Science：新研究揭示脑干控制说话和呼吸的机制

在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院的研究人员发现了一种驱动发声的大脑回路，它能确保你只在呼气时说话，吸气时停止说话。这种新发现的回路控制着发声所需的两个动作：缩小喉部和从肺部呼出空气。他们还发现这种发声回路受一个调节呼吸节奏的脑干区域的指挥，从而确保呼吸仍然主导说话。相关研究结果发表在2024年3月8日的Science期刊上，论文标题为“Brainstem control of vocalization and its coordination with respiration”。

论文共同通讯作者、麻省理工学院大脑与认知科学教授Fan Wang说，“当你需要吸气时，就必须停止发声。我们发现，控制发声的神经元会直接接收来自呼吸节奏发生器（breathing rhythm generator）的抑制性输入。”

发声控制

声带（vocal cords）位于喉部，是两条可以张开和闭合的肌肉带。当声带大部分闭合或内收时，从肺部呼出的空气通过声带时会产生声音。

这些作者着重利用小鼠模型研究大脑如何控制这一发声过程。小鼠使用称为超声波发声（ultrasonic vocalizations, USV）的声音相互交流，它们使用独特的口哨机制，通过几乎闭合的声带之间的一个小孔呼出空气。Wang说，“我们想了解控制声带内收的神经元是什么，这些神经元又是如何与呼吸回路相互作用的？”

为了弄清这个问题，这些作者使用了一种可以绘制神经元之间突触连接图的技术。他们知道声带内收是由喉运动神经元控制的，因此他们首先向后追踪，找到支配这些运动神经元的神经元。他们发现，一个主要的输入源是位于一个称为疑核后核（retroambiguus nucleus, RAm）的后脑区域的一组前运动神经元（premotor neuron）。之前的研究表明，这一区域参与了发声，但人们并不知道究竟RAm的哪一部分是所必需的，也不知道它是如何实现发声的。

这些作者发现，这些突触追踪标记的 RAm 神经元在 USV 期间被强烈激活。这一观察结果促使他们使用一种依赖于活动的方法来靶向这些发声特异性 RAm 神经元，即RAmVOC。他们利用化学遗传学和光遗传学来探索如果抑制或刺激它们的活动会发生什么。

负责发声和发声-呼吸协调的神经元和回路机制

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adi8081

当他们阻断RAmVOC神经元时，小鼠不再能发出 USV 或任何其他类型的声音。它们的声带没有闭合，腹部肌肉也没有收缩，而在呼气发声时它们通常会这样做。相反，当RAmVOC神经元被激活时，小鼠的声带闭合，呼气，并发出 USV。然而，如果刺激持续两秒钟或更长时间，这些USV就会因吸气而被中断，这表明这一过程是在大脑调节呼吸的同一部位控制下进行的。

Wang 说，“呼吸是一种生存需要。尽管这些神经元足以引起发声，但它们是在呼吸的控制之下，这可以超越我们的光遗传刺激。”

节奏的产生

额外的突触图谱显示，脑干中称为前包钦格复合体（pre-Bötzinger complex）的神经元为RAmVOC神经元提供了直接的抑制性输入。

Wang 说，“前包钦格复合体会自动、持续地产生吸气节奏，而该区域的抑制性神经元会投射到这些发声前运动神经元，基本上可以关闭它们。”这就确保了呼吸仍然主导语言的产生，而且在说话时必须暂停呼吸。

这些作者认为，虽然人类的语言产生比小鼠的发声更为复杂，但他们在小鼠身上发现的回路在人类的语言产生和呼吸中发挥着保守的作用。

论文第一作者Jaehong Park说，“尽管小鼠和人类发声的确切机制和复杂程度确实不同，但人类和小鼠的基本发声过程（即发音，需要声带闭合和呼气）是相同的。”

这些作者如今希望研究控制呼吸和发声的大脑回路会如何影响咳嗽、吞咽食物等其他功能。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Jaehong Park et al. Brainstem control of vocalization and its coordination with respiration. Science, 2024, doi:10.1126/science.adi8081.

How the brain coordinates speaking and breathing
https://medicalxpress.com/news/2024-03-brain.html