梅慧嫻　周治金　陳其才

摘要：人和動物對聲源方位的感知和心理確定建立在神經(jīng)生理基礎(chǔ)之上，得到了大量來自神經(jīng)細胞電生理研究證據(jù)的支持。聽中樞神經(jīng)元可通過比較到達兩耳聲信號的不同特征和參量來體現(xiàn)其精確的聲源定位能力。研究表明，聲源定位過程是聽覺系統(tǒng)復(fù)雜綜合作用的結(jié)果，聽覺中腦核團-下丘在這一過程中起著重要作用，下丘中大量雙耳聽覺反應(yīng)神經(jīng)元可編碼聲音（源）方位信息，甚至雙側(cè)下丘間的聯(lián)合投射也有可能參與雙耳聽覺反應(yīng)的調(diào)制。

關(guān)鍵詞：聽覺中腦；聲定位；神經(jīng)調(diào)制

分類號：B845

1.聽覺系統(tǒng)聲源定位的基本特性及生物學意義

人和動物可借助聽（感）覺感知來認識周圍環(huán)境中豐富多彩而又紛繁復(fù)雜的聲音世界，在聽覺功能的諸多方面中，對聲（源或音）方位變化做出反應(yīng)是其重要功能之一，而對聲源方位的感知和心理確定則有賴于聽覺中樞。對于已演化出具有聽覺功能的大多數(shù)不同種屬的動物，尤其是夜間活動的動物，聲（源或音）定位（sound localization）的能力對其生存至關(guān)重要。它們通過對其他動物發(fā)出的聲音的準確定位，進行捕食、掠奪以及躲避敵害。盡管人類對于所處的周圍空間的判定主要依靠視覺，但空間聽覺和聲定位在日常生活和工作中依然具有十分重要的作用，如聲定位可提供環(huán)境中說話者的相對數(shù)量和目標聲源位置的信息，通過對聲源距離的判斷可幫助人們確定房間的大小和特征：甚至在復(fù)雜的“雞尾酒會”（cocktail party）場景下，借助聲定位可讓聽者從眾多干擾聲中分辨出某個談話者或所找尋對象的聲音與所處的空間位置（Hawley，Litovsky，&Culling，2004）；人還可通過聲定位來躲避來自身背后的車輛，避免發(fā)生交通事故；或?qū)ν话l(fā)的聲音進行定位，判斷事故發(fā)生現(xiàn)場及其方位等?？傊暥ㄎ还δ軒Ыo人們的幫助可以說是不勝枚舉。

哺乳動物的聲定位以兩種不同的聲波分析方法為基礎(chǔ)（Grothe，Pecka，&McAlpine，2010）。第一種方式是頻率分析，通過比較到達每側(cè)耳不同頻帶的聲能量，用以做垂直方位的聲定位。其所表征的是可用于聲定位的單耳信息，主要由外耳道和耳廓對特定頻率做特異的方向性衰減所致，即所謂的耳廓濾波效應(yīng)。這種頻率分析被認為最初是在耳蝸核（cochlear nucleus，CN）中進行加工的（May，2000；Young，Spirou，Rice，Voigt，&Rees，1992）。聲定位的第二種方式則是以雙耳聽覺為基礎(chǔ)，通過檢測和比較兩側(cè)鼓膜活動的差異做雙耳分析。由于聲源到達兩耳的距離差以及聲音傳導(dǎo)途徑中的屏障條件差，致使從某一方位發(fā)出聲音到達兩耳時便產(chǎn)生了時間差（interaural time difference，ITD）和強度差（interaural level or intensity difference，ILD or IID），即“時間，強度假說”，它們的大小成為聲源水平（azimuth）方位定位的主要依據(jù)。根據(jù)Rayleigh在20世紀初提出的復(fù)式理論，ILD主要用于高頻聲定位，而ITD用于低頻聲定位（Rayleigh，1907）。在聽中樞對雙耳信息的加工過程中，上橄欖復(fù)核（superior olive complex，SOC）是能接受雙耳傳人信息，并對ITD和ILD進行加工的第一級中樞（Moore，1991）。

當一個常人的視覺線索被阻斷時，將一只小的時鐘放置于他的前聽空間某個位置，受試者可根據(jù)所聽到的時鐘滴答聲，準確地說出時鐘所在的方位，這就是最為常見的聲定位。人具有良好的聲定位能力，行為學實驗研究表明，受試者能分辨出聲源方位角度1-2度的變化。在心理物理學測試研究中，通過雙側(cè)佩戴的耳機向受試者給click聲，測定出能用于準確辨別聲音方位的最小ITD和ILD值，即人對ITD的辨別閾值為10微秒，對ILD的辨別閭值為1～2分貝（Grothe et al.，2010）。而且，似乎女性用以聲定位的ITD要小于男性，提示比男性具有更高的時間差敏感性（崔庚寅，白文忠，管振龍，王厄舟，張鳳娟，1994）。即便在聲源出現(xiàn)于正前方和正后方，此時的ITD和ILD等于0時，人也能夠通過耳廓的頻率分析以及頭部的轉(zhuǎn)動較好的對聲源方位進行判斷。尤其對于視覺缺失的盲人，他們可利用更為細微的聽覺線索對目標聲源的方位和距離進行定位，從而表現(xiàn)出超于常人的聲源空間探索能力（Voss et al.，2004）。無論是對人還是動物而言，聲定位過程是聽覺系統(tǒng)復(fù)雜綜合的功能體現(xiàn)，精確的聲定位需要聲波撞擊鼓膜在雙耳的協(xié)同作用，對聲源方位的感知更大程度上是依賴于聽覺中樞系統(tǒng)對來自于兩側(cè)耳的輸入信息的提取、加工和整合，的確越來越多的證據(jù)顯示，人與動物在有關(guān)聲定位的諸多方面，擁有相似的生理機制。

2.聽覺中腦神經(jīng)元對聲源信息的編碼及其加工機制

聽覺中腦核團一下丘（inferior colliculus，IC）是大部分低位聽覺核團的投射靶點，為上行聽覺通路中的中繼站。IC所接受的興奮性和抑制性的上行投射一部分來自于單耳核團，如CN和外側(cè)丘系腹核（ventral nucleus of lateral lemniscus，VNLL）（Brunso-Bechtold，Thompson，&Masterton，1981；Vater，Covey，&Casseday，1997）；另一部分則是來自于低位雙耳核團，如SOC和外側(cè)丘系背核（dorsal NLL，DNLL）（Li&Kelly，1992；Oliver，2000），因此，IC在雙耳聲源方位信息的加工和處理方面扮演著重要角色。

在先前的研究中，采用固定動物頭部和自由聲場刺激，并不斷改變聲刺激的方位以測定IC神經(jīng)元的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)不同動物的IC神經(jīng)元均可對聲源的方位角產(chǎn)生調(diào)諧。部分神經(jīng)元可對前聽空間某個特定方位給出的聲刺激產(chǎn)生最大反應(yīng)，且多數(shù)偏好對側(cè)區(qū)方位角（Calford，Moore，&Hutchings，1986；Fuzessery，Westrup，&Pollak，1990），其中又有部分神經(jīng)元表現(xiàn)出對對側(cè)方位角的單調(diào)的寬范性調(diào)諧，其聲反應(yīng)會隨著對側(cè)方位角的增加而增強（Delgutte，Joris，Litovsky，&Yin，1999；Groh，Kelly，&Underhill，2003）。若在給予目標聲的同時再給予一個空間上分離的干擾聲，似乎大部分的神經(jīng)元對目標聲源方位角仍能保持顯著的敏感性，并能在某種程度上維持與單獨給出目標聲源時相似的調(diào)諧曲線（Day，Koka，&Delgutte，2012）。

為了探討聲定位中雙耳信息如何在聽覺中樞進一步地被編碼，大多數(shù)實驗研究采用了在封閉聲場環(huán)境下分別對動物的雙耳給聲，并人為改變到達雙耳的聲刺激的強度和時間，發(fā)現(xiàn)包括IC在內(nèi)的接受雙耳信息的聽中樞核團中均有大量對ITD和ILD敏感的神經(jīng)元。這些雙耳聽覺神經(jīng)元中一部分可被分別來自于兩側(cè)耳的聲刺激所興奮，即EE（excitation-excitation）神經(jīng)元；另一部分神經(jīng)元則在聲刺激對側(cè)耳時被興奮，刺激同側(cè)耳時卻被抑制，即EI（excitation-inhibition）神經(jīng)元（Goldberg&Brown，1969），它們在對側(cè)的空間信息表達方面起著關(guān)鍵作用。根據(jù)在貓IC中的研究，EE反應(yīng)類型多見于特征頻率在4000Hz以下的神經(jīng)元，而EI反應(yīng)類型則見于高頻率神經(jīng)元（Schreiner&Langner，1988；Scruple&Aitkin，1979）。不同反應(yīng)類型的IC神經(jīng)元，可能分別接受來自在ITD、ILD和頻率分析中對頻率谷敏感的腦干聽覺核團的輸入，從而在對不同的聲定位線索進行處理時有所分工（Chase&Young，2005）。其中，EE型神經(jīng)元主要處理關(guān)于ITD和平均雙耳強度的信息。EI神經(jīng)元則主要處理與ILD相關(guān)的信息，部分EI神經(jīng)元亦對ITD敏感，尤其是呈現(xiàn)邊帶抑制的EI神經(jīng)元還可對生理范圍內(nèi)的頻率谷信息進行處理（Chase&Young，2005；Caird&Klinke，1987；Kelly&Phillips，1991）。總之，這些雙耳聽覺神經(jīng)元的活動是IC從來自不同方位的聲信號中提取方位信息的基礎(chǔ)。

一般認為，IC對ITD信息的編碼，可能主要由雙耳聲刺激產(chǎn)生的興奮性的匯聚性傳入到達EE神經(jīng)元的最佳時間延遲來表征，這些神經(jīng)元僅在到達兩耳的聲音之間處于某個特定延遲時才被最大程度地激活，并由此表征空間定位。最佳延遲由聽覺系統(tǒng)內(nèi)在的延遲所決定，它反映的是由兩耳至雙耳神經(jīng)元的匯聚性輸入之間軸突或路徑長度的差異所造成的傳遞時間差或時間上的延遲。已有研究報道在雙耳神經(jīng)元上觀察到的內(nèi)在延遲也與在耳蝸中的位置差有關(guān)。由于聲波傳播到耳蝸的不同位點時會引起聽神經(jīng)纖維的反應(yīng)之間發(fā)生相對延遲，顯示出現(xiàn)最大程度的重合，結(jié)果表現(xiàn)為雙耳神經(jīng)元的最佳延遲會隨著特征頻率的增加而減?。∕cAlpine，Jiang，&Palmer，1996；Joris，van de Sande，Louage，&van der Heijden，2006）。

IC神經(jīng)元對ILD信息的編碼則主要依賴EI神經(jīng)元感受雙耳聲音強度差的敏感性，因為在雙耳同時刺激時，EI神經(jīng)元的反應(yīng)可因興奮抑制對比關(guān)系的不同而有多種表現(xiàn)。IC中EI神經(jīng)元似乎主要受到IC下的雙耳聽覺核團神經(jīng)輸入的支配。一方面，由于外側(cè)上橄欖核（lateral superiorolive，LSO）受到來自同側(cè)耳蝸前腹核的興奮性支配及來自對側(cè)耳蝸前腹核經(jīng)斜方體內(nèi)側(cè)核中抑制性神經(jīng)元接替的抑制性支配，導(dǎo)致大多數(shù)LSO神經(jīng)元表現(xiàn)為對同側(cè)耳刺激興奮而對對側(cè)耳刺激抑制的EI神經(jīng)元。其中，谷氨酸能LSO神經(jīng)元又可發(fā)出興奮性投射至對側(cè)IC，而甘氨酸能LSO神經(jīng)元則發(fā)出抑制性投射至同側(cè)IC（Glendenning，Baker，Hutson，&Masterton，1992）；另一方面，同樣含有大量EI神經(jīng)元的DNLL主要接受來自雙側(cè)耳蝸核和對側(cè)LSO的興奮性支配，以及來自同側(cè)LSO和對側(cè)DNLL的抑制性支配，并進一步向雙側(cè)IC投射抑制性Y，氨基丁酸能軸突（zhang，Li，Kelly，&Wu，1998）。因此根據(jù)先前的研究，IC神經(jīng)元EI特性的形成可能有多種原因：一是簡單地完全從對側(cè)LSO中繼承EI特性，也不直接接受來自同側(cè)耳的傳人；二是EI特性形成于IC內(nèi)，當一個來自于對側(cè)耳聲刺激所激活的興奮性單耳投射和一個由同側(cè)耳聲刺激激活的對側(cè)DNLL發(fā)出的抑制性投射在IC中會聚時，形成了IC神經(jīng)元的EI特性：三是有部分IC神經(jīng)元還可能接受到來自雙側(cè)的LSO及對側(cè)或雙側(cè)DNLL共同的上行傳人，這些興奮性和抑制性的輸入在IC中產(chǎn)生混合反應(yīng)，并最終形成了IC神經(jīng)元的EI特性（Burger&Pollak，2001；Faingold，Anderson，&Randall，1993；Kelly&Li，1997；Pollak，Burger，Park，Klug，&Bauer，2002；Pollak，2012）。

有趣的是IC中對ITD或ILD敏感的雙耳神經(jīng)元，絕大多數(shù)為僅對來自對側(cè)的聲刺激產(chǎn)生興奮反應(yīng)的EI神經(jīng)元。接受來自同側(cè)和對側(cè)耳蝸刺激的神經(jīng)元在SOC卻大致相當（Kil，Kageyama，Semple，&Kitzes，1995；Vater&Feng，1990），而在IC與SOC之間又以同側(cè)-同側(cè)的聯(lián)系方式為主（Adams，1979）。這一特點說明在雙耳聽覺信息處理過程中，IC對傳人信息不是簡單的起中轉(zhuǎn)作用的。

3.雙側(cè)聽覺中腦核之間的調(diào)制在聲源定位中可能的作用

已知IC是聽覺系統(tǒng)中成對的中樞結(jié)構(gòu)，雙側(cè)IC之間通過連合纖維投射（commissure of the inferior coliculus，CoIC）相互聯(lián)系（Malmierca，Rees，Le Beau，&Bjaalie，1995；Moore，Kotak，&Sanes，1998；Saldafia，&Merchafi，1992），，其中既有谷氨酸能興奮性投射，也有γ-氨基丁酸能抑制性投射（Gonmilez-Hernandez，Mantolhn-Sarmiento，Gonzalez-Gonzalez，&Perez-Gonzailez，1996；Hemandez，Rees，&Malmierca，2006；Saint Marie，1996）。相關(guān)的電生理實驗已顯示雙側(cè)IC之間有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能相關(guān)（Malmierca et al，2003；Malmierca，Hemandez，&Rees，2005；Mei，Cheng，Tang，F(xiàn)u，&Wang et al.，2012）。然而，雙側(cè)IC間的相互作用是否參與了雙耳聽覺的形成是一個饒有興趣的問題，但仍不確定。值得關(guān)注的是有眾多單側(cè)IC損毀后的行為測試研究顯示，保持聽覺通路中完整的雙側(cè)IC結(jié)構(gòu)對聲源方位信號的加工極為重要。

臨床上從一名腦外傷導(dǎo)致一側(cè)IC損傷的男性患者上所做的聽覺研究發(fā)現(xiàn)，一側(cè)IC損傷后，對來自于損傷對側(cè)的聲源定位能力表現(xiàn)出明顯的缺陷，往往會誤以為聲源出現(xiàn)在損傷的同側(cè)，且對損傷對側(cè)聲信號的回聲壓抑與正常情況相比也表現(xiàn)出異常減弱，但是同時給予患者其空間上分離的靶語音信號和掩蔽語音信號，對其進行語言認知測試時，卻能正常分析靶語音，且語言能力正常（Litovsky，F(xiàn)ligor，&Tramo，2002）。此外，對另一名右側(cè)IC呈環(huán)狀損傷的兒童患者進行聽力測試時亦發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)耳對聲掩蔽強度差和頻率模式識別均表現(xiàn)正常，若對該患者左耳給予聲刺激的同時再給予一競爭性聲信號時，可見其辨別語音的能力受損；同樣，給予其空間上分離的兩個語音信號，并對其進行雙重聽覺的語音識別測試時患者的表現(xiàn)也不佳，患者不僅對純音的時程模式識別受到影響，對損傷對側(cè)聲源的空間定位能力也表現(xiàn)出缺陷（champoux et al.，2007）。

在整體動物上的實驗研究也得到了與人體研究基本相似的結(jié)果。Kelly和Kavanagh（1994）等人在實驗中對雪貂（Mustela putorius）一側(cè)IC做局部損毀后，觀察到對動物的聲定位能力影響較小，動物的最小可聽方位角與術(shù)前基本一致；而更廣范圍的一側(cè)IC損傷則會導(dǎo)致嚴重的聲定位缺陷，且主要表現(xiàn)在對受損部位對側(cè)的聲定位障礙，嚴重時甚至測不到動物的最小可聽方位角。此外，某些雪貂對位于正中線的聲源定位也受到影響，但同側(cè)聲定位僅有輕微的影響（Kelly&Kavanagh，1994）。由以上結(jié)果可見，一側(cè)IC功能受損后，對人和動物的聽覺空間分辨能力表現(xiàn)出不同程度的影響，這種受影響程度的差異性可能源于受試對象的個體差異，也可能與IC受損部位和范圍大小有關(guān)。

在最近一項關(guān)于雙側(cè)IC間調(diào)制的研究中發(fā)現(xiàn)，局部電刺激一側(cè)IC可導(dǎo)致對側(cè)IC中大部分神經(jīng)元受到抑制而使反應(yīng)減弱，而僅少部分神經(jīng)元被興奮而使反應(yīng)增強（Mei，Cheng，Tang，F(xiàn)u，&Jen et al.，2012）。雙側(cè)IC間較高比例的抑制性作用似乎與IC中所發(fā)現(xiàn)的高比例EI神經(jīng)元相匹配。研究推測，雙側(cè)IC間大比例的抑制和少部分的易化作用可能參與了雙耳聽覺中EI和EE神經(jīng)元的形成，其可能的神經(jīng)回路是：同側(cè)耳在接受到聲刺激后，在耳蝸激活的輸入在腦干內(nèi)交叉到對側(cè)，并上行投射到對側(cè)IC，再經(jīng)IC間的抑制性或易化性CoIC到達同側(cè)IC，最終表現(xiàn)為來自同側(cè)耳的聲刺激可抑制（EI）或興奮（EE）IC神經(jīng)元聲反應(yīng)的現(xiàn)象。而雙側(cè)IC間的調(diào)制是否真的直接參與了IC神經(jīng)元雙耳特性的形成，以及如何影響聲定位并不清楚，尚有待于進一步的研究來證明。

4.小結(jié)與展望

聲源定位過程是聽覺系統(tǒng)復(fù)雜綜合的功能。對聲音方位信息的處理依賴于上行聽覺通路中的相關(guān)中樞。聽覺中腦核團-IC是一個能對雙耳聽聲做出反應(yīng)和加工重要部位，它接受眾多來自低位腦干核團的雙耳信息傳入，并接受來自IC間的投射和聽皮質(zhì)（auditory cortex，AC）的下行輸入的調(diào)制。當然，最終實現(xiàn)聲源方位的感知，還需要將在IC加工后的聲源信息上傳至AC乃至更多腦區(qū)進行更為精細的高級加工。但不管怎樣，都離不開聽覺通路中各聽覺中樞對上傳方位信息的初步加工所做出的貢獻，它們是實現(xiàn)聽感知乃至認知不可或缺的組分。在未來有關(guān)聲定位的研究方面，弄清位于各中樞內(nèi)具有雙耳特性的神經(jīng)元究竟是直接形成于相應(yīng)的中樞內(nèi)，還是從耳蝸到聽皮質(zhì)不斷繼承和完善以漸進方式所形成？以及在定型神經(jīng)元雙耳特性方面，不同性質(zhì)的突觸輸入具有怎樣的時空整合特性等？均將成為未來開展這方面研究必須面對的挑戰(zhàn)。

致謝：感謝北京大學李量教授的熱情支持。