科学家揭示脑干存在一类协调发声和呼吸的神经元群
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作者:康森特生物科技
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发布时间: 2024-03-13
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呼吸和发声都发生在气道内,喉部闭合发声需要精准调控,并需要与呼吸相协调。发声是控制说话的关键过程,主要发生在呼气时:喉部变窄(声带内收),同时呼出空气。然而吸气可抑制发声,在吸气时不能说话。已有研究表明后脑区域含有能激活喉内收肌运动神经元的前运动神经元。中脑导水管周围灰质(PAG)、疑核后核(RAm)是大脑调控发声行为的核团。
2024年3月8日麻省理工学院Fan Wang团队在Science杂志上发表文章揭示了脑干RAm存在一类协调发声和呼吸的神经元群。
在小鼠喉部肌肉注射逆行示踪病毒,在脑干Kölliker-Fuse(KF)核、旁巨细胞网状核、中间网状核(IRt)、preBötC、孤束核(NTS)、Ram等核团发现逆行投射纤维。雄性小鼠在与雌性小鼠接触后迅速进行超声波发声,免疫荧光实验发现在发声行为过程中Ram核团神经元激活最为显著。进一步通过CANE技术标记发声行为激活的Ram核团神经元(Ram-voc),该类神经元群并不表达胆碱乙酰转移酶(一种运动神经元的标志物),广泛表达囊泡谷氨酸转运体Vglut2,表明Ram核团输入到喉部肌肉主要是兴奋性神经元。
在不影响正常呼吸的情况下,通过病毒抑制RAm-VOC神经元突触的输入后雄性小鼠在遇见雌性小鼠后并不能发声。在夹尾和足底电击小鼠后均能引起吱吱的声音,在抑制RAm-VOC神经元活性后可阻断上述负性刺激的发声行为。通过病毒抑制PAG投射到RAm神经元后也可阻断小鼠的发声行为。
除了主动呼气外,发声主要依赖于声带内收。与吸气和呼气相一致,声带自然地有节奏地扩大和缩小。研究人员通过光激活RAm-VOC神经元群可迅速关闭声带,并引起喉部内收。尽管和自然状态下超声波的声学特征存在差异,但光激活RAm-VOC神经元群可人为诱发小鼠的发声行为。
已有研究表明发声行为和呼吸密切相关。研究人员进一步通过不同时间(50, 100,和200 ms)光激活RAm-VOC神经元群发现更长时间的刺激可引起更久的呼气,持续2秒的刺激可产生多个超声波音节同时伴随相应的呼气变化,这种伴随变化可被生理性吸气所打断,表明RAm-VOC神经元可调控发声和呼气的协同反应。
图2、RAm-VOC神经元调控发声和呼吸的协同反应
RAm-VOC神经元是否介导吸气引起的周期性的抑制发声?逆行病毒示踪结果显示臂旁核、PAG、KF等脑区是RAm-VOC神经元主要兴奋性输入,呼吸中枢preBötC是主要的抑制性输入。研究人员认为可能PAG—RAm-VOC兴奋性输入诱导声带内收,而这种诱导作用可被preBötC-RAm-VOC抑制性输入进行节律性抑制调控。通过病毒策略特异性去抑制RAm-VOC兴奋性神经元后吸气引起的发声中断行为严重受损,即表明RAm-VOC抑制性输入调控吸气引起的抑制发声行为。
图3:RAm-VOC神经元抑制性输入调控吸气抑制发声
本文揭示了调控发声和呼吸相互作用的神经元群:RAm-VOC兴奋性输入诱导声带内收,促进发声行为,同时伴随呼气;RAm-VOC抑制性输入调控吸气抑制发声。
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