两种声呐信号蝙蝠耳朵声学特性及听觉转导蛋白表达异同的研究

In the open literature regarding the bats auditory system, most of them focused on the static acoustic characteristics of one certain sub-structure. However, the dynamic cooperation of different parts and the related hearing genes are the deterministic factors in the echolocation of bats. This study will employ microphone array technique, computer vision, 3D deformation theory, Cramer-Rao lower bound, yeast two hybrid screening and co-immunoprecipitation technique, transcriptomics etc., to explore the functioning mechanisms of the hearing system of the Rhinolophus ferrumequinum and Myotis ricketti bats, which utilizes two types of sonar signal (CF-FM and FM), respectively. The project will conduct: 1) the comparison of the effects of the time-varying characteristics on the received acoustic information for the two species of bats; 2) the in-depth analysis of the difference in the biological properties of the auditory transduction proteins(CDH23、PCDH15) in the pinna of the two species of bats; 3) the analysis of the biological mechanisms of the response to the environmental acoustic signals for the two species of bats, based on the acoustical characteristics of the ear，and the similarity and difference in the hearing transducin. The goal of this project is to develop a methodology, for the later research on the dynamic acoustic coupling and related hearing genes of bats, which utilize different types of acoustic signals, and for revealing the unique advantages of the bats hearing system over other species of animal. The results from the current study can provide critical theoretical foundation for the development of the new bio-inspired smart sensor with time-varying characteristics, and has the potential to be used in other engineering design.

目前对蝙蝠听觉系统的研究，注重单一部位静态声学特性研究，但蝙蝠听觉系统的动态耦合以及相关重要听觉基因在回声定位中的作用非常重要。本项目将用麦克风阵列、计算机视觉、三维形变、Cramer-Rao下界、酵母双杂交、转录组学等研究方法探索马铁菊头蝠和大足鼠耳蝠听觉系统的工作原理。项目的重点研究内容：1）对比两种声呐信号蝙蝠耳朵时变特性对接收声场信息量异同影响的物理机制；2）深入分析两种声呐信号蝙蝠耳蜗中重要听觉转导蛋白分子(CDH23、PCDH15)的生物学异同；3）结合耳朵声学特性的内在异同，以及听觉蛋白分子的异同，找出两种声呐信号蝙蝠对外界听力刺激反应的根本生物物理学机制。课题目标是建立一套新的研究方法，用于后期研究其它不同声呐信号蝙蝠动态耦合声学功能以及相关听觉基因异同，揭示不同声呐信号蝙蝠听觉系统的独特优势。相关数据结果引入工程学中，为发展新型具有时变特性仿生智能传感器提供重要理论指导。

研究发现蝙蝠的鼻叶和外耳结构都可以看做共形阵天线，与阵列天线不同的是蝙蝠的“天线”只有一个发射或接收单元（鼻孔，鼓膜），其波束形成是靠反射面天线空间结构对同一个信号源的相位调制。因此通过研究蝙蝠鼻叶、外耳结构和波束形成的关系以及相关重要听觉基因 在回声定位中的作用，还可以与雷达天线的需求紧密结合起来，符合雷达天线多功能、超宽频带、低成本的发展要求。. 现在智能天线主要利用调制相位的变化进而调节阵列天线声场波束，在自然界中不同种类蝙蝠仅通过外耳对声呐脉冲的调制，就对声场波束空间分布起到调节作用，因此研究不同种类蝙蝠的这个共性，将对智能天线的改进具有重要指导作用。研究中共选取30只蝙蝠外朵，通过有限元声场模拟得到蝙蝠声场波束，进而对声场波束进行指向归一化以及球面小波压缩，再运用主成分分析法得到蝙蝠平均声纳波束以及对应的本征波束。研究表明：1）平均声场波束叠加不同本征波向量后获得不同的变化规律。2）在本征空间中，距离越近表示声场波束的相似度越高，距离越远表示相似度越低，相似度对区分不同属的蝙蝠具有一定作用。. 马铁菊头蝠鼻孔周围分布着极其复杂但极其精致的鼻叶组织，其超声声呐脉冲通过鼻孔发出，静态鼻叶各部分组织对发射的声呐脉冲具有不同影响，但动态鼻叶对声场的空间分布影响还没有得到深入研究。本项目结果表明声场波束在空间中的分布随着顶叶形变发生明显变化，说明顶叶形变为时变性声场波束信息的空间分布提供了重要动态发射基板，弥补了鼻叶组织静态情况下声场波束中单一主瓣和较弱旁瓣的缺陷。. 利用蛋白免疫印迹实验、定量PCR等检测CDH23、PCDH15等听觉转导相关蛋白。收集马铁菊头蝠、大蹄蝠的耳蜗组织，构建蝙蝠内耳基因表达文库，利用听觉相关蛋白CDH 23、PCDH15 作为诱饵蛋白，通过酵母双杂交等生物学方法筛选蝙蝠超声波感 知相关蛋白，通过免疫共沉淀等实验方法进一步验证蛋白的相互作用。

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