘可以用单峰刺激发生在缺乏语义协会,一个显式的训练模式,或延长,习惯性的共存的双峰刺激。发现人类受试者被preexposed视听刺激显示增加脑血流量在初级视觉皮层响应的听觉组件单独双向刺激,而天真的主题显示只有modality-specific激活。结果表明,听觉系统的输入可以推动活动的初级视觉皮层(V1)后1天短暂的接触和持续24小时后50]。然而,由于相关的固有限制血液流向潜在的神经活动的变化与功能性PET成像的情况下,目前仍不清楚是否观察到的跨通道现象直接相关的神经活动增加区域V1。
因此,本研究的目的是调查前所述跨通道招聘V1的听觉刺激反应使用一个更直接的方法,观察大脑活动,即分子活动的映射IEG zif268,为了描述一个更直接的联系nonrelevant感觉输入和跨通道皮质激活。
2。材料和方法
2.1。动物
受试者的长尾黑颚猴四成人(Chlorocebus sabaeus)。依法进行的动物实验动物使用协议的麦吉尔大学动物保健委员会,执行行为科学基金会岛上的圣基茨。这个设施是完全认可的加拿大委员会动物保健。外部化脑组织是回到麦吉尔大学组织学进行处理和数据分析。
2.2。设备和刺激
听觉和视觉刺激了使用索尼液晶数字电视与集成stereospeakers连接到一台MacBook Air电脑(苹果公司)。猴子坐在的灵长类动物面临的椅子中心监控的观看距离60厘米。
听觉(A)和视觉(V)刺激(图1(一)的形式)都提出了五个元素的序列2 s。然而,元素的持续时间决定随机使用Matlab软件在每个试验,每个试验的总长度不超过2 s。三秒钟的沉默后每2 s审判。听觉刺激的内容是白噪音破裂而闪光的视觉刺激是由一个随机点模式。每个2 s刺激了从三种离散位置(左,中,或右;数据1 (b)- - - - - -1 (d))的范围内定义的感官空间限制的监视和扬声器的位置。这些听觉和视觉刺激也搭配在一起,给猴子的子集作为45分钟的复合双向刺激以听觉和视觉形式之间建立内隐联想基于时间和空间属性的刺激。这一类的刺激被用来可视化跨通道招聘现象在人类之前报道。
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(c)
(d)
2.3。刺激的过程
每只猴子被暴露在一个序列的后跟V刺激(反之亦然),以可视化zif268表达式以响应这些刺激在初级感觉的大脑区域。刺激街区设计的总时间,这样第一个刺激持续60分钟紧随其后30分钟的接触刺激其他形态。这些时期的选择背后的基本原理是基于zif268蛋白质的峰(今后zif268)表达式,它发生在发病后的90分钟的感官刺激。因此,两只动物获得了听觉视觉刺激序列(即紧随其后。,AV),另两只动物收到相反的顺序(即。弗吉尼亚州)。另外,在每个刺激组动物进一步分为两个类别的天真(N)和有经验的(E),其中N表示复合双向刺激和E的缺乏经验——这种经验的存在。猴子在E组收到这些化合物刺激前24小时之前收到AV或VA刺激序列,并立即被安乐死Zif268可视化表达的目的。
2.4。动物治疗和组织收集
7天前开始的这项研究中,每天灵长类的动物经历了两个小时的习惯椅子和随后的测试室实验期间使用。这些会话期间他们收到橙色和酸橙味汁作为奖励。当天实验的猴子被安置在灵长类动物的椅子上。每个动物都暗适应穿着一双泡沫耳塞了三个小时,以确保基线水平的Zif268表达式。刺激呈现之后,动物收到盐酸氯胺酮(10毫克/公斤)镇静和随后被安乐死的过量静脉注射戊巴比妥钠(25毫克/公斤),其次是transcardial灌注0.1 PBS放血。大脑被外部化和沿冠状平面分段。每个半球受阻,每个块在一个瞬间冷冻异戊烷在干冰浴冷却室和维护−80˚c . Twenty-micrometer-thick部分被剪切了冷冻−20块˚C在徕卡CM3050低温恒温器,安装到Vectabond(向量实验室)一定不好过玻璃幻灯片。存储在80−slide-mounted组织部分˚C直到组织学处理。
2.5。免疫组织化学
Slide-mounted twenty-micron用来组织部分解冻在37张温暖˚C ~ 5分钟。行动党笔是用来创建一个疏水屏障slide-mounted周围组织为了保持组织切片染色试剂本地化。部分被固定paraformaldehyde-in-phosphate-buffered 4%生理盐水(PBS)解决方案10分钟,其次是5分钟PBS冲洗。部分被用0.3%过氧化氢在PBS 15分钟阻断内源性过氧化物酶活性。另一个5分钟PBS冲洗后,部分乙酰化在0.25%乙酸酐在10毫米三乙醇胺(茶),每次10分钟。部分在PBS然后冲洗5分钟,然后阻塞30分钟PBS溶液和3%正常山羊血清(门店)。每个部分是孵化一夜之间在4˚C 1毫升的兔子anti-Zif268多克隆抗体的浓度(由Bravo)解决方案1:10000。第二天,部分接受三分钟PBS洗,其次是孵化在二级抗体溶液(生物素化的goat-anti-rabbit抗体稀释1:500年PBS含有3%门店)为1.5小时。给出的部分被连续三分钟PBS洗在接受小时孵化avidin-biotin-conjugated辣根过氧化物酶(Vectastain ABC工具包)解决方案(1:500)。三个后续十分钟洗在PBS,部分处理3,3-diaminobenzidine (DAB)衬底工具包。PBS的部分被冲洗三次5分钟,随后接受了在分级乙醇脱水步骤,清除在二甲苯,并与Permount盖玻片。
2.6。甲苯基紫染色
甲苯基紫染色尼氏小体对相邻组织部分那些应用。尼氏小污渍的目的是揭示解剖标志描述听觉和视觉皮质并提供估计每个大脑区域的神经元的密度。染色协议如下。从冰箱存储删除指定的部分后,他们离开了在室温下晾干5分钟。然后进行分级的部分乙醇脱水染色和补液紧随其后。幻灯片被盖玻片Permount安装介质和在室温下晾干在通风橱。
2.7。组织学的数字化数据
组织学处理后,所有部分从主主视觉和听觉中枢使用MiraxDesk幻灯片扫描仪进行扫描和米拉克斯集团查看器软件(Thornwood卡尔蔡司缩微成像公司,纽约)。三张照片来自五扫描每个大脑区域部分,有足够数量的高倍率捕捉每帧(相当于放大使用40 x物镜)跨所有皮质层。抓住了每帧的必要数量取决于皮质厚度,但从三到六捕获。捕获的Nissl-stained扫描部分来自大约相同的大脑的部分感兴趣的领域和相应的应用扫描部分。一个立体地图集被用作参考确定感兴趣的领域的边界。
2.8。细胞计数和统计分析
计算帧包含和排除边界固定到每个帧捕获。计算框架面积大约是310000像素2转换为38990μ米2横跨整个扫描区域的长度。手工计算的对象进行在每个计算框架,一旦应用核和立即Nissl-stained细胞体的相邻的部分。图2代表对象计算的例子。尼氏小细胞计数标准大内质的染色可见核被膜和一个或多个核仁。对象(如神经胶质细胞不符合这些标准被丢弃的计数。细胞的密度计算除以区域的细胞计数为每个计算框架。immunopositive神经元的比例的平均数量的神经元组织切片计算immunopositive神经元的密度除以Nissl-stained神经元的密度在相邻的部分。无意义的差异被发现之间的总细胞密度给定的大脑区域在四个科目。计算完成了40帧从每个每个动物的大脑区域,总共320帧数。因变量是表示为由此产生的比率和被转移到ezANOVA统计分析软件(http://bit.ly/vZfGCO)的方差分析(方差分析)。
(一)
(b)
3所示。结果与讨论
混合设计双向方差分析进行细胞密度的比值immunopositive总神经元,神经元和大脑区域为受试变量和条件为主题之间变量。条件变量包含四个层次:AVN弗吉尼亚州N,AVE弗吉尼亚州E,其中N是天真,E代表经验丰富,AV代表听觉视觉刺激紧随其后,VA代表视觉听觉刺激紧随其后。变量的大脑区域包含两个层次:AC(听觉皮层)和VC(视觉皮层)。方差分析揭示了一个重要的脑区之间的相互作用和条件(;)以及重大的主要影响的大脑区域(;)和条件(;)。情节是总结在图的交互3。
Zif268表达式的分析视觉皮层被局限于纹状皮层或V1能够直接比较我们的发现与Zangenehpour和Zatorre50]。我们首先比较了modality-specific V1的反应(即两组之间的动物。,Experienced vs. Naïve) and found a nonsignificant difference between Zif268 expressions across the two conditions [VAN(意味着±SE = 0.82±0.02)和弗吉尼亚州E(意味着±SE = 0.84±0.02)]。这一发现是我们的期望,我们没有先天的理由预期改变V1活动在视觉刺激反应之前接触视听刺激的结果。这个分析的结果也成为一个有价值的内部控制,因为它表明,尽管个体差异,大量的一致性是观察到的大脑皮层活动的程度对视觉刺激的反应。
然后,我们集中我们的分析视觉皮层中的任何跨通道的影响。我们发现V1 AV Zif268的表达条件E(意味着±SE = 0.87±0.03)显著高于AV中发现的条件N(意味着±SE = 0.57±0.02;;)和无意义的不同条件N和弗吉尼亚州E。更高层次的AV Zif268表达条件EAV相比N表明,听觉刺激序列的组件(例如,听觉followed by visual) was the driving force of V1 protein expression in condition AVE虽然没有影响AV V1的活动条件N。这些分析进一步表明,E组动物的V1视觉以同样的方式回应和听觉刺激,而N组动物的V1 modality-specific方式回应同样的刺激。这个观察从而构成我们的研究的主要发现,即,除了modality-specific激活V1和A1在所有情况下,V1是交叉被经验丰富的听觉刺激,但不幼稚的话题。图4显微图显示代表观察到的激活模式。
(一)
(b)
(c)
(d)
听觉皮层的Zif268表达式的分析局限于核心区域(也称为A1,所定义的(51,52),如)。为了有一个类似的框架比较V1。听觉皮层表达Zif268在所有实验条件被发现形态具体。A1的表达没有明显区别Zif268 AV的条件N(意味着±SE = 0.78±0.04)和AV的条件E(意味着±SE = 0.78±0.05)。同样,没有显著区别A1的Zif268表达条件N(意味着±SE = 0.49±0.02)和条件E(意味着±SE = 0.47±0.03),这表明听觉刺激序列的组件是唯一驱动力在A1 Zif268表达式。图5显微图显示代表Zif268表达式从A1的四个实验条件。
(一)
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(d)
到目前为止我们已经能够找到跨通道并行证据招聘的视觉皮层听觉刺激,只有当这些听觉刺激的经历先天的在复合视听刺激的环境中,使用一个非人类灵长类动物模型。在Zangenehpour Zatorre研究[50),我们没有观察到对称的跨通道招聘;即听觉皮层的经验丰富的主题并没有显示视觉刺激的积极回应。因此,有了这种现象在非人类灵长类动物大脑细胞决议,我们提供了融合的证据发现Zangenehpour和Zatorre在人类的大脑。合并后的结果表明,跨通道的招聘可以短暂接触后一个视听事件发生在缺乏语义因素。
我们也复制早期的发现在老鼠大脑53)的表达谱Zif268在复合后的主视觉和听觉皮层刺激序列。我们的观察证实,由于听觉视觉刺激,V1将显示基线蛋白质表达和A1将显示蛋白表达升高,相反的模式如果刺激序列得到逆转。然而,我们有一个非常重要的区别,和那些早期发现是activity-induced蛋白质的表达量与基线相比。我们发现蛋白表达在回应刺激增长了1.4倍V1和A1的1.6倍。这个增长似乎低于老鼠大脑中发现的(53),最有可能因为基线长尾黑颚猴猴大脑中蛋白表达高于在老鼠大脑。基线Zif268表达式可以刺激驱动由于自发翻译或表达式由自发的神经活动(53]。之前就有发现,30%的大鼠视觉皮层中神经元Zif268 immunopositive在基线54),而我们发现这是57%的神经元的长尾黑颚猴猴视觉皮质。尽管这可能是由于种间变异,也可能仅仅3小时感官剥夺时期在我们研究设计了高水平的基线蛋白表达。啮齿动物的研究报告低基线表达感官剥夺时间的几天到几周(54,55]。感官剥夺时期灵长类动物研究中由于道德和实际问题必须是有限的。
最近一系列功能性神经成像(32,33,35),与事件相关电位(ERP)的录音56- - - - - -60)和脑磁图描记术(MEG (61年,62年)实验表明人类的听觉皮层的网站的交互audiotactile和视听信息。猴子(颅内记录研究36,63年- - - - - -67年)支持那些非侵入式人类的研究表明,听觉皮层神经元的反应可能受到视觉和/或躯体感觉信息。同样,这两个早期(68年- - - - - -70年)和高级视觉皮层区域(37,71年- - - - - -79年已被证明是在听觉和躯体感觉的影响。然而,很少有研究表明,听觉刺激单独导致视觉皮层的激活(反之亦然)涉及明确的协会或习惯性coexposure以外的情况。事实上,有相当多的证据相互抑制在感觉皮质,活动在一个导致抑制。目前的发现有助于阐明跨通道的条件招聘可以获得。
丰富的文献已经编译在跨通道的上下文中可塑性的主题结构操作的神经系统在动物模型和人类感官的赤字。例如,手术伤害提升听觉通路已被证明导致小说的形成视网膜投影到内侧膝状体核和听觉皮层(80年- - - - - -82年]。跨通道可塑性已经记录在人类的大脑中感觉赤字,如视觉皮质的激活在盲人受试者通过触觉(83年- - - - - -87年)或听觉任务(88年,89年),或听觉皮层招聘聋人的视觉刺激(90年- - - - - -92年]。然而,在目前的研究中,我们观察到一个健壮的跨通道招聘的初级视觉皮层(V1)在缺乏类似deprivation-related重组。其他显示招聘外纹视觉皮层区域特性与visuohaptic广泛训练后上肢任务(74年]和触觉歧视的光栅取向[79年在通常的个人。目前的研究,即使文档初级视觉皮层受到交叉招聘,这可能发生相对迅速。我们没有观察到对称的跨通道的招聘,因为我们没有发现任何活动超出基线A1的视觉刺激。上面的许多研究综述,表明听觉中枢跨通道输入的响应能力,然而,我们避免解释缺乏听觉招聘作为一个迹象表明,听觉皮层区域不能由不闻在适当条件下输入。
有一个剩余的问题:如何V1接收听觉信息,这样它是由声音吗?有三种可能,不一定是相互排斥的,场景为此类活动介导解剖(讨论(9,25,26):(i)听觉信号可能是路由从听觉脑干核到视觉皮层下结构(例如,外侧膝状体核)和那里V1;(2)皮层听觉信号可能影响V1间接通过多通道皮质区域;(3)早期听觉皮层区域可能通过corticocortical通路与V1直接沟通。有证据支持的直接,但稀疏,解剖联系非人灵长类动物大脑的听觉和纹状皮层(22,69年,93年]。也有证据来支持各种丘脑区域,如枕(3,4和其他一些丘脑核4),表现出多重属性。类似的发现连接大脑的皮质部位,如通过角形脑回(94年],STS [95年),和岛叶皮质96年),被用来解释观察到的跨通道可塑性,比如那些有视力的受试者报告(97年]。虽然我们分子映射方法不能用于直接回答有关连接,它可以结合传统的跟踪方法在后续研究来帮助找到一个清晰的答案。
4所示。结论
我们使用立即早期基因的分子活动映射zif268进一步研究跨通道的性质招聘的视觉皮层听觉刺激在短暂暴露于视听事件。当面对只有听觉或视觉组件的双峰刺激,天真的动物只显示modality-specific皮质激活。然而,动物,曾暴露于听觉的结合和视觉刺激显示数量的增加活跃的神经元初级视觉皮层(V1)当面对单独的声音。正如前面暗示,这种跨通道的激活可能是内隐联想两个刺激的结果,可能受他们的时空特征;观察它在相对较短时间的接触(约45分钟),持续时间相对较长时期在最初接触(~ 1天)。这些新发现表明,视觉和听觉中枢互动比通常想象的更为广泛。此外,他们认为,之前报道的发现可能直接来源于增加占领了初级视觉皮层神经元的活动。
确认
这项工作是支持的创业资助从麦吉尔大学理学院深圳和基础设施支持行为科学基金会(BSF),圣基茨,西印度群岛。作者感谢净水器的员工,以及爱德华·威尔逊的灵长类动物处理和组织收集宝贵的援助。他们也感谢弗兰克·欧文和罗伯塔Palmour的继续的支持。