Почему мы можем говорить только на выдохе, но не можем на вдохе

Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили нейронной контур в головном мозге, который связывает процесс вокализации и дыхание. Этот контур специально «следит», чтобы мы говорили только тогда, когда выдыхаем, и прерывали речь, когда нам необходимо вдохнуть. Мозг таким образом «говорит», что дыхание — важнее, разговор может немного подождать.

Обычно мы не обращаем внимания, говорим ли мы на вдохе или на выдохе. Но оказывается, мозг отключает речь, чтобы мы могли нормально вдохнуть.

Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили нейронной контур в головном мозге, который связывает процесс вокализации и дыхание. Этот контур специально «следит», чтобы мы говорили только тогда, когда выдыхаем, и прерывали речь, когда вдыхаем.

Обнаруженный нейронный контур управляет двумя действиями, необходимыми для вокализации: сужением гортани и выдохом воздуха из легких. Исследователи показали, что контур вокализации находится под управлением области ствола мозга, которая регулирует ритм дыхания и обеспечивает доминирование дыхания над речью.

«Когда вам нужно вдохнуть, вы должны прекратить говорить. Мы обнаружили, что нейроны, которые контролируют вокализацию, получают прямой тормозной сигнал от генератора дыхательного ритма», — говорит соавтор работы Фан Ван, профессор МТИ.

Контроль вокализации

Нейроны и механизмы контура для произнесения звуков и координации вокализации и дыхания. RAmVOC представляет вокальные премоторные нейроны ниже от PAG. Они управляют закрытием голосовых связок и фонированием (ультразвуковые вокализации у мышей). Во время вдоха тормозные нейроны в генераторе ритма вдоха preBötC подавляют активность RAmVOC и вокальных мотонейронов для обеспечения дыхания. Блокирование ингибиторных входов в RAmVOC приводит к аномальной вокализации во время вдоха.

Голосовые связки расположены в гортани. Это две мышечных полоски, которые могут открываться (расходиться) и закрываться (сближаться). Когда они полузакрыты (приведены), воздух, выдыхаемый из легких, генерирует звук, вызывая колебания связок. Связки играют важнейшую роль в производстве речи или пении.

Команда Массачусетского технологического института исследовала на мышиной модели, как мозг контролирует процесс вокализации. Мыши общаются друг с другом с помощью звуков, известных как ультразвуковые вокализации (УЗВ). Они производят звук с помощью уникального свистящего механизма: при выдохе воздух проходит через очень узкое отверстие между почти закрытыми голосовыми связками.

«Мы хотели понять, какие нейроны контролируют сближение голосовых связок, и как эти нейроны взаимодействуют с дыхательным нейронным контуром», — говорит Ван.

Чтобы выяснить это, исследователи использовали технику, позволяющую составить карту синаптических связей между нейронами. Они знали, что приведение голосовых связок контролируется мотонейронами гортани и попробовали выяснить, откуда получают команду эти мотонейроны. И это удалось.

Одним из основных источников входной информации для мотонейронов гортани оказалась группа премоторных нейронов, обнаруженных в области заднего мозга, в так называемом позади-двойном ядре (RAm). Нейроны RAm, которые резко активируются во время ультразвуковой вокализации у мышей, были найдены методом синаптической трассировки. Этот метод позволяет проследить нейронный путь, который передает возбуждение нейроны-цели, в данном случае от Ram к мотонейронам гортани.

После того, как нейроны RAm, отвечающие за возбуждения мотонейронов гортани (область получила название RAmVOC) была выделена, ученые использовали хемогенетику и оптогенетику, чтобы выяснить, что произойдет, если они заставят замолчать или наоборот будут стимулировать активность нейронов RAmVOC.

Когда исследователи заблокировали нейроны RAмVOC, мыши больше не могли производить вокализацию. Их голосовые связки не смыкались, а мышцы живота не сокращались, как это обычно происходит во время выдоха для вокализации. И наоборот, когда нейроны RAmVOC активировались, голосовые связки смыкались, мыши выдыхали и возникала вокализация. Однако если стимуляция длилась две секунды или дольше, вокализация обязательно прерывалась вдохом.

«Дыхание — это жизненно важная потребность организма», — говорит Ван. — «Хотя нейронов RAmVOC достаточно, чтобы вызвать вокализацию, они сами находятся под контролем нейронов, управляющих дыханием, и поэтому они игнорируют оптогенетическую стимуляцию».

Генерация ритма дыхания

Дополнительное синаптическое картирование показало, что нейроны в части ствола мозга — так называемый пре-комплекс Бетцингера, который действует как генератор ритма при вдохе, — обеспечивают прямой тормозной сигнал для нейронов RAmVOC, они останавливают мотонейроны гортани, а уже эти нейроны блокируют вокализацию. То есть главным в этой нейронной цепи является — дыхание. Это гарантирует, что дыхание будет доминировать над речью, и нам всегда придется делать паузу во время разговора, чтобы вдохнуть.

Хотя производство речи у человека более сложное, чем вокализация у мышей, нейронный контур, который ученые выявили у моделей, играет важнейшую роль и в производстве речи и в дыхании у людей.

«Несмотря на то, что механизмы вокализации у мышей и людей различаются, фундаментальный процесс вокализации (так называемая фонация), который требует смыкания голосовых связок и выдоха воздуха, — общий и у человека, и у мыши», — говорит соавтор работы Джехонг Пак.

Кашель, глотание и смех

Теперь исследователи надеются изучить, как нейронный контур, контролирующий дыхание и вокализацию, влияет на другие функции, такие как кашель и глотание.

Еще более интересным феноменом с точки зрения нового исследования является смех. Как показала работа команды Университета Лейдена, человеческие младенцы до 12-18 месяцев и шимпанзе смеются, как на выдохе, так и на вдохе. И если шимпанзе сохраняют способность смеяться на вдохе всю жизнь, люди за редкими исключениями эту способность утрачивают. Нейронные механизмы смеха пока не исследованы, а ведь это важная форма вокализации.