所有的时间:绘制听觉脑细胞以获得最大的听觉精度

说到听力，精确度很重要。因为脊椎动物，比如鸟类和人类，有两只耳朵，而且声音从两侧传到耳朵的距离不同，所以声音的定位包括辨别声音到达时间的细微差异。为了定位声音的来源，大脑必须比瑞士表更准确地把握时间。

事实上，质量是这样的声音处理精度是一个人如何很好地检测声音的位置和感知语音的限制因素。

由里哈伊大学生物科学系副教授、神经科学家R. Michael Burger领导的研究小组已经确定了允许听觉的特定突触和突触后特征神经元以时间精度计算-最终揭示神经元以最大精度处理其“首选”频率所需的输入和电学属性的最佳安排。

为了让鸟类和哺乳动物听到声音，耳蜗(内耳的听觉部分)中的毛细胞会对声音做出反应，从而将声音转化为电活动。每个毛细胞都被调谐到一个独特的频率音调，人类最终体验到的是音调。

耳蜗中的每个毛细胞都与几个神经元配合，这些神经元将信息有序地从耳朵传递到大脑。耳蜗中的音调反应，本质上，是“重新映射”到耳蜗神经核这是第一个处理声音的大脑中心。

这种不同频率的声音在大脑中处理的独特空间排列被称为声调。它可以被可视化为一种声音地图:在频率方面彼此接近的音调由耳蜗核邻近的神经元表示。

定时精度对耳蜗核神经元很重要，因为它们的发射模式对每个声音频率都是特定的。也就是说，它们的输出模式类似于每个音调唯一的数字代码。

伯格说:“在没有声音的情况下，神经元会以高速率随机放电。”“在声音存在的情况下，神经元以一种被称为锁相的高度刻板的方式放电，这是神经元在周期性刺激或声波的特定阶段放电的趋势。”

Burger和Stefan oline (Lehigh的前博士候选人，现在是纽约大学医学院的博士后)之前的研究首次证明了突触输入——细胞之间发送的信息——在不同频率上是不同的，这些不同的脉冲模式被“映射”到耳蜗核的细胞上。他们进一步建立了计算过程，通过神经元“调谐”来处理低频声音，实际上提高了它们接收到的脉冲的锁相精度。然而，让神经元对这些频率特定的传入信息做出正确反应的机制仍然知之甚少。

一项新研究发表在神经科学杂志，伯格和奥林——以及德国奥尔登堡大学的Go Ashida博士——研究了听觉脑细胞膜的选择性，并观察到“调谐”接受高频声音的神经元优先选择比低频处理的神经元更快的输入，而且这种偏好可以容忍所接收输入的变化。

Burger说:“低频电池可以容忍慢速输入，并且仍然能够发射，但高频电池需要非常快的输入，并且拒绝慢速输入。”“神经元本质上要求高频输入更精确。”

奥林说:“我发现真正令人震惊的是，这些神经元的调节有助于它们独特地处理耳朵的约束。”“对低频输入做出反应的神经元可以平均来自毛细胞的输入，以提高分辨率。但是毛细胞并不擅长对高频音调做出反应，因为它们会带来很多时间错误。正因为如此，由于它们以如此高的速率发生，平均这些输入是不可能的，而且会在多个声波中混淆信息。因此，高频处理细胞使用了完全不同的策略:它们尽可能挑剔，以避免不惜一切代价求平均。”

伯格和他的同事建立了一个计算机模拟低频率的以及高频神经元，这是基于对生理活动的观察。然后，他们使用这些计算模型来测试哪些属性组合对锁相至关重要。该模型预测锁相突触和细胞膜特性的最佳排列与刺激频率有关。这些计算预测随后在神经元中进行生理学测试。

该团队的模型不仅有助于确定大脑对声音的反应，而且还揭示了适用于任何处理时变输入的脑细胞的输入-输出优化的一般特征。

为更精确的听力铺平了道路

了解允许耳蜗核细胞精确计算时间的机制对理解听觉系统的进化具有重要意义。

伯格解释说:“这确实是哺乳动物特有的高频处理细胞。”

了解这些过程对于推进人工耳蜗植入技术也很重要。人工耳蜗是一种电子医疗设备，可以帮助失聪或听力严重受损的人恢复听觉。它通过直接向听觉神经发送电脉冲来代替受损内耳的功能。这些冲动反过来又被大脑解释为声音。

虽然对许多人来说，这是一种既定且有效的治疗方法，耳蜗植入设备目前还无法模拟那些拥有自然发育的听觉系统的人所体验到的声音的精度。声音处理缺乏自然听力的清晰度，尤其是跨频率的。

伯格说:“理想情况下，你想要的——无论是在你的自然听觉系统中，还是通过人工耳蜗植入——是大脑中各种频率的最精确表示。”

伯格和他的同事们已经将已知的最佳电特性和突触输入整合到一个单一的内聚模型中，为研究听觉神经科学领域的一些重大问题奠定了基础。解决这些问题可能有一天会让科学家和医学专业人士更好地理解如何为那些天生听力严重受损的人保留大脑听觉结构的自然组织。

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