看到大脑在听，我们会惊讶地发现声音是如何被处理的
(PhysOrg.com)——新的研究表明，我们的大脑比以前想象的要混乱得多，这可能是一件好事。马里兰大学(University of Maryland)的神经生物学家发现了关于大脑如何处理声音的信息，这挑战了之前对听觉皮层的理解，后者认为听觉皮层是基于精确的神经元地图的组织。在使用先进成像技术进行的第一次听觉皮层研究中，生物学助理教授Patrick Kanold、电子与计算机工程教授Shihab Shamma和博士后助理Sharba Bandyopadhyay描述了一个更复杂的神经元活动图景。他们的研究结果发表在1月31日的《美国医学杂志》网络版上自然神经科学．
坎诺德博士解释说，我们对大脑如何工作的所有知识都是基于从所有可用神经元中抽取一小部分样本，然后推断其他神经元的反应。“这就像向那些想知道美国是什么样子的人展示，‘这里有一个人来自纽约市，一个人来自加利福尼亚州。你不能从抽样中很好地了解这个国家的情况，”来自德国的Kanold说。
相比之下，Kanold和他的同事们能够观察大脑大区域内所有神经元的活动听觉皮层同时进行。为了获得迄今为止最高分辨率的图像，了解听觉皮层神经元是如何组织的，研究人员使用了一种技术，在活小鼠的神经元中填充一种染料，当钙水平上升时，这种染料会发出明亮的光，这是神经元发出的关键信号。然后，他们选择性地用激光照射大脑皮层的特定区域，并测量了数百个神经元对不同频率的简单音调刺激的反应。
这种“体内2光子钙成像”技术是由德国研究人员开发的，由哈佛大学的科学家改进，他们用它来研究视觉皮层在2000年代中期。Kanold的研究是第一个将这种技术应用于听觉皮层的研究，并提供了关于听觉如何发生的前所未有的大量细节。
牛津大学神经生理学教授安德鲁·金博士解释说:“尽管许多实验室多年来一直在努力研究，但听觉皮层的功能组织仍然不清楚，而且存在一些争议。Kanold博士及其同事使用的方法是该领域的重要进步。”
Kanold解释说:“我们发现大脑皮层的组织并不像教科书上写的那么漂亮，这让我们很惊讶。”“事情比预期的要混乱得多。”我们没有看到以前使用不太精确的技术提出的地图的证据。”
但他们发现的这种疾病可能表明，大脑的适应能力比之前想象的要强得多。“这些结果可能会改写我们关于皮层回路是如何组织的以及它们具有什么功能的经典观点，”Shihab Shamma博士说，他之前的研究涉及使用传统的微电极绘制听觉皮层的反应。
通过使用不同的染料，这项研究测量了神经元如何接收声音信息(输入)以及如何处理声音(输出)的差异。以前，人们认为相邻的神经元接受相同的输入也会产生相同的输出，但Kanold的研究发现了一些非常不同的东西。“相邻的神经元通过产生不同的输出来做自己的事情，”Kanold解释道。“你可以想象一下，你和你的邻居都从同一个管道取水到家里，但是你用它做不同的事情——你可能用它做饭，而你的邻居则用它浇草坪。你不能因为他们是邻居就认为他们在做同样的事情。”
这是第一次在邻近的神经元中观察到这种程度的个体性。坎诺德博士是神经可塑性(即大脑重组神经通路的能力)方面的专家，他认为，这种明显的失调有巨大的优势。他说:“每个神经元都从广泛的频率中获得输入，通过选择它们对哪个频率有强烈的反应，它们可能很容易就能改变它们的功能。”例如，众所周知，我们可以快速地听到周围各种各样的对话，这就是所谓的“鸡尾酒会效应”。这可能是因为神经元能够接触到大量的输入，从而能够迅速改变它们所响应的输入。
这表明，听觉皮层中细胞的功能几乎没有冗余，这与视觉皮层明显不同，在视觉皮层中，相邻的神经元和相邻的神经元之间存在着相互作用神经元彼此执行相同的功能。这可能是因为我们的声环境，比如我们听到的话语，比我们的视觉环境变化得快得多，所以我们必须不断地适应新情况。
Kanold继续研究与早期发育有关的脑回路机制，以更好地理解为什么我们在早期发育时学习能力如此之好，但随着年龄的增长，这种能力会逐渐丧失。例如，为什么孩子们可以轻松地学习新的语言，而成年人却很难?Kanold的工作一直专注于识别年轻大脑中调节这种非凡能力的回路。他还致力于将他在发育脑回路方面的知识应用于脑瘫和癫痫等疾病的预防和治疗，这些疾病可能是由早期脑损伤引起的。他和研究成人可塑性和听力机制的合作者希哈布·沙玛(Shihab Shamma)正在探索大脑回路和学习能力是如何随着时间而变化的。
