听觉剥夺引发的轴突起始段可塑性对人工耳蜗神经反应模型中时间差敏感性的影响及意义

为探究听觉剥夺导致的轴突起始段（AIS）可塑性是否影响内侧上橄榄核（MSO）神经元时间差敏感性，研究人员构建模型开展研究。结果发现 AIS 可塑性会降低时间差敏感性，这为理解双侧人工耳蜗使用者声源定位障碍提供了新视角。

　　在声音的奇妙世界里，我们依靠双耳来精准定位声音的来源，这其中，双耳间声音到达时间的差异（耳间时间差，ITD）起着关键作用。对于那些重度至极重度感音神经性听力损失的人来说，人工耳蜗（CIs）成为了他们重新聆听世界的希望。人工耳蜗通过电信号刺激听神经，帮助使用者提高言语理解能力，双侧人工耳蜗在一定程度上还能改善声源定位能力。然而，与正常听力者相比，双侧人工耳蜗使用者的声源定位准确性仍存在明显不足。

为什么会这样呢？以往研究发现，可能的影响因素众多，比如双耳电极位置不匹配、听神经对人工耳蜗和声学刺激的时间反应差异，以及听神经纤维的退变等。但除了这些，听觉系统中枢神经处理阶段是否也存在问题呢？这成为了科学家们想要解开的谜题。

来自美国斯沃斯莫尔学院（Swarthmore College）和纽约大学（New York University）的研究人员 Anna Jing、Sylvia Xi 等人，针对这一问题展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Journal of Computational Neuroscience》上。

研究人员在探索过程中，将目光聚焦在听觉剥夺引发的轴突起始段（AIS）可塑性上。AIS 是神经元产生动作电位的关键部位，以往研究发现，听觉剥夺会使 AIS 发生可塑性变化，比如在鸡的脑干中，听觉剥夺会改变声源定位回路中神经元 AIS 的大小和生物物理学特性。在人类中，虽然尚未在 MSO 神经元中观察到 AIS 可塑性，但人工耳蜗使用者经历长时间听力损失，听觉系统输入减少，因此研究人员推测 MSO 神经元可能也存在 AIS 可塑性。

为了验证这一推测，研究人员构建了计算模型。在模型的第一阶段，他们利用一个现象学随机模型来模拟听神经（AN）对人工耳蜗刺激的反应，产生听神经纤维的动作电位序列。在这个模型里，输入电流以脉冲形式表示人工耳蜗电极传递的电信号，通过一系列方程和参数来描述电压变化和动作电位产生的概率，同时还考虑了不应期、适应、易化和 Accommodation 等多种生理现象对动作电位的影响。

模型的第二阶段则是构建了一个两室模型来描述 MSO 神经元的活动。该模型将神经元分为代表胞体和树突的整合区域（第一室）以及代表轴突起始段的动作电位产生区域（第二室），通过 Hodgkin-Huxley 类型的方程来描述电压动态变化。为了模拟听觉剥夺导致的 AIS 可塑性，研究人员对模型参数进行了调整，例如增加第二室的被动参数（电容、漏电导）以模拟 AIS 的伸长，改变钾离子通道相关参数等。

研究结果令人瞩目：

1. AN 对不同脉冲率的 CI 刺激反应：在模型中，AN 动作电位与脉冲结束时间紧密相关。较低脉冲率时，AN 在高电流水平下可对每个脉冲可靠放电；高脉冲率时，放电率随电流增加更为平缓，且在相对较低的平均每个脉冲放电数下就能达到高放电率。
2. MSO 对不同脉冲率的 CI 刺激反应：MSO 神经元模型在低脉冲率、0 ms 时间差刺激下能可靠产生动作电位；高脉冲率时，模型无法快速产生动作电位以跟上输入节奏。对比控制模型和模拟听觉剥夺的剥夺模型发现，剥夺模型更易兴奋，但对时间差的敏感性明显降低。
3. 时间差调谐在剥夺模型中退化：通过模拟不同时间延迟的输入来评估 MSO 神经元对时间差的敏感性，发现控制模型在低于 1000 pps 的脉冲率下，放电率随时间差增加而明显下降，表现出较好的时间差敏感性；而剥夺模型的放电率对时间差变化更不敏感，在多个脉冲率下，放电率随时间差变化的曲线更为平坦。
4. 对高脉冲率、时变脉冲幅度刺激的包络时间差敏感性：在实际聆听中，人工耳蜗脉冲幅度会随时间变化。研究人员模拟了高脉冲率、正弦变化脉冲幅度的刺激，结果显示控制模型在较高调制频率下对时间差更为敏感，而剥夺模型即使在最高测试调制频率（300 Hz）下，对不同时间差输入的放电率差异也不明显。
5. 对恒定电流输入的放电类型差异：控制模型在对恒定电流输入时表现为相位性放电（phasic firing），即在刺激开始时最多产生一个动作电位；而剥夺模型则表现为强直性放电（tonic firing），会重复放电。MSO 神经元正常为相位性放电，这种放电类型与精确的时间检测相关，有助于声源定位，而剥夺模型放电类型的改变使其失去了这种时间精度优势。

在讨论部分，研究人员指出，他们的研究揭示了听觉剥夺导致的 AIS 可塑性会改变 MSO 神经元的功能，进而影响声源定位。虽然该模型存在一些局限性，比如未考虑听觉神经纤维的退化、耳蜗电场的空间分布以及中间核团的作用等，但为理解双侧人工耳蜗使用者的声源定位障碍提供了新的视角。同时，研究结果也对当前人工耳蜗的高脉冲率刺激策略有重要意义，高脉冲率会降低时间差敏感性，但 MSO 神经元对高脉冲率刺激中包含在脉冲幅度包络中的时间差仍有一定敏感性。此外，未来还需进一步研究人工耳蜗植入后 AIS 可塑性的变化情况。

总的来说，这项研究深入探讨了听觉剥夺引发的 AIS 可塑性对人工耳蜗神经反应模型中时间差敏感性的影响，为后续提高人工耳蜗使用者的听觉效果、改善声源定位能力提供了重要的理论依据，推动了听觉神经科学和人工耳蜗技术的发展。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：

1. 构建计算模型：构建了模拟听神经对人工耳蜗刺激反应的模型以及 MSO 神经元的两室模型，通过调整模型参数来模拟不同生理状态。
2. 数值计算与模拟：使用 Python 和 C 代码进行数值计算，采用向前欧拉法求解描述 MSO 神经元动态的微分方程，并对模型进行多次重复模拟以获取可靠结果。