Istraživači sa MIT-a otkrili su moždano kolo koje pokreće vokalizaciju i osigurava da pričate samo kada izdišete i prestanete da pričate kada udišete.
Novootkriveno kolo kontroliše dve radnje koje su potrebne za vokalizaciju: suženje larinksa i izdisanje vazduha iz pluća. Istraživači su takođe otkrili da je ovaj krug vokalizacije pod komandom regiona moždanog stabla koji reguliše ritam disanja, što osigurava da disanje ostaje dominantno nad govorom.
„Kada treba da udišete, morate da zaustavite vokalizaciju. Otkrili smo da neuroni koji kontrolišu vokalizaciju dobijaju direktan inhibitorni ulaz od generatora ritma disanja“, kaže Fan Vang, profesor mozga i kognitivnih nauka na MIT-u, član MIT-a. McGovern institut za istraživanje mozga i viši autor studije.
Jaehong Park, diplomirani student Univerziteta Duke koji je trenutno gostujući student na MIT-u, glavni je autor studije, koja se pojavljuje u Science. Drugi autori rada su tehnički saradnici MIT-a Seonmi Choi i Andrev Harrahill, bivši naučnik MIT-a Jun Takatoh i istraživači sa Univerziteta Duke Shengli Zhao i Bao-Ksia Han.
Smeštene u larinksu, glasne žice su dve mišićne trake koje se mogu otvarati i zatvarati. Kada su uglavnom zatvoreni ili adukovani, vazduh koji se izdahne iz pluća stvara zvuk dok prolazi kroz kablove.
Tim MIT-a je krenuo da proučava kako mozak kontroliše ovaj proces vokalizacije, koristeći model miša. Miševi međusobno komuniciraju pomoću zvukova poznatih kao ultrazvučne vokalizacije (USV), koje proizvode pomoću jedinstvenog mehanizma zvižduka izdisanja vazduha kroz malu rupu između skoro zatvorenih glasnih žica.
„Želeli smo da razumemo koji su to neuroni koji kontrolišu adukciju glasnih žica, a zatim kako ti neuroni reaguju sa krugom disanja?“ Vang kaže.
Da bi to shvatili, istraživači su koristili tehniku koja im omogućava da mapiraju sinaptičke veze između neurona. Znali su da adukciju glasnih žica kontrolišu motorni neuroni larinksa, pa su počeli praćenjem unazad kako bi pronašli neurone koji inerviraju te motorne neurone.
Ovo je otkrilo da je jedan od glavnih izvora inputa grupa premotornih neurona koji se nalaze u regionu zadnjeg mozga koji se zove retroambiguus jezgro (RAm). Prethodne studije su pokazale da je ovo područje uključeno u vokalizaciju, ali se nije tačno znalo koji deo RAM-a je potreban niti kako je omogućio proizvodnju zvuka.
Istraživači su otkrili da su ovi RAM neuroni označeni sinaptičkim praćenjem snažno aktivirani tokom USV-a. Ovo zapažanje je podstaklo tim da koristi metod zavisan od aktivnosti za ciljanje ovih RAm neurona specifičnih za vokalizaciju, nazvanih RAm VOC. Koristili su hemogenetiku i optogenetiku da bi istražili šta bi se desilo ako bi ućutkali ili stimulisali njihovu aktivnost.
Kada su istraživači blokirali RAM VOC neurone, miševi više nisu bili u stanju da proizvode USV ili bilo koju drugu vrstu vokalizacije. Glasne žice im se nisu zatvorile, a trbušni mišići se nisu skupljali, kao što to inače čine tokom izdisaja radi vokalizacije.
Nasuprot tome, kada su se RAM VOC neuroni aktivirali, glasne žice su se zatvorile, miševi su izdahnuli i nastali su USV-ovi. Međutim, ako bi stimulacija trajala dve sekunde ili duže, ovi USV bi bili prekinuti udisajima, što sugeriše da je proces pod kontrolom istog dela mozga koji reguliše disanje.
„Disanje je potreba za preživljavanjem“, kaže Vang. „Iako su ovi neuroni dovoljni da izazovu vokalizaciju, oni su pod kontrolom disanja, što može nadjačati našu optogenetsku stimulaciju.“
Dodatno sinaptičko mapiranje otkrilo je da neuroni u delu moždanog stabla zvanom pre-Botzingerov kompleks, koji deluje kao generator ritma za inhalaciju, obezbeđuju direktan inhibitorni ulaz u RAM VOC neurone.
„Pre-Botzingerov kompleks generiše ritmove inhalacije automatski i kontinuirano, a inhibitorni neuroni u tom regionu projektuju ove vokalizacione premotorne neurone i u suštini ih mogu isključiti“, kaže Vang.
Ovo osigurava da disanje ostaje dominantno nad produkcijom govora i da moramo da zastanemo da bismo disali dok govorimo.
Istraživači veruju da iako je proizvodnja ljudskog govora složenija od vokalizacije miša, kolo koje su identifikovali kod miševa igra očuvanu ulogu u proizvodnji govora i disanju kod ljudi.
„Iako je tačan mehanizam i složenost vokalizacije kod miševa i ljudi zaista drugačiji, osnovni proces vokalizacije, nazvan fonacija, koji zahteva zatvaranje glasnih žica i izdisanje vazduha, deli se i na čoveka i kod miša“, kaže Park.
Istraživači se sada nadaju da će proučiti kako na druge funkcije, poput kašljanja i gutanja hrane, mogu uticati moždani krugovi koji kontrolišu disanje i vokalizaciju.
