Theunissen F, Roddey J C, Stufflebeam S, Clague H, Miller J P
Department of Molecular and Cell Biology, University of California, Berkeley 94720, USA.
J Neurophysiol. 1996 Apr;75(4):1345-64. doi: 10.1152/jn.1996.75.4.1345.
运用电生理技术研究了蟋蟀尾须感觉系统中四个已确定的初级感觉中间神经元的刺激/反应特性。这四个细胞被认为代表了尾须系统中一个功能上离散的亚单位:它们是仅有的在低强度刺激下将有关刺激方向的信息编码到更高神经中枢的细胞。先前的研究描述了这些细胞编码的关于水平面内气流方向的信息量。在本文报道的实验中,我们描述了这些细胞在其最佳刺激方向上对气流波形动态变化所引发反应中编码的信息的数量和质量。总样本集包括22个细胞。
通过使用随机系统分析和信息论的方法确定细胞的频率敏感性和编码准确性来实现这种描述。所采用的具体分析方法是“刺激重建”技术,即推导一个函数展开式,将观察到的脉冲序列反应转换为实际刺激的最佳估计(即“重建”)。给出了关键方程的一种新颖推导。将反向方法与更传统的正向分析进行了比较,在正向分析中,推导一个展开式将刺激转换为对脉冲序列反应的预测。考虑了这些分析方法应用的重要方面。
通过用线性展开式重建刺激波形不同频率成分的准确性评估发现,所有四个中间神经元具有相同的频率调谐。这些中间神经元编码了关于5至80赫兹刺激频率的重要信息,其峰值敏感性约为15赫兹。
发现所有四个中间神经元具有相同的刺激/反应潜伏期。刺激成分与相应引发的脉冲之间的平均潜伏期为17毫秒。所有四个中间神经元也具有相同的整合时间。通过刺激持续时间测量的整合时间,其可影响产生脉冲的概率,约为50毫秒。
编码准确性可以表示为信噪比,其中噪声是原始信号与信号最佳估计之间的缩放差异。仅使用线性展开项,在所有刺激功率水平下,细胞获得的峰值信噪比约为1。数据分析表明,考虑刺激的二阶非线性变换不会提高计算出的编码准确性。
编码准确性也可以用比特/秒的信息论单位表示,它表征了细胞的信息传输速率。在我们的实验集中,22个不同细胞的比特/秒值在10到80之间变化。信息速率值与中间神经元的平均脉冲频率高度相关,但与刺激功率水平无关。然而,在每种情况下,通过平均脉冲频率对绝对信息速率进行归一化,得到了一个比特/脉冲的量度,在所有实验中该量度非常稳定。所有实验中测量的比特/脉冲率约为1。在最近关于最佳编码的理论研究背景下讨论了这一结果。
尽管这四个中间神经元的动态敏感性相同,但已知它们的方向敏感性是正交的。因此,从功能角度来看,这些细胞相互补充:虽然特定细胞对某些方向的气流不敏感,但其他三个细胞中的一个或多个将对来自这些方向的刺激敏感……