Sirkuit otak menyeimbangkan ucapan dan pernapasan

Ringkasan: Para ilmuwan telah mengidentifikasi sirkuit otak yang menyelaraskan vokalisasi dengan pernapasan dan memastikan bahwa ucapan sebagian besar terjadi selama pernafasan. Sirkuit ini, yang mengatur penyempitan laring dan tindakan pernafasan, berada di bawah pengaruh area batang otak yang bertanggung jawab atas ritme pernapasan.

Dengan mempelajari tikus, tim menemukan bahwa sirkuit vokalisasi ini menerima sinyal penghambatan dari kompleks pra-Bötzinger selama inhalasi, yang menghambat kemampuan bicara. Penemuan inovatif ini tidak hanya menyoroti bagaimana koordinasi bicara dan pernapasan dikontrol secara neurologis, namun juga menunjukkan mekanisme mendasar yang dimiliki semua spesies, termasuk manusia, yang menggarisbawahi keunggulan pernapasan dibandingkan vokalisasi.

Fakta-fakta kunci:

Penemuan sirkuit vokal: Studi tersebut mengungkap sirkuit otak spesifik yang mengontrol vokalisasi dengan mengontrol pergerakan laring dan pernafasan, terkait erat dengan pengatur ritme pernapasan batang otak.Kontrol penghambatan selama inhalasi: Kompleks pra-Bötzinger di batang otak mengirimkan sinyal penghambatan langsung ke sirkuit vokalisasi selama inspirasi, memastikan bahwa ucapan tidak mengganggu fungsi dasar pernapasan.Mekanisme potensial lintas spesies: Meskipun penelitian ini dilakukan pada tikus, mekanisme koordinasi bicara dan pernapasan yang teridentifikasi kemungkinan besar memainkan peran serupa pada manusia, yang menunjukkan adanya proses biologis yang sama pada mamalia.

Sumber: DENGAN

Peneliti MIT telah menemukan sirkuit otak yang mengontrol vokalisasi, memastikan bahwa Anda hanya berbicara saat Anda mengeluarkan napas dan berhenti berbicara saat Anda menarik napas.

Sirkuit yang baru ditemukan ini mengontrol dua tindakan yang diperlukan untuk vokalisasi: penyempitan laring dan pernafasan udara dari paru-paru. Para peneliti juga menemukan bahwa sirkuit vokalisasi ini dikendalikan oleh area batang otak yang mengatur ritme pernapasan, memastikan pernapasan tetap dominan dibandingkan ucapan.

Hal ini memastikan bahwa pernapasan tetap dominan terhadap produksi ucapan dan kita harus menarik napas saat berbicara. Kredit: Berita Neurosains

“Saat Anda perlu bernapas, Anda harus berhenti bersuara.” “Kami menemukan bahwa neuron yang mengontrol vokalisasi menerima masukan penghambatan langsung dari generator ritme pernapasan,” kata Fan Wang, profesor ilmu otak dan kognitif di MIT, anggota McGovern Institute for Brain Research di MIT, dan penulis utama buku tersebut. pembelajaran.

Jaehong Park, seorang mahasiswa pascasarjana di Duke University yang saat ini menjadi mahasiswa tamu di MIT, adalah penulis utama studi tersebut, yang diterbitkan hari ini di Sains. Penulis lain dari makalah ini termasuk rekan teknis MIT Seonmi Choi dan Andrew Harrahill, mantan peneliti MIT Jun Takatoh, dan peneliti Duke University Shengli Zhao dan Bao-Xia Han.

Kontrol vokalisasi

Terletak di laring, pita suara merupakan dua pita otot yang dapat membuka dan menutup. Ketika sebagian besarnya tertutup atau adduksi, udara yang dihembuskan dari paru-paru menghasilkan suara saat melewati tali pusat.

Tim MIT memutuskan untuk menyelidiki bagaimana otak mengontrol proses vokalisasi ini menggunakan model tikus. Tikus berkomunikasi satu sama lain menggunakan suara yang dikenal sebagai vokalisasi ultrasonik (USVs), yang mereka hasilkan menggunakan mekanisme siulan unik dengan menghembuskan udara melalui lubang kecil di antara pita suara yang hampir tertutup.

“Kami ingin memahami neuron apa yang mengontrol adduksi pita suara, lalu bagaimana neuron ini berinteraksi dengan sirkuit pernapasan?” kata Wang.

Untuk mengetahuinya, para peneliti menggunakan teknik yang memungkinkan mereka memetakan koneksi sinaptik antar neuron. Mereka mengetahui bahwa adduksi pita suara dikendalikan oleh neuron motorik laring, sehingga mereka mulai menelusuri kembali untuk menemukan neuron yang mempersarafi neuron motorik tersebut.

Hal ini mengungkapkan bahwa salah satu sumber masukan utama adalah sekelompok neuron premotor yang ditemukan di wilayah otak belakang yang disebut nukleus retroambiguus (RAm). Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa area ini terlibat dalam vokalisasi, namun tidak diketahui secara pasti bagian mana dari RAM yang diperlukan atau bagaimana hal tersebut memungkinkan produksi suara.

Para peneliti menemukan bahwa pelacak sinaptik berlabel neuron RAm diaktifkan dengan kuat selama USV. Pengamatan ini mendorong tim untuk menggunakan metode yang bergantung pada aktivitas untuk menargetkan neuron RAm khusus vokalisasi ini, yang disebut RAmVOCs. Mereka menggunakan kemogenetika dan optogenetika untuk menyelidiki apa yang akan terjadi jika mereka membungkam atau merangsang aktivitas mereka.

Ketika para peneliti memblokir neuron RAmVOC, tikus tidak lagi mampu menghasilkan USV atau jenis vokalisasi lainnya. Pita suara mereka tidak menutup dan otot perut mereka tidak berkontraksi seperti biasanya saat mengembuskan napas untuk vokalisasi.

Sebaliknya, ketika neuron RAmVOC diaktifkan, pita suara menutup, tikus mengeluarkan napas, dan USV diproduksi. Namun, jika rangsangan berlangsung selama dua detik atau lebih, USV ini akan terganggu saat dihirup, menunjukkan bahwa proses tersebut berada di bawah kendali bagian otak yang sama yang mengatur pernapasan.

“Bernapas adalah suatu kebutuhan untuk bertahan hidup,” kata Wang. “Meskipun neuron-neuron ini cukup untuk menginduksi vokalisasi, mereka berada di bawah kendali pernapasan, yang dapat mengesampingkan rangsangan optogenetik kita.”

Generasi ritme

Pemetaan sinaptik lebih lanjut mengungkapkan bahwa neuron di bagian batang otak yang disebut kompleks pra-Bötzinger, yang berfungsi sebagai generator ritme untuk inhalasi, memberikan masukan penghambatan langsung ke neuron RAmVOC.

“Kompleks pra-Bötzinger menghasilkan ritme inspirasi secara otomatis dan terus menerus, dan neuron penghambat di area ini memproyeksikan ke neuron premotor vokalisasi dan pada dasarnya dapat mematikannya,” kata Wang.

Hal ini memastikan bahwa pernapasan tetap dominan terhadap produksi ucapan dan kita harus menarik napas saat berbicara.

Para peneliti percaya bahwa meskipun produksi ucapan manusia lebih kompleks daripada vokalisasi tikus, sirkuit yang mereka identifikasi pada tikus memainkan peran yang tetap dalam produksi ucapan dan pernapasan pada manusia.

“Meskipun mekanisme pasti dan kompleksitas vokalisasi pada tikus dan manusia memang berbeda, proses dasar vokalisasi yang disebut fonasi, yang memerlukan penutupan pita suara dan menghembuskan udara, terjadi pada manusia dan tikus,” kata Park. .

Para peneliti sekarang berharap untuk mengeksplorasi bagaimana fungsi lain, seperti batuk dan menelan makanan, mungkin dipengaruhi oleh sirkuit otak yang mengontrol pernapasan dan vokalisasi.

Pendanaan: Penelitian ini didanai oleh Institut Kesehatan Nasional.