Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили мозговую цепь, которая управляет вокализацией и гарантирует, что вы говорите только тогда, когда выдыхаете, и прекращаете говорить, когда вы вдыхаете.
Недавно обнаруженный контур управляет двумя действиями, необходимыми для вокализации : сужением гортани и выдохом воздуха из легких. Исследователи также обнаружили, что этот контур вокализации находится под управлением области ствола мозга, которая регулирует ритм дыхания, что обеспечивает доминирование дыхания над речью.
«Когда вам нужно вдохнуть, вы должны прекратить вокализацию. Мы обнаружили, что нейроны, которые контролируют вокализацию, получают прямую тормозящую информацию от генератора дыхательного ритма», — говорит Фан Ван, профессор кафедры мозговых и когнитивных наук Массачусетского технологического института, член MIT. Макговерна из Института исследований мозга и старшего автора исследования.
Джехонг Пак, аспирант Университета Дьюка, который в настоящее время является приглашенным студентом Массачусетского технологического института, является ведущим автором исследования, опубликованного в журнале Science . Среди других авторов статьи — технические сотрудники Массачусетского технологического института Сонми Чой и Эндрю Харрахилл, бывший научный сотрудник Массачусетского технологического института Джун Такато, а также исследователи из Университета Дьюка Шэнли Чжао и Бао-Ся Хань.
Контроль вокализации
Голосовые связки, расположенные в гортани, представляют собой две мышечные полосы, которые могут открываться и закрываться. Когда они в основном закрыты или приведены, воздух, выдыхаемый из легких, генерирует звук, проходя через связки.
Команда Массачусетского технологического института решила изучить, как мозг контролирует этот процесс вокализации, используя модель мыши . Мыши общаются друг с другом с помощью звуков, известных как ультразвуковые вокализации (УСВ), которые они производят с помощью уникального свистящего механизма выдыхания воздуха через небольшое отверстие между почти закрытыми голосовыми связками.
«Мы хотели понять, какие нейроны контролируют приведение голосовых связок, и как эти нейроны взаимодействуют с дыхательным контуром?» Ван говорит.
Чтобы выяснить это, исследователи использовали технику, позволяющую составить карту синаптических связей между нейронами. Они знали, что приведение голосовых связок контролируется мотонейронами гортани, поэтому начали с обратного движения, чтобы найти нейроны, которые иннервируют эти мотонейроны.
Это показало, что одним из основных источников входной информации является группа премоторных нейронов, обнаруженных в области заднего мозга, называемой ретро-двусмысленным ядром (RAm). Предыдущие исследования показали, что эта область участвует в вокализации, но не было точно известно, какая часть RAM требуется и как она обеспечивает производство звука.
Исследователи обнаружили, что эти нейроны RAM, меченные синаптической трассировкой, сильно активируются во время USV. Это наблюдение побудило команду использовать метод, зависящий от активности, для нацеливания на эти нейроны RAM, специфичные для вокализации, называемые RAM VOC . Они использовали хемогенетику и оптогенетику, чтобы выяснить, что произойдет, если они заставят замолчать или стимулировать их активность.
Когда исследователи заблокировали нейроны RAM VOC , мыши больше не могли производить USV или какой-либо другой вид вокализации. Их голосовые связки не смыкались, а мышцы живота не сокращались, как это обычно происходит во время выдоха для вокализации.
И наоборот, когда нейроны RAM VOC активировались, голосовые связки закрывались, мыши выдыхали и вырабатывались USV. Однако, если бы стимуляция длилась две секунды или дольше, эти USV прерывались бы вдохами, что позволяет предположить, что процесс находится под контролем той же части мозга, которая регулирует дыхание.
«Дыхание — это потребность выживания», — говорит Ван. «Хотя этих нейронов достаточно, чтобы вызвать вокализацию, они находятся под контролем дыхания, что может игнорировать нашу оптогенетическую стимуляцию».
Генерация ритма
Дополнительное синаптическое картирование показало, что нейроны в части ствола мозга, называемой пре-комплексом Бетцингера, которая действует как генератор ритма при вдохе, обеспечивают прямой тормозной сигнал для нейронов RAM VOC .
«Пре-Бетцингеровский комплекс автоматически и непрерывно генерирует ритмы вдоха, а тормозные нейроны в этой области проецируются на эти вокализационные премоторные нейроны и, по сути, могут их отключить», — говорит Ван.
Это гарантирует, что дыхание будет доминировать над речью, и нам придется делать паузу, чтобы дышать во время разговора.
Исследователи полагают, что, хотя производство речи у человека более сложное, чем вокализация у мышей, цепь, которую они выявили у мышей, играет консервативную роль в производстве речи и дыхании у людей.
«Несмотря на то, что точный механизм и сложность вокализации у мышей и людей действительно различаются, фундаментальный процесс вокализации, называемый фонацией, который требует закрытия голосовых связок и выдоха воздуха, общий и у человека, и у мыши», — говорит Парк. .
Теперь исследователи надеются изучить, как мозговые цепи, контролирующие дыхание и вокализацию, могут влиять на другие функции, такие как кашель и глотание пищи.
