大脑的感觉皮层可分为视皮层、听皮层和躯体感觉皮层三大部分,分别执行相应的视、听、体感等功能。这些皮层区域通过相应的丘脑核团,特异性地接受外周感受器的信息,因此也称单信息模态感觉皮层。利用解剖学和电生理等方法研究发现,除特异性地接受相关感觉信息之外,初级感觉皮层神经元也能接受跨模态感觉(或称异感觉)的信息。目前认为,感觉皮层神经元对跨模态信息的处理是大脑处理和整合多感觉信息的重要基础,也是大脑联合学习的重要模式;另外,鉴于众多感觉缺失病人的存在,对感觉皮层神经元跨模态信息处理机制的研究也是针对感觉缺失后、感觉替代和修复等问题的重要方向之一。目前,对感觉皮层神经元跨模态信息处理的模式及机制还需深入的研究。本论文通过在成年大鼠上开展在体膜片钳全细胞记录,对神经元阈下活动进行观察,进一步探讨了初级感觉皮层对跨模态刺激的反应及潜在机制。实验首先以戊巴比妥钠作为动物电生理记录的麻醉药物。我们发现,在能满足记录所需的相对较浅的麻醉程度时,闪光视觉刺激几乎不能引起初级体感皮层S1神经元的反应(表现出反应的细胞比例为4%),这一发现与以往通过胞外电生理记录的研究报道一致。但是有趣的是,在该麻醉程度基础上、通过腹腔额外注射较大剂量戊巴比妥钠或脑室注射GABA_A受体激动剂-蝇蕈醇(muscimol)使大脑处于超抑制状态,几乎所有记录到的S1神经元均能对该闪光视觉刺激产生膜电位反应,即表现出跨模态反应。并且,这些膜电位反应均为阈下兴奋性。而后,实验换用乌拉坦作为动物的麻醉药物,我们同样发现:在麻醉状态处于较浅的电生理记录条件时,仅少量(4%)S1神经元对闪光刺激起反应;额外腹腔注射一定剂量乌拉坦或脑室注射muscimol使大脑处于超抑制状态后,几乎所有记录的S1神经元依然能够表现出对闪光刺激的兴奋性反应。进一步的实验显示:当大脑处于上述超抑制状态时,S1神经元也能普遍对听觉刺激产生阈下兴奋性膜电位反应。类似的发现在初级视皮层(V1)和听皮层(A1)也被观察到:在大脑处于额外腹腔给予戊巴比妥钠所致超抑制状态时,声音刺激和胡须触觉刺激可以在全部所记录的V1神经元诱发兴奋性膜电位反应;胡须刺激和闪光刺激可以在全部所记录的A1神经元诱发兴奋性膜电位反应。论文进一步探讨了我们在超抑制大脑状态所观察到的跨膜态投射的可能传递通路。针对S1神经元对闪光视觉刺激的跨模态反应(在腹腔额外注射戊巴比妥钠的情况下),我们发现:局部注射利多卡因抑制V1神经活动或机械损毁整个V1区域,对S1神经元的光反应幅度无明显影响;而局部利多卡因注射至丘脑外侧膝状体(lateral geniculate nucleus,LGN)能大幅度降低S1神经元对闪光刺激的反应;丘脑腹后内侧核(ventral posteromedial nucleus,VPM;体感系统的丘脑核团)神经元在超抑制脑状态时、对闪光刺激不发生动作电位反应,即不能向S1提供该视觉刺激的传递。所以,在丘脑水平上,视觉信息投射到S1需要经过LGN的传递,但不经过VPM;在皮层水平上,主要通路不经过V1。我们的研究显示,跨模态投射在感觉皮层神经元上普遍存在;虽然这些跨模态通路在正常情况下可推断处于沉默或失活状态,但可能在特定的生理过程(如联合学习、感觉剥夺)中发挥潜在的重要功能。