自身发声通过皮层内通路激活发育中的听觉皮层

《SCIENCE ADVANCES》：Self-vocalizations activate the developing auditory cortex via an intracortical pathway

　　

感觉脑的发育依赖于早期外周产生的自发神经活动和随后的感觉诱发活动。为探究发育过程中听觉皮层（ACtx）的活动来源，研究人员在新生小鼠幼崽中进行了在体成像。研究人员发现，即使在耳廓开放之前，自身发声即伴随ACtx活动，且该活动强于纯音诱发的反应。自身发声相关活动亦存在于聋鼠幼崽中，提示存在自上而下的活动来源。研究人员揭示了前扣带回皮层（ACC）和次级运动皮层（M2）向ACctx的投射，且ACC/M2表现出与ACtx活动相关的发声驱动活动。ACC/M2失活可减少自身发声和ACtx活动。因此，自身发声可在耳廓开放前即激活发育中的ACtx，可能通过ACC/M2运动指令实现。研究结果揭示了一种此前未被识别的早期ACtx活动来源，该来源能够塑造发育过程。

该论文发表于《SCIENCE ADVANCES》，研究了发育中听觉皮层（ACtx）早期活动来源这一关键科学问题。传统认知中，感觉脑的发育主要依赖早期外周自发神经活动（如内耳自发放电）和外周感觉经验，但即使声感觉传入尚未有效建立或外耳道封闭状态下，听觉皮层已接收来自何种类型的自然信号以驱动神经可塑性，仍属未知。出生后约5至11天的小鼠幼崽处于独特发育窗口：内耳自发放电趋于衰减、耳廓尚未开放、外部声音被封闭耳道显著衰减，然而幼崽在此阶段产生大量超声发声（USVs）。研究人员据此推测，参与发声产生的前扣带回皮层（ACC）和次级运动皮层（M2）可能通过向ACtx传递运动拷贝（motor copy/corollary discharge），在耳廓开放前即驱动ACtx活动。

研究人员采用C57Bl/6J、Thy1-GCaMP6s转基因小鼠及Otoferlin敲除（Otof^?/?）聋鼠模型，对出生后8至14天（P8–P14）幼崽进行系列研究。队列来源包括：野生型幼崽分P8–P9、P10–P11、P12–P14三个年龄组；Otoferlin缺陷幼崽分P8–P9和P12–P14两组；另有部分幼崽用于慢性发声记录（P6–P8，3窝）及药物干预实验（P8–P9）。

研究技术手段主要包括：宽场钙成像技术，通过Thy1-GCaMP6s荧光蛋白在体监测ACtx及ACC/M2的神经元钙活动，成像参数为20 Hz帧率、450–490 nm激发光、515–555 nm发射光；同步超声麦克风（2–200 kHz）记录自身发声，并利用VocalMat软件对发声进行自动检测与分类；逆行示踪技术，采用小麦胚芽凝集素（WGA-555）标记ACtx，验证ACC/M2至ACtx的投射通路；双区域同步成像技术，同时记录ACC/M2与右侧ACtx活动以分析两结构的功能关联；药理学失活技术，向双侧ACC/M2微量注射GABA_A受体激动剂muscimol（10 mM，100 nl）或生理盐水对照，评估该区域对发声及ACtx活动的因果性作用。

研究结果部分：

自身发声在全部年龄段伴随ACtx活动：宽场成像显示，P8–P14各年龄组幼崽在常规饲养条件下均能检测到超声发声，且多数幼崽ACtx中存在对发声敏感的感兴趣区域（ROIs）（P8–P9：83%；P10–P11：50%；P12–P14：92%）。与纯音诱发反应相比，自身发声相关反应在耳廓开放前（P8–P9）显著更强，且发声相关反应不随年龄增加而增多，其幅度随年龄增长而降低（P8–P9中位ΔF/F为11.6%，P12–P14降至3.9%）。运动监测实验表明，存在仅对发声敏感的空间区域，且这些区域与纯运动敏感区域空间分离，提示发声本身即可触发ACtx活动。

自身发声相关ACtx反应无侧化特征：与成体不同，幼崽ACtx对自身发声的反应在左右半球间无显著侧化，半球间侧化指数在各年龄组均无显著偏离零值。功能相关性分析显示，发声期间ROI间活动高度相关，尤其P12–P14阶段跨半球相关性显著高于静默期，提示自身发声有助于建立早期ACtx的功能连接。

自身发声相关ACtx活动不依赖听觉感觉传导：在Otof^?/?感觉神经性聋鼠中，尽管纯音反应几乎消失（P8–P9为0%，P12–P14仅20%），自身发声相关ACtx反应依然 robust（P8–P9：100%，P12–P14：70%），且跨半球相关性模式与野生型相似。该结果证明，此通路活动源于中枢运动相关信号而非外周听觉反馈。

ACC/M2为自身发声相关ACtx活动的潜在来源：逆行示踪证实P8–P9时ACC/M2已存在向ACtx的投射。ACC/M2宽场成像揭示该区域在所有年龄段均存在发声相关活动，且反应时间轮廓与ACtx高度相似，初始上升甚至早于发声起始，符合运动拷贝特征。双区域同步成像进一步显示，ACC/M2与ACtx在发声期间功能耦合显著强于静默期（相关系数：发声时0.74，静默时0.42），两结构中发声关联与非关联事件的幅度无差异，但关联事件间期更长。

ACC/M2药理学失活减少自身发声并降低ACtx活动：muscimol双侧注射后，幼崽发声数量从平均22.9次降至1.8次，而生理盐水组因母鼠分离效应反呈增加趋势。ACtx成像显示，muscimol处理显著降低关联事件（中位ΔF/F从32.6%降至18.5%）及非关联事件的幅度，并延长关联事件间期；生理盐水无此效应。该结果确立ACC/M2对早期ACtx活动的整体驱动作用。

讨论部分总结：

研究人员揭示了发育中ACtx存在一条此前未被识别的皮层内激活通路：在耳廓开放前，自身发声通过ACC/M2传递的运动拷贝/伴随放电信号驱动ACtx活动，这一来源在自发外周活动向感觉经验驱动活动过渡的关键期提供额外模板，参与塑造神经环路。与既往认为的"ACtx发育完全依赖外周自发活动和声感觉输入"不同，该研究发现中枢起源的运动相关信号在感觉经验有效前即具有功能意义。

研究推论，ACC/M2投射因其短于未成熟声诱发反应的潜伏期，可能通过异突触长时程增强（LTP）或尖峰时间依赖可塑性（STDP）强化丘脑-皮层突触，形成"教师环路"。尽管不能完全排除眶额皮层等共同上游来源的可能性，ACC/M2与ACtx在发声期间的强耦合及失活后的显著效应，支持其作为直接驱动源的结论。

该发现对理解神经发育障碍具有重要启示：发育期超声发声异常是自闭症等疾病的早期行为标志，而ACC功能异常、听觉环路改变及自我与他人声音区分障碍在精神分裂症中均有报道。本研究提示，发声相关运动拷贝信号的紊乱可能是后续听觉感知和认知功能障碍的始动因素之一。

研究最后指出，人类妊娠中期相当于小鼠P8–P14阶段，尽管胎儿不在子宫内发声，但口面部运动可能通过类似通路参与ACtx发育，且胎儿已能感知母亲声音并塑造后续反应，提示该机制可能具有跨物种保守性。

结论部分翻译：研究人员揭示了自身发声通过皮层内通路驱动发育中ACtx激活的直接功能证据。这是一种此前未被识别的早期ACtx活动来源，能够塑造发育和早期神经可塑性。该激活的紊乱可能影响发育，并导致随后出现的沟通和认知过程的负面级联效应，正如在神经发育障碍中观察到的那样。