چگونه مغز صحبت کردن و تنفس را هماهنگ می کند

محققان MIT مدار مغزی را کشف کرده‌اند که صدا را به حرکت در می‌آورد و تضمین می‌کند که شما فقط زمانی که نفس خود را بیرون می‌دهید، صحبت می‌کنید و وقتی نفس می‌کشید، صحبت نمی‌کنید.

مدار تازه کشف شده دو عمل لازم را برای صداگذاری کنترل می کند: تنگ کردن حنجره و بازدم هوا از ریه ها. محققان همچنین دریافتند که این مدار آواسازی تحت فرمان یک ناحیه ساقه مغز است که ریتم تنفس را تنظیم می‌کند و این امر تضمین می‌کند که تنفس بر گفتار غالب بماند.

فن وانگ، استاد مغز و علوم شناختی MIT، یکی از اعضای MIT می گوید: “زمانی که نیاز به تنفس دارید، باید صداگذاری را متوقف کنید. ما دریافتیم که نورون هایی که صداگذاری را کنترل می کنند، ورودی بازدارنده مستقیمی از مولد ریتم تنفس دریافت می کنند.” موسسه تحقیقات مغز مک گاورن و نویسنده ارشد این مطالعه.

جاهونگ پارک، دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه دوک که در حال حاضر دانشجوی مهمان در MIT است، نویسنده اصلی این مطالعه است که در علوم پایه. سایر نویسندگان مقاله عبارتند از همکاران فنی MIT Seonmi Choi و Andrew Harrahill، دانشمند سابق MIT Jun Takatoh و محققان دانشگاه Duke Shengli Zhao و Bao-Xia Han.

کنترل صدا

تارهای صوتی که در حنجره قرار دارند، دو نوار عضلانی هستند که می توانند باز و بسته شوند. هنگامی که آنها عمدتا بسته هستند، یا ادداکشن هستند، هوای بازدمی از ریه ها هنگام عبور از طناب ها صدا تولید می کند.

تیم MIT با استفاده از یک مدل موش شروع به بررسی نحوه کنترل این فرآیند صداسازی توسط مغز کرد. موش ها با استفاده از صداهایی به نام صداهای فراصوتی (USV) با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند که با استفاده از مکانیسم سوت بی نظیر بازدم هوا از طریق یک سوراخ کوچک بین تارهای صوتی تقریباً بسته تولید می کنند.

ما می‌خواستیم بفهمیم نورون‌هایی که ادداکشن تارهای صوتی را کنترل می‌کنند، چیست و سپس چگونه آن نورون‌ها با مدار تنفس تعامل می‌کنند؟ وانگ می گوید.

برای پی بردن به این موضوع، محققان از تکنیکی استفاده کردند که به آنها اجازه می دهد تا ارتباطات سیناپسی بین نورون ها را نقشه برداری کنند. آن‌ها می‌دانستند که اداکشن تارهای صوتی توسط نورون‌های حرکتی حنجره کنترل می‌شود، بنابراین با ردیابی به عقب برای یافتن نورون‌هایی که این نورون‌های حرکتی را عصب می‌کنند، شروع کردند.

این نشان داد که یکی از منابع اصلی ورودی، گروهی از نورون‌های پیش حرکتی هستند که در ناحیه مغز عقبی به نام هسته رتروامبیگوس (RAm) یافت می‌شوند. مطالعات قبلی نشان داده‌اند که این ناحیه در صداسازی نقش دارد، اما دقیقاً مشخص نبود که کدام قسمت از رم مورد نیاز است یا چگونه تولید صدا را فعال می‌کند.

محققان دریافتند که این نورون‌های RAM با ردیابی سیناپسی به شدت در طول USVs فعال می‌شوند. این مشاهدات تیم را بر آن داشت تا از یک روش وابسته به فعالیت برای هدف قرار دادن این نورون‌های RAم مخصوص صداگذاری استفاده کنند که RAm نامیده می‌شود.^VOC. آنها از شیمی ژنتیک و اپتوژنتیک استفاده کردند تا بررسی کنند که اگر فعالیت آنها را خاموش یا تحریک کنند چه اتفاقی می افتد.

زمانی که محققان رم را مسدود کردند^VOC نورون‌ها، موش‌ها دیگر قادر به تولید USV یا هر نوع صدای دیگری نبودند. تارهای صوتی آنها بسته نمی شد و عضلات شکم آنها منقبض نمی شدند، همانطور که معمولا در هنگام بازدم برای صداگذاری انجام می دهند.

برعکس، زمانی که رم^VOC نورون‌ها فعال شدند، تارهای صوتی بسته شدند، موش‌ها بازدم کردند و USV تولید شد. با این حال، اگر تحریک دو ثانیه یا بیشتر طول بکشد، این USV ها با استنشاق قطع می شوند، که نشان می دهد این فرآیند تحت کنترل همان بخشی از مغز است که تنفس را تنظیم می کند.

وانگ می گوید: «تنفس یک نیاز زنده ماندن است. اگرچه این نورون‌ها برای ایجاد صدا کافی هستند، اما تحت کنترل تنفس هستند که می‌تواند بر تحریک اپتوژنتیک ما غلبه کند.

تولید ریتم

نقشه‌برداری سیناپسی اضافی نشان داد که نورون‌ها در بخشی از ساقه مغز به نام کمپلکس پیش‌بوتزینگر، که به‌عنوان یک تولیدکننده ریتم برای استنشاق عمل می‌کند، ورودی بازدارنده مستقیمی را به RAm ارائه می‌کنند.^VOC نورون ها

وانگ می‌گوید: «کمپلکس پیش از بوتزینگر ریتم‌های استنشاقی را به‌طور خودکار و پیوسته تولید می‌کند، و نورون‌های بازدارنده در آن ناحیه به این نورون‌های پیش حرکتی صداگذاری می‌شوند و اساساً می‌توانند آنها را خاموش کنند».

این تضمین می‌کند که تنفس بر تولید گفتار غالب باقی می‌ماند، و در حین صحبت کردن باید برای نفس کشیدن مکث کنیم.

محققان بر این باورند که اگرچه تولید گفتار انسان پیچیده‌تر از صدای موش است، مداری که آنها در موش‌ها شناسایی کردند، نقش حفظ شده در تولید گفتار و تنفس در انسان را بازی می‌کند.

پارک می‌گوید: «اگرچه مکانیسم دقیق و پیچیدگی صداگذاری در موش‌ها و انسان‌ها واقعاً متفاوت است، فرآیند اصلی صداگذاری، به نام فوناسیون، که نیاز به بسته شدن تارهای صوتی و بازدم هوا دارد، هم در انسان و هم در موش مشترک است.» .

اکنون محققان امیدوارند تا بررسی کنند که چگونه عملکردهای دیگری مانند سرفه و بلع غذا ممکن است تحت تأثیر مدارهای مغزی که تنفس و صدا را کنترل می کنند، تحت تأثیر قرار گیرند.

این داستان با حسن نیت از MIT News (web.mit.edu/newsoffice/)، یک سایت محبوب که اخبار مربوط به تحقیقات، نوآوری و آموزش MIT را پوشش می دهد، بازنشر شده است.