电刺激耳蜗记录下丘的空间调谐曲线
作者：潘滔 曹克利 王直中
单位：100730北京 中国医学科学学院中国协和医科大学北京协和医院耳鼻咽喉科
关键词：耳蜗植入；；耳蜗；；下丘；；电刺激
中华耳鼻咽喉科杂志980310 【摘要】 目的 探索耳蜗电刺激的听觉中枢电活动机理，为多道人工耳蜗电刺激的部位代码提供生理依据。方法 利用记录单单位和多单位电位反应的方法，分别描记17只猫听觉下丘核团对耳蜗内单极电刺激，耳蜗内双极电刺激和纯音刺激反应的空间调谐曲线。结果 耳蜗内双极电刺激能兴奋下丘中的特定区域，类似于对纯音刺激的反应；而耳蜗内单极电刺激使下丘细胞广泛地被兴奋，不能提供部位代码。结论 使用双极电极时，刺激电流的局限范围是提高部位代码的关键；耳蜗内单极电刺激部位代码的电生理结果与心理物理学的结论以及人工耳蜗植入患者的临床效果相矛盾，对此的解释有待进一步研究。
, 百拇医药 Spatial tuning curve recording in inferior colliculus during electrical stimulation of the cochlea Pan Tao , Cao Keli , Wang Zhizhong. Peking Union Medical College Hospital , Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100730
【Abstract】 Objective To explore the electrical activity mechanism of auditory center to intracochlear electrical stimulation and provide physiological foundation for spatial encoding of electrical stimulation in multiple channel cochlear implant. Methods The spatial tuning curves(STC) in the inferior colliculus(IC) to monopolar electrical stimulation, bipolar electrical stimulation and tone stimulation in cats were composed by using the single unit and the multi-units cluster recording method. Results The bipolar electrical stimulation excited the response in the specific region in IC, which was similar to the response induced by tone stimulation. The monopolar electrical sti-mulation excited an extensive response and could not provide the spatial encoding. Conclusion Using the bipolar electrical stimulation, the stimulation region is the key point for improving the spatial encoding. The physiological results of spatial encoding of monopolar electrical stimulation contradicted the psychophysical conclusion and the clinical effect of CI patients. The explanation to this needs further studies.
, 百拇医药
【Key words】 Cochlear implant Cochlea Inferior colliculus Electric stimulation
现代人工耳蜗的发展要求电刺激提供有效的部位代码。根据行波学说的理论，耳蜗底回对高频声刺激敏感，顶回对低频声刺激敏感[1]。电听觉心理物理学的研究表明：利用耳蜗内多道电极，采用相同频率的电刺激，对耳蜗底回的电刺激能产生高频音感，对顶回的电刺激能产生低频音感。 根据这一原理设计的多通道装置能获得较好的音频分辨和语言识别能力[2，3]。心理物理学的研究还发现耳蜗内单极电刺激和双极电刺激都能提供很好的部位代码，即电刺激耳蜗的不同部位能感受不同的音频。研究表明，采用同样语言编码方案的多通道装置，分别用两种刺激电极模式，患者能产生相同的语言识别度[2，3]。
目前两种电极模式在多道人工耳蜗中广泛被采用，都取得很好的临床效果。为了观察听觉传导通路的高级部位对耳蜗内两种电极模式电刺激的部位代码，我们记录了耳蜗内单极和双极电刺激及纯音刺激在猫下丘(inferior colliculous)诱发的单单位(single unit)和多单位(multi-units)放电，并描记成空间调谐曲线(spatial tuning curve，STC)，希望所取得的结果能对人工耳蜗使用电刺激的部位代码机制提供有益的提示。
, 百拇医药
材料和方法
一、动物的选择和麻醉
动物为17只健康成年猫，听力正常，无中耳感染，体重2～3 kg。首先用氯胺酮22 mg/kg肌肉注射起效后，动物手术部位去毛，前肢肘静脉切开插管缓慢静脉注射苯巴比妥钠溶液40 mg/kg，以后根据麻醉深度每小时酌情加量5 mg/kg。静脉输入生理盐水以维持静脉通道开放，气管切开插管保持呼吸通畅，同时减少动物躯体活动对记录电极的影响。实验过程中动物包裹在电动水加热毯中，以避免普通电热毯的交流电干扰。室温控制在25℃，冬季用电暖气加热，猫体温控制在38℃左右，每小时测量直肠温度1次。9只猫做纯音检测；8只猫行电刺激检测，其中采用单、双极电刺激各4只。
二、手术及电极的植入
耳蜗内电极植入方法：切开颞肌，暴露并打开听泡，切开圆窗膜，经圆窗植入电极，沿鼓阶尽量深入。生物胶固定电极。电极用表面Teflon绝缘的铂铱合金丝自制，尖端用高温溶化成球形，直径0.3 mm，并去除绝缘层。双极电极为1对，外面套外径0.8 mm硅胶管。双电极的两电极间距1 mm，用单电极时，耳蜗内电极用双电极中的1根，参考电极为直径0.1 mm的铂铱丝置于颞肌深面。
, 百拇医药
猫用头夹固定于实验台上，实验台上放置100 kg钢板，下面垫厚橡胶两层减震。于刺激耳对侧颅顶部切开头皮，切除部分颞肌，暴露该侧顶骨和枕骨及颞骨的一部分。于小脑幕前距中线旁2 mm处切割钻磨开0.8 cm×0.8 cm范围的顶骨，在双目手术显微镜下小心剪开大脑枕叶的硬脑膜和软脑膜，吸引器吸去大脑枕叶的一部分，可见小脑幕及其下方的部分下丘核，用金刚石钻头磨去下丘核上方的骨性小脑幕，避免接触损伤下丘，完全暴露下丘核的背外侧，创面止血后准备记录[4]。
三、刺激设备及参数
纯音刺激采用短纯音信号，用以观察与声音同步的神经放电。耳机距离刺激耳2 cm，实验室为安静环境，背景噪声<30 dB SPL，刺激声强用声级计测量，声级计探头位置距动物耳距离与距耳机相同，均为2 cm。
电刺激采用美国RC公司EGAA生理实验专用软件控制下的数模转换器产生，输出信号经过衰减器，再经过直流供电光电刺激隔离器连接耳蜗内电极。电刺激强度由衰减器控制。电刺激信号采用100 μs波宽的双向方波，刺激频率为10～20 pps(pulse per second，每秒脉冲数)，采用这种刺激的依据是：①该刺激波宽类似于临床人工耳蜗采用的刺激信号；②双相方波可避免耳蜗内局部电荷的积累；③用10～20 pps的电刺激，下丘起始反应神经元(onset response units)和持续反应神经元(sustained response units)细胞反应的时间特性不表现出差异[5]。
, 百拇医药
四、记录设备和方法
记录电极采用外径1.8 mm单管玻璃微电极，实验前用电极拉制器拉制成尖部直径约1μm，长1 cm，基部保留3.5 cm长度的电极。记录前测量电极阻抗为5～10 MΩ，电极充填液为3 mol/L KCL，加入染料以显示颜色，用微量注射器灌注电极液后，电极静置10分钟，待电极液到达电极的尖部后使用。参考电极置于颞肌表面。 前置放大器采用Nihon Konden MEZ-8201微电极放大器，滤波范围为100 Hz～3 kHz，电极反应信号经前置放大器后分为3路：第一路经Tektronix 511A示波器直接观察，扫描速度为5 ms/cm，灵敏度为0.5～1 mV；第二路经Nikko ND550磁带机记录，实验后重放由EGAA计算机软件处理；第三路接声音监听[6]。
猫体位保持水平，身体向刺激耳侧倾斜45°，使垂直下降的电极保持在猫头的冠状面内，与矢状面呈45°角，从下丘的前外侧进入腹内侧，以便使电极尖运动全程由下丘的外核进入到中核。在手术显微镜下，待电极的尖端接触下丘表面时，打开Narishge PF5-48微电极推动器，计数器设置为0 μm，首先以较快的速度推进，待监听器中听到与声音同步的神经放电后，以1 μm /s的速度推进。找到多单位的放电时，做步进性推进，以便分离出单单位反应的电位。记录对电刺激的反应时，由于电刺激伪迹影响监听，故以示波器观察为主，当示波器上出现与伪迹同步的较低电位时，说明电极尖端已接近所需的核团，减慢推进速度寻找多单位及单单位的反应。阈值确定方法是最小的刺激强度能诱发多单位或单单位出现反应[4]。
, 百拇医药
结果
1.下丘对纯音刺激的反应：单单位对5 kHz纯音声刺激的反应表现为双相动作电位，先正后负，正相波宽0.5 ms(图1)，反应的脉冲间隔数直方图(interspike interval histogram)可以看出单单位对高频纯音刺激无相位锁定，诱发细胞的平均电反应率为160 pps(图2)。
2.纯音刺激记录下丘的STC：5 kHz纯音刺激诱发的下丘反应STC(图3)是电极深度对反应阈值的函数关系。用电极微推动器使电极进入到下丘不同深度测量其反应阈值，电极每进入200 μm左右记录一点的反应，这些点的反应有些是多单位的反应，有些是单单位的反应，可以看出在电极深入到2 900 μm处有一低阈值区，该处的反应阈值较其它部位低30 dB SPL左右，提示该处神经元反应的特征频率是5 kHz。当电极超过一定深度时声刺激诱发的反应消失，说明电极尖端已超出下丘的范围[4]。
, 百拇医药
图1 5 kHz纯音刺激诱发的下丘单单位反应
脉冲间隔时间(ms)
图2 5 kHz纯音诱发下丘单单位反应的脉冲间隔统计。脉
冲间隔49个，平均间隔6.25 ms，平均电反应率为160 pps
图3 5 kHz纯音刺激诱发下丘的电反应STC在
2 900 μm处可见低阈值区
3.电刺激耳蜗记录的下丘反应： 1 000 μA电刺激耳蜗诱发的下丘单单位反应电位波形特点与声刺激诱发反应类似(图4)，反应潜伏期恒定为8 ms，表现为很强的相位锁定。
, 百拇医药
4.电刺激耳蜗记录下丘的STC：我们采用在输出信号与刺激电极之间串联一个1kΩ的标准电阻，测量电阻上的电压下降值，来计算刺激电流的强度。
图4 1 000 μA电刺激耳蜗诱发下丘的单单位反应
耳蜗内单极电刺激诱发下丘反应的STC特点是：电刺激诱发下丘中核广泛区域神经元的兴奋，不存在特定的低阈值区(图5)。耳蜗内双极电刺激下丘的STC则分别在3 400～3 500 μm和3 500～3 600 μm处出现低阈值区(图6)，说明小电流的电刺激特异性的兴奋该部位。
电极深度(μm)
图5 耳蜗内单极电刺激诱发下丘的STC无特定
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的低阈值区
图6 耳蜗内双极电刺激诱发下丘的STC在3 500～
3 600 μm处可见低阈值区
讨论
一、在下丘描记STC的理论依据
STC是利用下丘不同的频率代表部位对同一频率的纯音刺激反应阈所绘制的曲线。反应阈值最低部位的神经元特征频率为刺激频率。而频率调谐曲线是指一个单神经元对不同频率纯音刺激反应阈所绘制的曲线，反应阈值最低处的频率是该神经元的特征频率。在描记STC过程中所记录的单单位或多单位反应，并没有测出这些单位的频率调谐曲线，而所使用的这些记录点具有很窄的特征频率是合成STC的关键。Synder等[4，7]分别用单细胞和多细胞反应测量下丘不同部位的频率调谐曲线，二者的结果是一致的。下丘中核的单单位反应和多单位反应都有很窄的特征频率，因此两种反应电位都可用来描记空间调谐曲线。下丘中核是下丘中最大的一部分，由层状的等频区组成，等频区由传入神经元的轴突和内在神经元的树突组成，分布特点是背外侧为低频区，腹内侧为高频区，这种等频区分布类似洋葱，极具规律性，因此选择该部位记录STC。
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二、不同刺激诱发的下丘STC比较
单单位对声刺激反应的时间机制特点是对低频声刺激反应表现为相位锁定，对高频声刺激反应不存在相位锁定。从对5 kHz声刺激反应的脉冲间隔数直方图可以看出，对声刺激的电反应率远低于纯音刺激的频率，缺乏相位锁定，这是因为听觉系统对高频声刺激主要是由不同特征频率的细胞代码，即通过部位机制代码，未从时间机制方面提供代码。
纯音刺激经过耳蜗的内毛细胞共振滤波，低频刺激兴奋耳蜗顶回的毛细胞，高频刺激兴奋底回的毛细胞，经相应特征频率的听神经纤维，通过听觉传导通路至下丘的相应部位，所以下丘不同部位的细胞分别对不同频率的纯音敏感，整个听觉传导通路都存在这种对频率的部位代码。下丘对纯音刺激的STC形成低阈值区，且低阈值区的宽度很窄，说明纯音刺激只兴奋很小范围的具有该特征频率的细胞，再次证明了听觉系统对声刺激存在部位代码[1]。
耳蜗内双极电刺激有选择地兴奋电极附近的听神经纤维, 经过听觉传导通路，在下丘的等频区表现为特定部位的兴奋，类似于对声刺激的反应。但这种空间选择性并不决定于听神经纤维的特征频率，而是决定于刺激电极在耳蜗中的位置。双极电刺激时，距电极近处的听神经纤维兴奋阈低，而距电极远处的兴奋阈高，通过耳蜗内双极电极能有选择地兴奋电极附近的听神经纤维，因而提供部位代码。并且，双极电极之间的距离、电极的表面积和几何形状、在耳蜗内的方位都会对电刺激的空间选择性产生影响。如：Van den Honert 等[8]在听神经上记录的结果是放射状双极电极(radial bipolar electrode)较径向的双极电极(longitudinal bipolar electrode)产生更高的空间选择性。由于受到电极制作工艺的限制，本实验使用的双极电极的间距和空间位置无法精确控制，未能在下丘得出更窄的STC。
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耳蜗内单极电刺激的电场范围广，听神经纤维被兴奋后沿听觉传导通路到达下丘的相应部位。听觉传导通路有频率分析过程，特别是耳蜗背侧核的抑制现象有提高频率分辨的作用。根据心理物理学的实验单极电刺激耳蜗内不同部位，能产生不同频率的音感，可提供对频率的部位代码。但是在下丘记录的STC未表现出空间选择性,未能证明耳蜗内单极电刺激提供了部位代码[8]。目前，耳蜗内单极电极在多道人工耳蜗装置中被广泛采用。人工耳蜗的发展要求电刺激频率趋向于向高频扩展，这需要电刺激的波宽更窄。神经纤维对电刺激的反应决定于电刺激波幅和波宽，波幅不变，波宽的缩短使电荷量变小，单极电刺激较双极电刺激反应阈低，为缩短刺激波宽，提高刺激频率提供了更大的可能性。但如何解释单极电刺激能很好地提供对频率的部位代码，有待进一步的研究[9]。
参考文献
1Pickles JO. An introduction to the physiology of hearing. New York: Academic, 1982.71-105.
, http://www.100md.com
2von-Wallenberg EL, Battmer RD, Doden I, et al. Place-pitch and speech perception measures with bipolar and monopolar electrical stimulation of the cochlea. Ann Otol Rhinol Laryngol,1995, 166(Suppl):372-375.
3Battmer RD, Martens U.Comparison study of patients using either the nucleus minisystem-22 in bipolar mode or the nucleus 20+2 in monopolar mode. Ann Otol Rhinol Laryngol ,1995, 166(Suppl):349-351.
4Synder RL, Rebscher SJ, Cao Keli. Chronic intracochlear electrical stimulation in the neonatally deafened cat.1:Expansion of central representation. Hear Res, 1990,50: 7-34.
, http://www.100md.com
5Snyder R, Leake P, Rebscher S, et al. Temporal resolution of neurons in cat inferior colliculus to intracochlear electrical stimulation: effects of neonatal deafening and chronic stimulation. J Neurophysiol, 1995,73:449-467.
6Eric J. Suppression of auditory nerve response 1: temporal analysis , intensity effects and suppression contours. J Acoust Soc Am, 1981, 69:1735-1745.
7Aitkin LM, Ebster WR, Veale JC,et al. Inferior colliculus. 1. Comparison of response properities of Neurons in central, pericentrial and external nuclei of adult cat .J Neurophysiol, 1975, 38:1196-1207.
, http://www.100md.com
8Van den Honert C ,Atypulkowski PH. Single fiber mapping of spatial excitation patterns in the electrically stimulated auditory nerve.Hear Res, 1987, 29:195-206.
9Patrick JF, Evans AR. Implant designs for future coding strategies. Ann Otol Rhinol Laryngol,1995, 166 (Suppl):137-138.
本课题为国家自然科学基金会资助项目(39570756)
(收稿：1997-12-17 修回：1998-03-27), http://www.100md.com
单位：100730北京 中国医学科学学院中国协和医科大学北京协和医院耳鼻咽喉科
关键词：耳蜗植入；；耳蜗；；下丘；；电刺激
中华耳鼻咽喉科杂志980310 【摘要】 目的 探索耳蜗电刺激的听觉中枢电活动机理，为多道人工耳蜗电刺激的部位代码提供生理依据。方法 利用记录单单位和多单位电位反应的方法，分别描记17只猫听觉下丘核团对耳蜗内单极电刺激，耳蜗内双极电刺激和纯音刺激反应的空间调谐曲线。结果 耳蜗内双极电刺激能兴奋下丘中的特定区域，类似于对纯音刺激的反应；而耳蜗内单极电刺激使下丘细胞广泛地被兴奋，不能提供部位代码。结论 使用双极电极时，刺激电流的局限范围是提高部位代码的关键；耳蜗内单极电刺激部位代码的电生理结果与心理物理学的结论以及人工耳蜗植入患者的临床效果相矛盾，对此的解释有待进一步研究。
, 百拇医药 Spatial tuning curve recording in inferior colliculus during electrical stimulation of the cochlea Pan Tao , Cao Keli , Wang Zhizhong. Peking Union Medical College Hospital , Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100730
【Abstract】 Objective To explore the electrical activity mechanism of auditory center to intracochlear electrical stimulation and provide physiological foundation for spatial encoding of electrical stimulation in multiple channel cochlear implant. Methods The spatial tuning curves(STC) in the inferior colliculus(IC) to monopolar electrical stimulation, bipolar electrical stimulation and tone stimulation in cats were composed by using the single unit and the multi-units cluster recording method. Results The bipolar electrical stimulation excited the response in the specific region in IC, which was similar to the response induced by tone stimulation. The monopolar electrical sti-mulation excited an extensive response and could not provide the spatial encoding. Conclusion Using the bipolar electrical stimulation, the stimulation region is the key point for improving the spatial encoding. The physiological results of spatial encoding of monopolar electrical stimulation contradicted the psychophysical conclusion and the clinical effect of CI patients. The explanation to this needs further studies.
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【Key words】 Cochlear implant Cochlea Inferior colliculus Electric stimulation
现代人工耳蜗的发展要求电刺激提供有效的部位代码。根据行波学说的理论，耳蜗底回对高频声刺激敏感，顶回对低频声刺激敏感[1]。电听觉心理物理学的研究表明：利用耳蜗内多道电极，采用相同频率的电刺激，对耳蜗底回的电刺激能产生高频音感，对顶回的电刺激能产生低频音感。 根据这一原理设计的多通道装置能获得较好的音频分辨和语言识别能力[2，3]。心理物理学的研究还发现耳蜗内单极电刺激和双极电刺激都能提供很好的部位代码，即电刺激耳蜗的不同部位能感受不同的音频。研究表明，采用同样语言编码方案的多通道装置，分别用两种刺激电极模式，患者能产生相同的语言识别度[2，3]。
目前两种电极模式在多道人工耳蜗中广泛被采用，都取得很好的临床效果。为了观察听觉传导通路的高级部位对耳蜗内两种电极模式电刺激的部位代码，我们记录了耳蜗内单极和双极电刺激及纯音刺激在猫下丘(inferior colliculous)诱发的单单位(single unit)和多单位(multi-units)放电，并描记成空间调谐曲线(spatial tuning curve，STC)，希望所取得的结果能对人工耳蜗使用电刺激的部位代码机制提供有益的提示。
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材料和方法
一、动物的选择和麻醉
动物为17只健康成年猫，听力正常，无中耳感染，体重2～3 kg。首先用氯胺酮22 mg/kg肌肉注射起效后，动物手术部位去毛，前肢肘静脉切开插管缓慢静脉注射苯巴比妥钠溶液40 mg/kg，以后根据麻醉深度每小时酌情加量5 mg/kg。静脉输入生理盐水以维持静脉通道开放，气管切开插管保持呼吸通畅，同时减少动物躯体活动对记录电极的影响。实验过程中动物包裹在电动水加热毯中，以避免普通电热毯的交流电干扰。室温控制在25℃，冬季用电暖气加热，猫体温控制在38℃左右，每小时测量直肠温度1次。9只猫做纯音检测；8只猫行电刺激检测，其中采用单、双极电刺激各4只。
二、手术及电极的植入
耳蜗内电极植入方法：切开颞肌，暴露并打开听泡，切开圆窗膜，经圆窗植入电极，沿鼓阶尽量深入。生物胶固定电极。电极用表面Teflon绝缘的铂铱合金丝自制，尖端用高温溶化成球形，直径0.3 mm，并去除绝缘层。双极电极为1对，外面套外径0.8 mm硅胶管。双电极的两电极间距1 mm，用单电极时，耳蜗内电极用双电极中的1根，参考电极为直径0.1 mm的铂铱丝置于颞肌深面。
, 百拇医药
猫用头夹固定于实验台上，实验台上放置100 kg钢板，下面垫厚橡胶两层减震。于刺激耳对侧颅顶部切开头皮，切除部分颞肌，暴露该侧顶骨和枕骨及颞骨的一部分。于小脑幕前距中线旁2 mm处切割钻磨开0.8 cm×0.8 cm范围的顶骨，在双目手术显微镜下小心剪开大脑枕叶的硬脑膜和软脑膜，吸引器吸去大脑枕叶的一部分，可见小脑幕及其下方的部分下丘核，用金刚石钻头磨去下丘核上方的骨性小脑幕，避免接触损伤下丘，完全暴露下丘核的背外侧，创面止血后准备记录[4]。
三、刺激设备及参数
纯音刺激采用短纯音信号，用以观察与声音同步的神经放电。耳机距离刺激耳2 cm，实验室为安静环境，背景噪声<30 dB SPL，刺激声强用声级计测量，声级计探头位置距动物耳距离与距耳机相同，均为2 cm。
电刺激采用美国RC公司EGAA生理实验专用软件控制下的数模转换器产生，输出信号经过衰减器，再经过直流供电光电刺激隔离器连接耳蜗内电极。电刺激强度由衰减器控制。电刺激信号采用100 μs波宽的双向方波，刺激频率为10～20 pps(pulse per second，每秒脉冲数)，采用这种刺激的依据是：①该刺激波宽类似于临床人工耳蜗采用的刺激信号；②双相方波可避免耳蜗内局部电荷的积累；③用10～20 pps的电刺激，下丘起始反应神经元(onset response units)和持续反应神经元(sustained response units)细胞反应的时间特性不表现出差异[5]。
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四、记录设备和方法
记录电极采用外径1.8 mm单管玻璃微电极，实验前用电极拉制器拉制成尖部直径约1μm，长1 cm，基部保留3.5 cm长度的电极。记录前测量电极阻抗为5～10 MΩ，电极充填液为3 mol/L KCL，加入染料以显示颜色，用微量注射器灌注电极液后，电极静置10分钟，待电极液到达电极的尖部后使用。参考电极置于颞肌表面。 前置放大器采用Nihon Konden MEZ-8201微电极放大器，滤波范围为100 Hz～3 kHz，电极反应信号经前置放大器后分为3路：第一路经Tektronix 511A示波器直接观察，扫描速度为5 ms/cm，灵敏度为0.5～1 mV；第二路经Nikko ND550磁带机记录，实验后重放由EGAA计算机软件处理；第三路接声音监听[6]。
猫体位保持水平，身体向刺激耳侧倾斜45°，使垂直下降的电极保持在猫头的冠状面内，与矢状面呈45°角，从下丘的前外侧进入腹内侧，以便使电极尖运动全程由下丘的外核进入到中核。在手术显微镜下，待电极的尖端接触下丘表面时，打开Narishge PF5-48微电极推动器，计数器设置为0 μm，首先以较快的速度推进，待监听器中听到与声音同步的神经放电后，以1 μm /s的速度推进。找到多单位的放电时，做步进性推进，以便分离出单单位反应的电位。记录对电刺激的反应时，由于电刺激伪迹影响监听，故以示波器观察为主，当示波器上出现与伪迹同步的较低电位时，说明电极尖端已接近所需的核团，减慢推进速度寻找多单位及单单位的反应。阈值确定方法是最小的刺激强度能诱发多单位或单单位出现反应[4]。
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结果
1.下丘对纯音刺激的反应：单单位对5 kHz纯音声刺激的反应表现为双相动作电位，先正后负，正相波宽0.5 ms(图1)，反应的脉冲间隔数直方图(interspike interval histogram)可以看出单单位对高频纯音刺激无相位锁定，诱发细胞的平均电反应率为160 pps(图2)。
2.纯音刺激记录下丘的STC：5 kHz纯音刺激诱发的下丘反应STC(图3)是电极深度对反应阈值的函数关系。用电极微推动器使电极进入到下丘不同深度测量其反应阈值，电极每进入200 μm左右记录一点的反应，这些点的反应有些是多单位的反应，有些是单单位的反应，可以看出在电极深入到2 900 μm处有一低阈值区，该处的反应阈值较其它部位低30 dB SPL左右，提示该处神经元反应的特征频率是5 kHz。当电极超过一定深度时声刺激诱发的反应消失，说明电极尖端已超出下丘的范围[4]。
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图1 5 kHz纯音刺激诱发的下丘单单位反应
脉冲间隔时间(ms)
图2 5 kHz纯音诱发下丘单单位反应的脉冲间隔统计。脉
冲间隔49个，平均间隔6.25 ms，平均电反应率为160 pps
图3 5 kHz纯音刺激诱发下丘的电反应STC在
2 900 μm处可见低阈值区
3.电刺激耳蜗记录的下丘反应： 1 000 μA电刺激耳蜗诱发的下丘单单位反应电位波形特点与声刺激诱发反应类似(图4)，反应潜伏期恒定为8 ms，表现为很强的相位锁定。
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4.电刺激耳蜗记录下丘的STC：我们采用在输出信号与刺激电极之间串联一个1kΩ的标准电阻，测量电阻上的电压下降值，来计算刺激电流的强度。
图4 1 000 μA电刺激耳蜗诱发下丘的单单位反应
耳蜗内单极电刺激诱发下丘反应的STC特点是：电刺激诱发下丘中核广泛区域神经元的兴奋，不存在特定的低阈值区(图5)。耳蜗内双极电刺激下丘的STC则分别在3 400～3 500 μm和3 500～3 600 μm处出现低阈值区(图6)，说明小电流的电刺激特异性的兴奋该部位。
电极深度(μm)
图5 耳蜗内单极电刺激诱发下丘的STC无特定
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的低阈值区
图6 耳蜗内双极电刺激诱发下丘的STC在3 500～
3 600 μm处可见低阈值区
讨论
一、在下丘描记STC的理论依据
STC是利用下丘不同的频率代表部位对同一频率的纯音刺激反应阈所绘制的曲线。反应阈值最低部位的神经元特征频率为刺激频率。而频率调谐曲线是指一个单神经元对不同频率纯音刺激反应阈所绘制的曲线，反应阈值最低处的频率是该神经元的特征频率。在描记STC过程中所记录的单单位或多单位反应，并没有测出这些单位的频率调谐曲线，而所使用的这些记录点具有很窄的特征频率是合成STC的关键。Synder等[4，7]分别用单细胞和多细胞反应测量下丘不同部位的频率调谐曲线，二者的结果是一致的。下丘中核的单单位反应和多单位反应都有很窄的特征频率，因此两种反应电位都可用来描记空间调谐曲线。下丘中核是下丘中最大的一部分，由层状的等频区组成，等频区由传入神经元的轴突和内在神经元的树突组成，分布特点是背外侧为低频区，腹内侧为高频区，这种等频区分布类似洋葱，极具规律性，因此选择该部位记录STC。
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二、不同刺激诱发的下丘STC比较
单单位对声刺激反应的时间机制特点是对低频声刺激反应表现为相位锁定，对高频声刺激反应不存在相位锁定。从对5 kHz声刺激反应的脉冲间隔数直方图可以看出，对声刺激的电反应率远低于纯音刺激的频率，缺乏相位锁定，这是因为听觉系统对高频声刺激主要是由不同特征频率的细胞代码，即通过部位机制代码，未从时间机制方面提供代码。
纯音刺激经过耳蜗的内毛细胞共振滤波，低频刺激兴奋耳蜗顶回的毛细胞，高频刺激兴奋底回的毛细胞，经相应特征频率的听神经纤维，通过听觉传导通路至下丘的相应部位，所以下丘不同部位的细胞分别对不同频率的纯音敏感，整个听觉传导通路都存在这种对频率的部位代码。下丘对纯音刺激的STC形成低阈值区，且低阈值区的宽度很窄，说明纯音刺激只兴奋很小范围的具有该特征频率的细胞，再次证明了听觉系统对声刺激存在部位代码[1]。
耳蜗内双极电刺激有选择地兴奋电极附近的听神经纤维, 经过听觉传导通路，在下丘的等频区表现为特定部位的兴奋，类似于对声刺激的反应。但这种空间选择性并不决定于听神经纤维的特征频率，而是决定于刺激电极在耳蜗中的位置。双极电刺激时，距电极近处的听神经纤维兴奋阈低，而距电极远处的兴奋阈高，通过耳蜗内双极电极能有选择地兴奋电极附近的听神经纤维，因而提供部位代码。并且，双极电极之间的距离、电极的表面积和几何形状、在耳蜗内的方位都会对电刺激的空间选择性产生影响。如：Van den Honert 等[8]在听神经上记录的结果是放射状双极电极(radial bipolar electrode)较径向的双极电极(longitudinal bipolar electrode)产生更高的空间选择性。由于受到电极制作工艺的限制，本实验使用的双极电极的间距和空间位置无法精确控制，未能在下丘得出更窄的STC。
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耳蜗内单极电刺激的电场范围广，听神经纤维被兴奋后沿听觉传导通路到达下丘的相应部位。听觉传导通路有频率分析过程，特别是耳蜗背侧核的抑制现象有提高频率分辨的作用。根据心理物理学的实验单极电刺激耳蜗内不同部位，能产生不同频率的音感，可提供对频率的部位代码。但是在下丘记录的STC未表现出空间选择性,未能证明耳蜗内单极电刺激提供了部位代码[8]。目前，耳蜗内单极电极在多道人工耳蜗装置中被广泛采用。人工耳蜗的发展要求电刺激频率趋向于向高频扩展，这需要电刺激的波宽更窄。神经纤维对电刺激的反应决定于电刺激波幅和波宽，波幅不变，波宽的缩短使电荷量变小，单极电刺激较双极电刺激反应阈低，为缩短刺激波宽，提高刺激频率提供了更大的可能性。但如何解释单极电刺激能很好地提供对频率的部位代码，有待进一步的研究[9]。
参考文献
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8Van den Honert C ,Atypulkowski PH. Single fiber mapping of spatial excitation patterns in the electrically stimulated auditory nerve.Hear Res, 1987, 29:195-206.
9Patrick JF, Evans AR. Implant designs for future coding strategies. Ann Otol Rhinol Laryngol,1995, 166 (Suppl):137-138.
本课题为国家自然科学基金会资助项目(39570756)
(收稿：1997-12-17 修回：1998-03-27), http://www.100md.com