Ερευνητές του MIT ανακάλυψαν ένα εγκεφαλικό κύκλωμα που οδηγεί τη φωνή και διασφαλίζει ότι μιλάτε μόνο όταν εκπνέετε και σταματάτε να μιλάτε όταν εισπνέετε. Το κύκλωμα που ανακαλύφθηκε πρόσφατα ελέγχει δύο ενέργειες που απαιτούνται για τη φωνή: στένωση του λάρυγγα και εκπνοή αέρα από τους πνεύμονες. Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι αυτό το κύκλωμα φωνητικής είναι υπό την εντολή μιας περιοχής του εγκεφαλικού στελέχους που ρυθμίζει τον ρυθμό αναπνοής, γεγονός που διασφαλίζει ότι η αναπνοή παραμένει κυρίαρχη έναντι της ομιλίας.
“Όταν χρειάζεται να εισπνεύσετε, πρέπει να σταματήσετε τη φωνή. Βρήκαμε ότι οι νευρώνες που ελέγχουν τη φωνητική λήψη λαμβάνουν άμεση ανασταλτική είσοδο από τη γεννήτρια αναπνευστικού ρυθμού”, λέει ο Fan Wang, καθηγητής εγκεφάλου και γνωστικών επιστημών του MIT, μέλος του MIT. McGovern Institute for Brain Research, και ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης. Ο Jaehong Park είναι ο κύριος συγγραφέας της μελέτης, η οποία εμφανίζεται στο Science. Άλλοι συγγραφείς της εργασίας περιλαμβάνουν τους τεχνικούς συνεργάτες του MIT Seonmi Choi και Andrew Harrahill, τον πρώην ερευνητή του MIT Jun Takatoh και τους ερευνητές του Πανεπιστημίου Duke, Shengli Zhao και Bao-Xia Han.
Έλεγχος φωνής
Οι φωνητικές χορδές που βρίσκονται στον λάρυγγα είναι δύο μυϊκές ζώνες που μπορούν να ανοιγοκλείνουν. Όταν είναι κυρίως κλειστοί ή προσαγωγοί, ο αέρας που εκπνέεται από τους πνεύμονες παράγει ήχο καθώς περνά μέσα από τα κορδόνια. Η ομάδα του MIT ξεκίνησε να μελετήσει πώς ο εγκέφαλος ελέγχει αυτή τη διαδικασία φωνητικής φωνής, χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο ποντικιού. Τα ποντίκια επικοινωνούν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας ήχους γνωστούς ως υπερηχητικές φωνές (USVs), τους οποίους παράγουν χρησιμοποιώντας τον μοναδικό μηχανισμό σφυρίσματος της εκπνοής αέρα μέσα από μια μικρή τρύπα μεταξύ σχεδόν κλειστών φωνητικών χορδών.
«Θέλαμε να καταλάβουμε ποιοι είναι οι νευρώνες που ελέγχουν την προσαγωγή των φωνητικών χορδών και στη συνέχεια πώς αυτοί οι νευρώνες αλληλεπιδρούν με το αναπνευστικό κύκλωμα;» λέει ο Wang. Για να το καταλάβουν αυτό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική που τους επιτρέπει να χαρτογραφήσουν τις συναπτικές συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων. Γνώριζαν ότι η προσαγωγή των φωνητικών χορδών ελέγχεται από τους κινητικούς νευρώνες του λάρυγγα, έτσι άρχισαν να ιχνηλατούν προς τα πίσω για να βρουν τους νευρώνες που νευρώνουν αυτούς τους κινητικούς νευρώνες.
Αυτό αποκάλυψε ότι μια κύρια πηγή εισόδου είναι μια ομάδα προκινητικών νευρώνων που βρίσκονται στην περιοχή του οπίσθιου εγκεφάλου που ονομάζεται οπισθοαμφιγκαίος πυρήνας (RAm). Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι αυτή η περιοχή εμπλέκεται στη φωνητική, αλλά δεν ήταν γνωστό ακριβώς ποιο μέρος της μνήμης RAM χρειαζόταν ή πώς επέτρεπε την παραγωγή ήχου.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτοί οι νευρώνες RAm με σήμανση συναπτικής ιχνηλάτησης ενεργοποιήθηκαν έντονα κατά τη διάρκεια των USVs. Αυτή η παρατήρηση ώθησε την ομάδα να χρησιμοποιήσει μια μέθοδο εξαρτώμενη από τη δραστηριότητα για να στοχεύσει αυτούς τους νευρώνες RAm ειδικούς για τη φωνή, που ονομάζονται RAmVOC. Χρησιμοποίησαν τη χημειογενετική και την οπτογενετική για να διερευνήσουν τι θα συνέβαινε αν φίμωναν ή διεγείρουν τη δραστηριότητά τους. Όταν οι ερευνητές απέκλεισαν τους νευρώνες RAmVOC, τα ποντίκια δεν ήταν πλέον σε θέση να παράγουν USV ή οποιοδήποτε άλλο είδος φωνητικής φωνής. Οι φωνητικές τους χορδές δεν έκλειναν και οι κοιλιακοί μύες τους δεν συσπούνταν, όπως κάνουν συνήθως κατά την εκπνοή για φωνητική.
Αντίθετα, όταν ενεργοποιήθηκαν οι νευρώνες RAmVOC, οι φωνητικές χορδές έκλεισαν, τα ποντίκια εξέπνευσαν και παρήχθησαν USV. Ωστόσο, εάν η διέγερση διαρκούσε δύο δευτερόλεπτα ή περισσότερο, αυτά τα USV θα διακόπτονταν με εισπνοές, υποδηλώνοντας ότι η διαδικασία είναι υπό τον έλεγχο του ίδιου τμήματος του εγκεφάλου που ρυθμίζει την αναπνοή. «Η αναπνοή είναι μια ανάγκη επιβίωσης», λέει ο Wang. «Αν και αυτοί οι νευρώνες επαρκούν για να προκαλέσουν φωνητική φωνή, βρίσκονται υπό τον έλεγχο της αναπνοής, η οποία μπορεί να υπερισχύσει της οπτογενετικής μας διέγερσης».