大脑如何协调说话和呼吸

麻省理工学院的研究人员发现了一种大脑回路，可以驱动发声，并确保你只在呼气时说话，在吸气时停止说话。

新发现的电路控制发声所需的两个动作：喉部变窄和从肺部呼出空气。研究人员还发现，这种发声回路是在调节呼吸节律的脑干区域的指挥下进行的，这确保了呼吸仍然比言语占主导地位。

“当你需要吸气时，你必须停止发声。我们发现控制发声的神经元接收来自呼吸节律发生器的直接抑制输入，“麻省理工学院脑与认知科学教授，麻省理工学院麦戈文脑研究所成员，该研究的资深作者Fan Wang说。

杜克大学研究生Jaehong Park目前是麻省理工学院的访问学生，是该研究的主要作者，该研究今天发表在 《科学》杂志上。该论文的其他作者包括麻省理工学院的技术助理Seonmi Choi和Andrew Harrahill，前麻省理工学院研究科学家Jun Takatoh，以及杜克大学的研究人员Shengli Zhao和Bao-Xia Han。

发声控制

声带位于喉部，是两条可以打开和关闭的肌肉带。当它们大多闭合或内收时，从肺部呼出的空气在通过脐带时会产生声音。

麻省理工学院的研究小组开始研究大脑如何使用小鼠模型控制这种发声过程。小鼠使用称为超声波发声（USV）的声音相互交流，它们使用独特的口哨机制产生这种声音，即通过几乎闭合的声带之间的小孔呼出空气。

“我们想了解控制声带内收的神经元是什么，然后这些神经元如何与呼吸回路相互作用？”“王说。

为了弄清楚这一点，研究人员使用了一种技术，使他们能够绘制神经元之间的突触连接。他们知道声带内收是由喉运动神经元控制的，所以他们开始向后追溯，找到支配这些运动神经元的神经元。

这表明，一个主要的输入来源是在后脑区域发现的一组前运动神经元，称为模糊后核（RAm）。先前的研究表明，该区域与发声有关，但尚不清楚需要RAm的哪个部分，或者它如何实现声音产生。

研究人员发现，这些突触示踪标记的RAm神经元在USV期间被强烈激活。这一观察结果促使研究小组使用一种活动依赖性方法来靶向这些发声特异性RAm神经元，称为RAm^VOC。他们使用化学遗传学和光遗传学来探索如果他们沉默或刺激他们的活动会发生什么。当研究人员阻断RAm^VOC 神经元时，小鼠不再能够产生USV或任何其他类型的发声。他们的声带没有闭合，腹部肌肉也没有收缩，就像他们通常在呼气发声时所做的那样。

相反，当RAm^VOC 神经元被激活时，声带闭合，小鼠呼气，USV产生。然而，如果刺激持续两秒钟或更长时间，这些USV就会被吸入打断，这表明该过程受到大脑中调节呼吸的同一部分的控制。

“呼吸是一种生存需求，”王说。“尽管这些神经元足以引起发声，但它们仍处于呼吸的控制之下，这可以覆盖我们的光遗传学刺激。

节奏生成

额外的突触图谱显示，脑干中称为前Bötzinger复合物的神经元，其作为吸入的节律发生器，为RAm^VOC 神经元提供直接抑制输入。

“前Bötzinger复合体自动和连续地产生吸气节律，该区域的抑制性神经元投射到这些发声前运动神经元，基本上可以关闭它们，”Wang说。

这确保了呼吸在言语产生中仍然占主导地位，并且我们必须在说话时停下来呼吸。

研究人员认为，尽管人类的语音产生比小鼠发声更复杂，但他们在小鼠中发现的电路在人类的语音产生和呼吸中起着保守的作用。

“尽管小鼠和人类发声的确切机制和复杂性确实不同，但基本的发声过程，称为发声，需要声带闭合和呼出空气，在人类和小鼠中都是共享的，”Park说。

研究人员现在希望研究其他功能，如咳嗽和吞咽食物，如何受到控制呼吸和发声的大脑回路的影响。

该研究由美国国立卫生研究院资助。