综述：听觉系统中Off反应的何物、何由、何时、何故与何人

本综述系统梳理了听觉系统中长期被忽视的Off反应（声音终止后反应）的研究进展。作者提出，On与Off反应的协同作用（而非单一反应）是感知声音特征（如时长、终止）的基础，并依据潜伏期与持续时间将Off反应分为两类：短潜伏期-短时程反应参与声学参数编码，而长潜伏期-长时程反应则可能与行为情境下的认知变量相关。文章深入探讨了Off反应的生理机制（如后抑制反弹）、刺激特性、行为必要性及其在听觉编码与学习可塑性中的重要作用，为理解听觉处理提供了新视角。

　　

Abstract

数十年来，从耳蜗核到次级听觉皮层的听觉系统中观察到的Off反应（声音终止后反应）在很大程度上被忽视了。近年来，多项研究重新激发了人们对听觉系统Off反应的兴趣，并描述了其细胞机制以及在各种行为中表现出的可塑性。尽管可以设计出需要Off反应才能完成行为表现的任务，但我们认为，大脑更普遍地是利用On和Off反应的相互作用来实现声音特征感知，包括声音持续时间和声音终止检测。此外，基于对已发表Off反应的潜伏期和持续时间的仔细检查，我们在此提出应考虑两种不同类型的Off反应。我们建议，短潜伏期-短时程反应参与那些无法仅凭起始特征进行估计的声学参数的神经编码；而长潜伏期-长时程反应则可能反映了与在行为情境下学习使用特定刺激相关的更高级的认知变量。提出两种Off反应类型，旨在引起未来研究中对刺激后放电进行更好表征的关注，以更明确地区分不同的机制。

Introduction

揭示神经代码（即理解中枢神经系统神经元如何表征外部刺激）的长期兴趣引发了过去50年间的激烈辩论。当记录技术能够收集单个神经元发放的动作电位序列时，研究人员开始使用刺激前后时间直方图（PSTH）来理解刺激参数与动作电位发生之间的关系。在视觉系统中，很明显 spikes 可以发生在视觉刺激的起始、期间和偏移之后。尽管先前有大量工作解释了这些反应类型如何贡献于视觉系统的神经编码，但直到最近，在其他模态（包括听觉系统）中，刺激结束后放电的重要性在很大程度上仍未得到重视。

在视觉系统中，对Off反应的最早描述来自视网膜的研究。从Hartline到Barlow、Kuffler以及Hubel和Wiesel，发现在青蛙、猫或猴子的视神经纤维中，当视网膜的小圆形区域被照亮时，会产生纯粹的起始（‘On’）或纯粹的偏移（‘Off’）反应。因此，On和Off通路几乎从视觉通路的开端就分开了。功能上，这些不同的通路对于从果蝇到啮齿类再到灵长类等多种物种的运动检测至关重要。在早期以及随后的研究中，视觉Off反应被视为视觉信息“正常”处理的一部分，既未被忽视，也未赋予特定的功能角色。事实上，来自不同物种的实验结果和计算机模型都表明，正是On和Off通道的互补性（而非单一通道）实现了方向选择性和运动感知。

在体感系统中，外周背根神经节神经元被分类为慢适应（SA）或快适应（RA），后者尤其已知在皮肤压痕结束时表现出Off反应——类似于视网膜中视觉刺激的偏移。虽然早期的中枢体感处理模型假设SA和RA投射在到达皮层及通过皮层过程中保持分离，但最近的研究表明它们已在初级体感皮层神经元中汇聚。特别是，具有RA样或混合适应特性的皮层神经元常常表现出Off反应。其功能可能是参与机械刺激动态特性（如持续时间、速度和/或方向性）的群体编码——类似于视觉系统中的观察。

在听觉模态中，听神经纤维仅产生持续的紧张性兴奋反应，但偏移反应早在第一个中枢中继站——耳蜗核就被描述，并向上至初级和次级听觉皮层。最近的两篇综述已经总结了这一不断扩展的研究领域，并提出了在皮层下听觉结构中观察到的Off反应的功能角色，以及在听觉皮层区域中的功能角色。本综述首先提出，只有通过整合On和Off反应的性质，我们才能理解Off反应在听觉系统中的功能角色。其次，在思考潜在功能角色时，我们应考虑短时程Off反应和长时程Off反应之间可能存在差异，这一点从逐渐演变的实验设计中显现出来：从麻醉动物到被动聆听动物，再到主动使用声学信号执行行为任务的动物。第三，确定这些反应对于感知听觉刺激（尤其是当我们需要从到达耳蜗的丰富连续声学信息流中提取有意义的听觉刺激时）的重要程度也至关重要。

‘What’ physiological mechanisms generate Off responses?

正如先前在整个听觉系统中所综述的，Off反应可以由多种生理机制产生，并且人们很自然地会想知道这些不同的机制是否发生在听觉系统的特定层面。

在听觉系统的较低阶段，如背侧耳蜗核，有令人信服的证据表明Off反应是由后抑制反弹机制产生的。也就是说，如果在声音呈现时发生强烈的超极化，在声音结束时膜电位去极化，激活T型钙通道，进而产生大的钙电流并引发一串动作电位。请注意，名为“后抑制易化”的第二种情景与前者略有不同，其特点是存在持续时间超过刺激时程的兴奋性输入，从而促进了Off反应的出现。

在皮层水平，一些结果表明触发Off反应的机制与脑干水平的机制不同。最初，人们怀疑皮层On和Off反应是由汇聚在同一皮层细胞上的不同突触集合产生的，因为注意到On和Off反应的频率调谐常常不同，有时其特征频率（CF）相差一两个倍频程。然而，在未成熟动物中，On和Off反应的CF常常完全匹配，On和Off反应之间不同的频率调谐是作为皮层发育的结果出现的，旨在促进皮层对上下扫频声的选择性。频率调制声音具有生态学重要性，重新调整On和Off感受野以对其更敏感，这与视觉和体感系统中基于On和Off模式产生方向选择性的过程相呼应。

但重要的是，听觉丘脑中也报道了On和Off反应CF之间的差异，表明在丘脑水平，两组不同的脑干输入也可能促进On和Off反应的发生。细胞内记录结果进一步表明，丘脑Off反应可能由刺激期间的抑制引起，并且其明显更长的潜伏期表明输入来源可能与On反应不同。值得注意的是，在一些听觉丘脑中缺乏抑制性中间神经元的物种中，唯一的抑制性输入来自丘脑网状核，这可能解释了这些情况下Off反应潜伏期较长的原因。

目前，支持皮层On和Off反应由汇聚在给定皮层神经元上的不同丘脑-皮层突触集合驱动这一假说的最强间接证据来自一项使用纯音进行前掩蔽协议的研究。研究发现，纯On反应可以表现出完全的前向抑制，但在相同的短刺激间隔下，Off反应仍然存在，没有任何抑制。这一结果得到了后来一项研究细胞类型特异性研究的进一步支持，该研究发现On和Off反应的动态对刺激历史表现出不同的依赖性。在这些研究中，无法确定这两组独立的输入是否确实对应于两个不同的丘脑输入，还是一个丘脑输入和一个皮层输入。然而，随后一项使用钙成像的研究清楚地表明，到达初级听觉皮层（A1）的内侧膝状体（MGB）末梢表现出On或Off反应，这表明这两组输入很可能来自丘脑起源。有趣的是，在一个间隙检测缺陷的小鼠模型中，研究表明观察到的丘脑对噪声中短暂间隙敏感性缺陷源于噪声偏移后神经群体活动的减少，而非起始活动。这表明可以在行为水平检测到的间隙检测缺陷可能源于丘脑水平声音偏移通道的损伤。

我们应记住，对于皮层Off反应也提出了其他机制。例如，作为神经回路一部分的“遗传性皮层Off反应”可以基于二十多年前在听觉丘脑内描述的On和Off通道的分离解剖位置。这一假说已被Solyga和Barkat所认识，但这些作者提出，Off反应的产生可能在皮层水平被放大，因为他们在皮层水平检测到的“起始-偏移”反应比例（83%）远高于丘脑水平（33%）。事实上，Off反应在前听觉场（AAF）中也比在A1中更多、更强，并且在AAF中表现出对声音持续时间的依赖性，而在A1中没有。

与这种直接的丘脑遗传相反，Bondanelli及其同事提出，Off反应可能是皮层网络内出现的循环相互作用的单细胞特征。与此假说相关，Anandakumar和Liu提出，根据行为情境的不同，Off反应可以表现出不同的时间衰减。因此，过去几年中，来自不同实验室的汇聚结果表明，Off反应起源的机制在听觉脑干和听觉皮层之间可能存在根本差异：脑干水平主要怀疑是几乎纯粹的后抑制反弹在起作用，而皮层水平则怀疑是更复杂的突触和网络活动在起作用。

事实上，情况可能更加复杂，因为其他结果也表明这两种不同的机制在皮层水平共存。例如，在一个纯音与旨在抑制On反应的突触后活动操作之间的配对协议期间，有时观察到Off反应要么出现，要么被诱发的On活动抑制所强烈放大。例如，当通过同时施加细胞旁负电流来阻止On反应时，这消除了音调诱发的On反应，并在电流偏移时导致了强烈的反应。其他未发表的结果表明，只有当超极化电流强到足以阻止On反应时，Off反应才会出现，并且它不是声音持续时间的函数，而是超极化电流持续时间的函数。这表明皮层神经元可能是通过内在的后抑制机制被驱动发放Off spikes，而不需要声音偏移时的突触兴奋。与这种可能性一致，在声音呈现前应用GABA可以持续阻止On反应的发生，并导致Off反应的出现。事实上，这些数据证实了基于细胞内记录的初步观察，即显示Off反应的皮层细胞在音调呈现期间表现出超极化。

总之，虽然在脑干水平允许Off反应出现的机制主要依赖于后抑制反弹（或后抑制易化），但多种机制似乎可能在皮层水平共存。

‘Which’ stimulus properties elicit Off responses at the different levels of the auditory system?

在许多情况下，Off反应是在测试脑干或丘脑-皮层听觉系统中神经元的频率调谐时由纯音引发的。在丘脑水平，研究了声音频率及其强度以确定它们是否影响Off反应的存在。在皮层水平，声音强度似乎起着重要作用，因为Off反应常常在响亮强度下（即高于50 dB SPL）很突出，即使同一神经元在较低强度下（10 dB SPL）可以检测到On反应。在AAF区，Off反应的强度是声音持续时间和刺激间隔（ISI）的函数：声音和ISI越长，Off反应越强，谐波音调也观察到类似效果。然而，请注意在清醒小鼠的A1区报道了相反的情况：噪声脉冲引发的Off反应随着噪声脉冲持续时间的增加而明显减少。最后，用于声音终止的下降斜坡似乎对于在AAF中引发Off反应至关重要：快速/突然的斜坡（0.01 ms）比缓慢的（10 ms长）下降斜坡引发了更强烈的Off反应。Li等人报道的来自第5层初级听觉皮层（A1）的结果存在细微差异。第5层A1神经元的全细胞记录从未显示纯粹的突触Off反应；它们都显示On-Off突触反应，其中偏移反应在兴奋性和抑制性电流方面都弱于起始反应。抑制性PV和SOM中间神经元的Off反应也弱于它们的On反应，并且通常纯音引发的Off反应弱于宽带噪声引发的Off反应。

更宽声音频谱的优势最近一项研究进一步暗示，该研究描述了非人灵长类动物A1中对点击序列的Off反应。在这项研究中，它们的出现也是点击间隔和序列中点击数量的函数：Off反应倾向于出现在短点击间隔（小于32 ms）和最少8-16次点击的序列中，这可能是抑制机制以特定刺激速率发展的结果。

最后，具有复杂且有时更宽带频率轨迹的自然刺激，如同种叫声，可以触发Off反应，尤其是在高级区域。例如，Chong等人报道了雌性小鼠核心和次级（A2）听觉皮层中的选择性Off反应。这些反应仅由36种测试叫声中的一小部分超声 vocalizations（USVs）引发，这表明这些反应对声音的频谱时间结构敏感，并可用于区分不同叫声的身份。事实上，通过将叫声的峰值频率拟合到正弦和线性频率调制音调，作者观察到围绕声学参数（尤其是频率调制幅度）的神经调谐。他们还指出，Off反应甚至可以围绕非生态学声音的频谱时间参数进行调谐，这表明它们可能在标记随时间展开的特定声学模式的出现方面扮演更通用的角色。这种能力对于纯音可能不是非常重要，因为在声音起始后没有新的频谱信息出现，但它对于区分频谱时间复杂的自然刺激可能至关重要。这得到了对鸟类更高级听觉-发声运动区域（如HVc区）研究的进一步支持，其中在某些音节处出现的阶段性反应可能表现出Off反应的特征。

总之，Off反应可由多种声学特性引发，从简单的纯音（特定强度、持续时间、偏移斜率）到复杂的自然声音（如叫声），表明它们参与编码声音的动态特性。

‘When’ are Off responses needed to behaviourally respond to sounds?

在过去十年中，设计了几种范式来专门揭示Off反应在多大程度上对于指导动物行为至关重要。在其中一项最早的研究中，作者测试了在声音间隙检测任务中沉默听觉皮层的后果。他们报告说，当听觉皮层在任务期间被失活时，间隙检测的表现下降。然而，尚不清楚的是，表现下降是抑制间隙前声音的Off反应还是间隙后声音的On反应的结果，该工作未加区分（并且可能混淆了）。

事实上，对中枢听觉系统中Off反应作用的最简解释是，它们对于标记已经存在的声学刺激的结束是必要的。在一项巧妙的研究中，作者设计了一项任务，小鼠必须在不同持续时间的声音结束时舔舐以获得水奖励。一旦小鼠掌握了任务，作者就光遗传学激活听觉区域AAF（一个比A1显示更多Off反应的区域）中的PV⁺细胞，并观察阻止非PV⁺细胞产生Off反应的后果。比较PV⁺细胞被激活和未被激活的试验，发现行为表现略有但显著降低，反应时间显著延长。这些数据表明，在AAF中，声音终止后的神经元活动被动物用于检测声音终止。确实，一个线性分类器表明Off反应可以提示动物的决策，表明AAF Off反应影响行为表现。但值得注意的是，当在On反应上训练时，分类器的表现是相同的，指出了在检测声音持续时间之前拥有On反应的重要性。

在另一项研究中，检测声音终止的约束被进一步推进：小鼠被训练为对特定的噪声持续时间（例如300 ms）舔舐以获得水奖励，而对另一持续时间（例如50 ms）不舔舐。小鼠可以学会区分几种持续时间组合，即使它们在区分相似持续时间（例如50 ms vs. 80 ms）时效率较低。使用光遗传学方法在诱发活动的几个部分阻断On和Off成分。阻断阶段性Off反应（而非延迟的Off反应）导致正确舔舐试验的显著减少。同样在这里，单独阻断On反应也将正确舔舐试验的百分比减少了约一半，这表明阶段性On和阶段性Off反应的存在对于声音持续时间的检测都是必要的，这呼应了On和Off反应在处理视觉和体感信息中的互补作用。此外，在声音终止后短时间内进行的光遗传学刺激，增强了锥体神经元的阶段性Off反应，促进了学习，即正确检测声音持续时间。这些数据强有力地表明A1 Off反应有助于声音持续时间的感知识别。不幸的是，到目前为止，我们不知道通过光遗传学操作皮层下Off诱发反应是否也能产生类似效果，这可能是未来研究的一个方向。

‘Why’ are cortical Off responses an important feature of a sound's neural encoding?

上述研究表明，听觉皮层Off反应编码了声学信息，动物可以被训练在行为任务中利用这些信息来获得奖励。然而，我们主张，Off反应在听觉编码中可以更广泛地发挥作用，而不是仅仅赋予其标记声音终止的特定功能。特别是，Off反应——无论它们是由内在的、回路还是网络机制产生的——可能更普遍地作为神经基础，用以改善对任何引发它们的声学特征的行为反应性。事实是，并非所有神经元在声音结束时都发放Off反应，因此必然存在对某些声学参数的调谐，如上一节所讨论。在这个意义上，Off反应与On反应相似，并且随着声音频率等参数的变化，Off放电可能只出现在特定的频率范围内。因此，就像在学习中，当声音起始处的声学特征具有奖励提示价值时，On反应可以得到增强一样，如果Off反应提供了预测价值，学习也可能增强Off反应。

如果这个假设是正确的，那么我们应该期望在依赖于Off反应编码的声音特征的学习体验后，Off反应中出现可塑性。事实上，迄今已有两项研究报道了这一点。Chong及其同事通过证明在A2区，与无幼崽经验的处女鼠相比，有幼崽经验的母鼠对幼鼠USVs的Off反应普遍性增加，首次展示了经验依赖性的Off可塑性。有趣的是，这些Off反应是所谓的“仅Off”反应，因为神经元活动在声音本身呈现期间常常被抑制，这表明它们可能源于类似于在脑干和皮层观察到的后抑制机制的可塑性。事实上，使用电生理方法，他们报道在A2区，USV诱发的On反应在经验丰富的母亲中减弱，而Off反应对USVs中频率调制的调谐发生了转变。这种转变使得神经放电能够更好地区分幼鼠和成年鼠USVs，它们的频率轨迹随时间变化方式不同——这是一个Off放电（整合了先前的声音轨迹）非常适合编码的声学特征。

在A1小鼠的一项钙成像研究中也观察到了类似的结果，尽管使用的刺激至少比USVs长一个数量级（几秒 vs. 小于100 ms）。作者操作性地训练小鼠识别由不同频率纯音（无间隙）并置的特定序列。与在A2中学习声音序列的行为相关性后Off反应普遍性增加不同，作者报道Off放电的幅度实际上增加了，并且在测量学习后是持续的。尽管这些是更长的刺激（至少10倍），但在这两种情况下，对于行为相关的特定动态频率轨迹，Off放电比On放电更能提供关键的区分信息。

这些工作显示了听觉皮层Off放电的可塑性，但这种可塑性的机制，以及它是否与On反应的机制相似，仍不清楚。一个有趣但非传统的可能性是，负责皮层水平Off放电的内在和回路机制被抑制性可塑性所改变，这种可塑性在刺激通过经验变得具有行为相关性时在皮层水平被观察到。特别是，在雌性小鼠获得幼崽护理经验后，报道了核心小鼠听觉皮层中幼崽USV诱发的神经放电抑制更强，我们推测这可能导致更多神经元在听觉皮层内产生后抑制反弹。因此，图中描述的机制可能在学习情境中起作用，以增加Off反应发生的概率和/或强度。随着该信号在皮层网络内传播，它可能会增加皮层水平Off放电的普遍性。尽管目前这只是相关性，但在母鼠中对自然幼崽USVs，甚至对与幼崽配对的合成声音，都观察到了抑制和Off反应普遍性的可塑性，但尚未进行对其直接因果关系的测试。

‘Who’ originates cortical Off responses – top-down, bottom-up or both?

除了皮层Off反应普遍性的变化之外，小鼠母性经验模型还揭示了Off spiking时间动态的可塑性。母鼠中幼崽叫声诱发的Off反应持续时间显著长于无幼崽经验的处女鼠，尽管潜伏期在统计上没有变化。这一观察提出了一个问题：Off放电的持续时间是否可能反映了功能上的差异，这取决于引发反应的声音特征是否具有告知后续运动行为的行为意义。事实上，我们怀疑早期/短时程Off放电——类似于几十年来在听觉系统各个层面为On反应描述的经典阶段性模式——主要以可靠的自下而上方式编码声音特征（例如频率、频率调制）。因此，它们反映了一种神经代码，用于标记可能无法被On反应完全编码的刺激参数的出现。

相比之下，晚期/长时程Off放电（常在主动聆听或行为任务中观察到）可能与特定的刺激参数联系不强，而是与该刺激用于行为的潜在用途相关。事实上，在执行延迟样本匹配任务的动物中，刺激间保持期的持续放电也是Off放电的一种形式，它似乎在小鼠的工作记忆中起作用。值得注意的是，这种长时程Off反应的潜伏期可能仍然相对较短，如在母鼠对随机交替出现的幼鼠和成年鼠叫声作出反应的情况下所见，我们认为这表明了反应的声音敏感性。因此，在学习了声音的行为意义之后，较长持续时间的Off反应可能反映了声学特征产生回声记忆的能力，这与工作记忆不同，因为它可以在动物只是被动聆听而非参与主动任务时出现。

最后，最近有建议表明，在获取任务相关声音意义的早期阶段，听觉皮层中的Off期放电可能同时具有长潜伏期和长时程。作者报道，当动物学习Go/No-Go任务时，在训练开始后的几十次试验内，在它们成为专家之前，兴奋性神经元在Off反应窗口内表现出升高的钙信号，但主要出现在命中试验中。他们认为这代表了一种指导性的奖励预测，突出了在听觉皮层活动中起作用的更高级的认知因素。我们强调，尽管这些作者没有将其称为Off反应，但它们确实发生在通常会发生此处所述的Off放电的时间段内。也就是说，我们推测这可能是不同形式的Off放电的证据，需要根据潜伏期和持续时间进行区分，未来的研究应在表征Off反应时更仔细地记录这些参数。显然，需要特别小心来理解这些神经激活是与刺激的行为意义相关的更自上而下的认知过程有关，还是这些长潜伏期/长时程Off反应反映了（i）到达听觉皮层的运动指令的传出副本，或（ii）计划在几百毫秒后执行的运动行为反应。区分这些不同的可能性对于理解Off反应的不同功能角色至关重要。

Conclusions

在它们被忽视数十年之后，现在有令人信服的证据表明Off反应对于行为上检测声音终止以及区分不同声音持续时间至关重要。多项结果清楚地表明，在专门设计的行为任务中，On和Off反应都参与了持续时间感知的神经机制。时间处理对于听觉感知总体上是至关重要的，因为自然声音在频谱内容和时间包络上不断随时间调制。因此，我们需要尽可能多的时间标记来从自然声学流中分离声学对象。Off反应代表了在聆听自然声学流时产生特定事件神经标记的另一种方式，与听觉系统只能基于On反应分析声学信息流的情况相比，这是一个优势。

到目前为止，我们希望已经清楚，忽视Off反应可能会错过复杂声音（变得具有行为相关性）如何在听觉系统中编码的一个极其重要的组成部分。在感觉神经科学的历史中，基于PSTH的方法突出了发生在刺激起始后或几百毫秒内的动作电位的神经编码。这是不完整的，因为中枢听觉系统的神经元没有关于刺激起始时间的信息。几十年来，这种方法上的偏见导致听觉界只关注On反应。相反，我们期望，在研究听觉刺激期间但也包括之后神经代码的更无偏见视角，将为理解自然声音的声学和认知维度如何在中枢听觉系统中被处理提供更深入的见解。