科学网—研究揭示听觉与语言能力发育机制

加州大学旧金山分校旅美华人科学家苑克鑫博士所属的研究团队，经过三年的研究，揭示了在大脑皮层发育初期，听觉神经细胞所接收到的兴奋性信号和抑制性信号间的不平衡性，以及外界声音环境对发育中的听觉神经网络的巨大影响。该发现为研究儿童语言技巧的发育，自闭症儿童语言障碍的发生机制，以及其他与发育相关的语言损害，提供了非常重要的基础。6月17日出版的世界自然科学研究领域最权威的杂志《自然》（Nature）发表了该研究成果，肯定了该研究的突破性以及对人类健康具有的深远意义。

大脑皮层是人的CPU，而神经细胞是大脑皮层的基本功能单位。人类大脑皮层中大概有140亿个神经细胞，它们相互联接，形成神经网络。每一个神经细胞都会同时接收到来自于其他神经细胞的兴奋性和抑制性信号。在成年人的听觉皮层中，这两种信号大致平衡，通过彼此相互拮抗来实现对声音和语言信息的处理，从而使得人们能够正常的听和说。与成年人相比，儿童的语言理解和运用能力相对较弱，自闭症儿童中普遍存在的语言障碍则更是极端的例子。科学家们相信这是由于正在发育中的儿童大脑听觉区域中兴奋性和抑制性信号间尚不协调的相互作用引起的，但是一直缺乏直接的证据。

要想得到直接的证据，就必须利用活体全细胞电压钳记录技术，来捕捉到大脑中单个神经细胞所接收到的兴奋性和抑制性信号，也就是说，首先要将信号记录仪器大约3微米粗的尖端吸附在随着心脏和呼吸不断振动的10-20微米大小的神经细胞表面，然后吸破细胞膜，使得仪器尖端与细胞内部直接连通，随后通过控制电压，来记录兴奋性和抑制性信号。苑克鑫博士形容，这一技术的精巧程度，简单来说就像是要求一个人用针去戳一只随风摆动的肥皂泡，针尖必须刚刚好插入肥皂泡的表面，但是又不能把肥皂泡戳破。由于这一技术涉及一系列非常关键的细节，完全没有显微镜的引导，并且要求研究人员具有丰富的经验，目前全美只有少数几个实验室掌握。

苑克鑫博士经过无数次的实验和探索，成功掌握了这一技术，并利用这一技术发现在动物幼年时期，也就是听觉大脑皮层发育的早期，神经细胞所接收到的兴奋性信号和抑制性信号确实是不平衡的。这种不平衡性体现在对声音频率的选择性上。也就是说，当用不同频率的声音给动物听时，单个听觉神经细胞只会在特定的频率范围内接收到兴奋性信号，但是却几乎可以在所有的频率都接收到抑制性信号。这与在成年动物的听觉神经细胞中观察到的平衡的兴奋和抑制性信号是截然不同的。以人为例，儿童听觉细胞中的这种不平衡性导致这两种信号不能协调的相互作用，从而一定程度上决定了儿童与成人间存在的语言能力的差异。该研究结果还表明，这两种信号会随着动物发育的进程而逐步实现对等。但是在自闭症儿童的听觉皮层中，其它研究手段已间接表明这两种信号实现对等的进程受到了阻碍，这很可能导致了自闭症儿童的语言障碍。

看上去，这种兴奋与抑制的平衡是一个自然的，渐进的发育过程，可是人或动物所处的声音环境会不会对这一发育现像有所影响呢？苑克鑫博士进一步的研究结果更加让人兴奋。他发现当用特定频率的声音来重复刺激幼年动物的听觉系统时，仅需短短的3至5分钟，就可以使听觉皮层神经细胞接收到的兴奋性和抑制性信号实现对等，而这是通过使抑制性信号具有选择性实现的。也就是说，外界高强度的声音刺激选择性的改变了抑制性信号，加速了这一本来应该是渐进性的过程。虽然这种由高强度刺激所导致的兴奋性和抑制性信号的提前对等的实际功能意义还有待于进一步研究，但是这一现像已经足以表明在动物发育过程中外界刺激会对大脑神经网络产生巨大的影响，并且已经有实验证据表明这种影响很有可能会延伸到成年阶段。仍然以人为例，如果儿童长期暴露在过于嘈杂和高强度的声音环境中，他们成年后的语言能力将有可能会受到严重损害。

苑克鑫博士表示，这一研究成果是团队合作的结晶。在现为纽约大学助理教授的Robert Froemke博士以及加大旧金山分校的资深听觉研究科学家Christoph Schreiner博士的启发和带领下，他与同事Anja Dorn成功攻克了这一科学难题。该研究团队现在正致力于研究如何打破成年动物听觉皮层中兴奋性和抑制性信号间的平衡，从而使大脑在某种程度上恢复发育时期特征，然后使用特殊的声音刺激方式来重新塑造听觉神经细胞间的连接。这一研究将会对帮助有语言或听觉障碍的成年人恢复正常的语言或听觉功能有重要意义。

关于苑克鑫博士：

男，31岁。2001年毕业于中国烟台大学生物化学理工学院并获得生物化学学士学位后，凭借优异成绩进入到中国科学研究的最高学府，中国科学院攻读听觉研究的博士学位，并于2006年加入加大旧金山分校， Christoph Schreiner教授的研究团队开展博士后研究工作。他对大脑听觉信息加工以及与听觉相关的大脑发育和可塑性有着浓厚的研究兴趣，并希望将来能够用他自己的研究成果来帮助提高人类的健康水平。（来源：加州大学旧金山分校 苑克鑫）

论文作者：Robert C. Froemke DOI： 期刊：《自然》

论文摘要链接：http://www.nature.com/nature/journal/v465/n7300/abs/nature09119.html

论文新闻作者：苑克鑫 联系人姓名：苑克鑫 电子邮件：kexinphy.ucsf.edu 联系电话：415-990-9207(C); 415-476-1576(O)

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