Як мозок координує мову і дихання

Дослідники Массачусетського технологічного інституту виявили схему мозку, яка керує вокалізацією та гарантує, що ви говорите лише під час видиху та припиняєте говорити, коли вдихаєте.

Нещодавно відкрита схема контролює дві дії, необхідні для вокалізації: звуження гортані та видих повітря з легенів. Дослідники також виявили, що цей контур вокалізації знаходиться під командою області стовбура мозку, яка регулює ритм дихання, що гарантує, що дихання залишається домінуючим над мовою.

«Коли вам потрібно вдихнути, вам потрібно припинити вокалізацію. Ми виявили, що нейрони, які контролюють вокалізацію, отримують прямий гальмівний сигнал від генератора ритму дихання», — каже Фан Ван, професор мозку та когнітивних наук Массачусетського технологічного інституту, член Массачусетського технологічного інституту. Інститут дослідження мозку Макговерна та старший автор дослідження.

Neurology Thursday повернулись! Перегляньте записи заходів, що завершились та не забудьте зареєструватись на ті, що ще будуть!

Джехонг Парк, аспірант Університету Дьюка, який зараз відвідує Массачусетський технологічний інститут, є провідним автором дослідження, яке опубліковано в Science . Серед інших авторів статті – технічні співробітники Массачусетського технологічного інституту Сеонмі Чой та Ендрю Гаррахілл, колишній науковий співробітник Массачусетського технологічного інституту Джун Такато та дослідники Університету Дьюка Шенлі Чжао та Бао-Ся Хан.

Контроль вокалізації

Розташовані в гортані, голосові зв’язки являють собою дві м’язові смуги, які можуть відкриватися і закриватися. Коли вони здебільшого закриті або приведені, повітря, що видихається з легенів, утворює звук, проходячи через тяжі.

Команда Массачусетського технологічного інституту вирішила дослідити, як мозок контролює цей процес вокалізації, використовуючи модель миші. Миші спілкуються один з одним за допомогою звуків, відомих як ультразвукова вокалізація (УЗВ), які вони виробляють за допомогою унікального свистячого механізму видиху повітря через невеликий отвір між майже закритими голосовими зв’язками.

«Ми хотіли зрозуміти, які нейрони контролюють аддукцію голосових зв’язок, і як ці нейрони взаємодіють із дихальним контуром?» каже Ван.

Щоб з’ясувати це, дослідники використали техніку, яка дозволяє їм відобразити синаптичні зв’язки між нейронами. Вони знали, що аддукція голосових зв’язок контролюється моторними нейронами гортані, тому вони почали з відстеження назад, щоб знайти нейрони, які іннервують ці моторні нейрони.

Це виявило, що одним з основних джерел вхідних даних є група премоторних нейронів, розташованих у задньому мозку, яка називається ретроамбігуусним ядром (RAm). Попередні дослідження показали, що ця область бере участь у вокалізуванні, але невідомо, яка саме частина RAM була потрібна або як вона дозволяла виробляти звук.

Дослідники виявили, що ці мічені синаптичним трасуванням нейрони RAM були сильно активовані під час USV. Це спостереження спонукало команду використати залежний від активності метод для націлювання на ці специфічні для вокалізації нейрони RAm, які називаються RAm VOC. Вони використовували хемогенетику та оптогенетику, щоб дослідити, що станеться, якщо вони заглушать або стимулюють їхню активність.

Коли дослідники заблокували нейрони RAM VOC, миші більше не могли виробляти USV або будь-який інший вид вокалізації. Їхні голосові зв’язки не змикалися, а черевні м’язи не скорочувалися, як вони зазвичай роблять під час видиху для вокалізації.

І навпаки, коли нейрони RAm VOC були активовані, голосові зв’язки закривалися, миші видихали, і вироблялися USV. Однак, якби стимуляція тривала дві секунди або довше, ці USV були б перервані вдихами, що свідчить про те, що процес знаходиться під контролем тієї самої частини мозку, яка регулює дихання.

«Дихання — це потреба виживання», — каже Ван. «Хоч цих нейронів достатньо, щоб викликати вокалізацію, вони знаходяться під контролем дихання, яке може перекрити нашу оптогенетичну стимуляцію».

Генерація ритму

Додаткове синаптичне картування показало, що нейрони в частині стовбура мозку, що називається комплексом до Бьоцінгера, який діє як генератор ритму для вдиху, забезпечують прямий гальмівний вплив на нейрони RAm VOC.

«До-Бетцінгерів комплекс генерує ритми вдиху автоматично та безперервно, а гальмівні нейрони в цьому регіоні проєктують ці премоторні нейрони вокалізації та, по суті, можуть їх вимикати», — каже Ван.

Це гарантує, що дихання залишається домінуючим над продукуванням мови, і що ми змушені робити паузи, щоб дихати під час розмови.

Дослідники вважають, що попри те, що людське мовлення складніше, ніж вокалізація миші, схема, яку вони виявили у мишей, відіграє збережену роль у мовленні та диханні у людей.

«Навіть незважаючи на те, що точний механізм і складність вокалізації у мишей і людей дійсно відрізняються, фундаментальний процес вокалізації, який називається фонацією, який вимагає закриття голосових зв’язок і видихання повітря, спільний як для людини, так і для миші», — каже Пак. .

Тепер дослідники сподіваються вивчити, як на інші функції, такі як кашель і ковтання їжі, можуть впливати схеми мозку, які контролюють дихання та вокалізацію.