近日， Avin Veerakumar, Joshua P. Head & Mark A. Krasnow三人在小鼠大腦深處發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域：腦干核的神經(jīng)肽前體NTS表達(dá)神經(jīng)元群，它們就像是控制聲音的大腦司令部。無(wú)論是新生小鼠的呼喚還是成年鼠的社交交流，這些神經(jīng)元都在背后默默發(fā)揮作用，控制著聲音的強(qiáng)度和音調(diào)。此發(fā)現(xiàn)，不僅揭開(kāi)了發(fā)聲神秘的面紗，更讓我們對(duì)哺乳動(dòng)物交流的奧秘有了更深的理解。

他們的成果發(fā)表在最新一期的Nature Neurosci雜志上，名為 “A brainstem circuit for phonation and volume control in mice”

動(dòng)物世界里，發(fā)聲交流無(wú)處不在。從自然而然的笑聲、嬰兒啼哭到狗的汪汪叫，再到嚙齒動(dòng)物對(duì)親人的特殊呼喚，這些聲音充滿了生命的旋律。不管是天生的還是后天學(xué)會(huì)的，這些聲音都來(lái)自一個(gè)神奇的器官——喉部。喉部?jī)?nèi)有兩個(gè)聲帶，當(dāng)它們緊張并隨著空氣的流動(dòng)而震動(dòng)時(shí)，便產(chǎn)生了聲音。這個(gè)過(guò)程就像是一個(gè)精密的樂(lè)器演奏，由呼吸的力度、喉部肌肉的張力和收縮時(shí)間共同調(diào)控，創(chuàng)造出各種聲音的音量、音高和節(jié)奏，向聽(tīng)眾傳遞豐富的信息。然而，雖然發(fā)聲對(duì)于動(dòng)物如此重要，我們對(duì)于控制這一神奇過(guò)程的神經(jīng)細(xì)胞和運(yùn)動(dòng)機(jī)制還知之甚少。

1. Nts標(biāo)志著RAm中發(fā)聲激活神經(jīng)元的一個(gè)子集

為揭秘發(fā)聲神經(jīng)元的遺傳特點(diǎn)，作者在Allen Mouse Brain Atlas中尋找retroambiguus （RAm）區(qū)特有基因。發(fā)現(xiàn)Nts基因在此區(qū)域有顯著表達(dá)，編碼神經(jīng)肽前體蛋白。單分子熒光原位雜交技術(shù)（圖1a）顯示，Nts基因在RAm、脊髓三叉神經(jīng)元和少數(shù)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元群中表達(dá)。統(tǒng)計(jì)顯示RAm約有160個(gè)Nts表達(dá)神經(jīng)元，與約1100個(gè)非表達(dá)神經(jīng)元混雜（圖1b）。

為測(cè)試這些神經(jīng)元在發(fā)聲時(shí)是否活躍，作者讓成年雄鼠與雌鼠相處以誘發(fā)social vocalizations（圖1c頂部），使用Fos標(biāo)記檢測(cè)神經(jīng)活動(dòng)。結(jié)果顯示，發(fā)聲雄鼠RAm區(qū)Fos表達(dá)顯著增強(qiáng)（圖1d）。約80%的RAm Nts+神經(jīng)元在發(fā)聲時(shí)表達(dá)Fos（圖1e-g）。Nts+神經(jīng)元約占所有Fos+神經(jīng)元的45%（圖1f，h）。這表明Nts神經(jīng)元是RAm中的興奮亞群，在不同發(fā)聲情境下均被強(qiáng)烈激活，并受PAG神經(jīng)元直接支配。

圖1.Nts標(biāo)志著一個(gè)發(fā)聲激活的RAm亞群

2. RAm Nts神經(jīng)元的消融消除了social vocalizations

作者在成年雄性小鼠的RAm區(qū)域敲除了這些神經(jīng)元，并觀察了對(duì)social vocalizations的影響。用特定病毒載體在RAm中減少了約90%的Nts神經(jīng)元，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種減少幾乎完全抑制了雄鼠的叫聲，而對(duì)比實(shí)驗(yàn)組（注射了不影響神經(jīng)元的物質(zhì)）則沒(méi)有這種效果（圖2）。這說(shuō)明RAm Nts神經(jīng)元對(duì)于成年雄鼠向雌鼠發(fā)出的social vocalizations至關(guān)重要，其作用專一且關(guān)鍵。

圖2.RAm Nts神經(jīng)元消融對(duì)social vocalizations的影響

3. RAm Nts神經(jīng)元的激活會(huì)產(chǎn)生發(fā)聲

作者通過(guò)注射特殊的載體，使大約70%的Nts+神經(jīng)元表達(dá)光敏蛋白，并在小鼠腦部植入光纖裝置。實(shí)驗(yàn)顯示，光遺傳刺激不僅引起了小鼠的發(fā)聲，還伴隨著呼吸模式的改變，但其它行為保持不變（圖3）。這種人工引發(fā)的發(fā)聲雖然頻率與自然發(fā)聲相似，但聲音特質(zhì)卻大相徑庭，反映出激光脈沖的特點(diǎn)。值得一提的是，這種刺激對(duì)心率沒(méi)有影響，顯示了對(duì)目標(biāo)神經(jīng)元的精準(zhǔn)作用。即便是在清醒狀態(tài)下，小鼠也會(huì)因光遺傳刺激而發(fā)聲，證明了假設(shè)：光遺傳刺激RAm Nts神經(jīng)元足以產(chǎn)生人工發(fā)聲。

圖3. RAm Nts神經(jīng)元的光遺傳激活產(chǎn)生發(fā)聲并控制音量

4. RAm Nts神經(jīng)元活動(dòng)控制音量

作者通過(guò)改變激光脈沖頻率來(lái)探索小鼠RAm Nts神經(jīng)元如何調(diào)控聲音：不同小鼠需要特定的最小脈沖頻率才會(huì)發(fā)聲，而聲音響度隨脈沖頻率增加而增強(qiáng)，但音高保持不變。當(dāng)脈沖頻率超過(guò)一定閾值，小鼠的發(fā)聲從可聽(tīng)頻率變?yōu)槌暡?，但響度和音高依然保持一致的變化趨?shì)（圖3d-j）。這些發(fā)現(xiàn)揭示了RAm Nts神經(jīng)元在控制聲音響度和頻率轉(zhuǎn)換方面的重要作用。

5. RAm Nts神經(jīng)元控制喉部和呼氣肌肉

作者以EMG觀測(cè)兩大發(fā)聲肌肉：環(huán)甲?。ê聿筷P(guān)鍵肌，影響聲帶張力和音高）與外斜?。ǜ共恐髁。魵鈺r(shí)增音）。在麻醉下，光遺傳技術(shù)激活RAm Nts神經(jīng)元，雙肌EMG同步錄得（圖4a）。喘息時(shí)，環(huán)甲肌呈低強(qiáng)度吸氣活動(dòng)，外斜肌則靜默，與既往研究吻合。激活RAm Nts時(shí)，兩肌EMG振幅迅速升高，表現(xiàn)協(xié)同收縮（圖4b、c）。停止激發(fā)后，環(huán)甲肌快速恢復(fù)常態(tài)，外斜肌則緩慢回歸（圖4b）。毫秒級(jí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，單次激發(fā)在兩肌引發(fā)高精準(zhǔn)、低延遲的EMG峰值（圖4d），盡管環(huán)甲肌反應(yīng)略快于外斜肌。因此，RAm Nts神經(jīng)元的光遺傳激活是控制發(fā)聲和音量的關(guān)鍵肌肉協(xié)調(diào)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)力。

圖4. RAm Nts神經(jīng)元的光遺傳激活驅(qū)動(dòng)喉部和呼氣肌肉的高保真、短延遲峰值

結(jié)論

作者識(shí)別并表征了RAm Nts神經(jīng)元，揭示了用于發(fā)聲的神經(jīng)回路（圖5）。RAm功能在發(fā)聲脊椎動(dòng)物中表現(xiàn)出一致性，暗示RAm Nts回路可能普遍存在。RAm在鳥(niǎo)類大腦中控制本能呼喚和歌唱學(xué)習(xí)。它的結(jié)構(gòu)與哺乳動(dòng)物相似，涉及聲音運(yùn)動(dòng)、呼吸控制神經(jīng)元。所有研究過(guò)的哺乳動(dòng)物，包括人類，在RAm中都發(fā)現(xiàn)了類似的特征。這表明RAm可能調(diào)節(jié)人類本能發(fā)聲，如笑聲和哭聲。人類運(yùn)動(dòng)皮層對(duì)RAm的影響表明，它可能參與發(fā)音和音調(diào)調(diào)整。RAm Nts模塊的這種普遍性，揭示了其在不同物種發(fā)聲控制中的核心作用。

圖5.RAm Nts神經(jīng)元神經(jīng)支配和功能介紹

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41593-023-01478-2

參考文獻(xiàn)

Veerakumar A, Head JP, Krasnow MA. A brainstem circuit for phonation and volume control in mice. Nat Neurosci. 2023 Dec;26(12):2122-2130. doi: 10.1038/s41593-023-01478-2. Epub 2023 Nov 23. PMID: 37996531.

編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

校審：Simon（brainnews編輯部）






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