節律性是人類言語和動物發聲的基礎。例如人類的不同語言具有相同尺度的音節上的節律性、狨猴用于交流的叫聲由重複的聲音單元組成。 對魚類的研究表明其節律性發聲是由後腦的起搏器樣神經元所産生的。是以，哺乳動物發聲的節律性也被認為是由腦幹的固有神經環路所驅動的，但尚沒有明确的證據支援這種猜想。
盡管過往有研究表明中腦導水管周圍灰質投射到腦幹的神經元介導社交性發聲，但哺乳動物如何通過協調發聲相關肌群和呼吸相關肌群（膈肌、肋間肌）進而同步發聲和呼吸，尚不清楚。 2022年1月7日，UCSF生理學Kevin Yackle團隊在Neuron發表原著論文，通過研究新生小鼠的本能性哭泣，首次揭示了延髓中存在發聲中樞模式發生器，并命名為intermediate reticular oscillator（iRO）。 iRO通過快速的自主電活動振蕩介導發聲，并通過與發聲肌和呼吸節律中樞模式發生器形成功能性連接配接，同步發聲與呼吸。
首先，研究人員将新生小鼠與母鼠分離，誘導出超音波發聲（USV），并對小鼠同時進行發聲和呼吸記錄。哭泣陣（cry bout）表現為呼吸氣流增加，同時僅在呼氣時出現USV音節。 記錄結果顯示，一次呼氣可以出現單個或多個音節，音節數與呼氣峰數量吻合，音節之間存在短暫的氣流降低（airflow dip）。由此可見，發聲與呼吸同步，且表現出比呼吸更快的節律。
圖1：哭聲由音節組成，音節有節律地出現在呼氣時段
進一步，研究人員從發聲和呼吸所需的運動程式入手探究兩者同步的産生機制。電損壞雙側甲杓肌（收縮時聲門縮窄、喉内收）顯著降低了音節的産生，但不影響基礎呼吸和哭泣陣中氣流降低的産生。 對吸氣肌群（颏舌肌、肋間肌）進行肌電圖記錄，研究人員發現吸氣肌的電活動與音節之間的氣流降低高度吻合。
圖2：音節與呼吸相關肌群的活動模式相協調
通過逆行跨單突觸示蹤，研究人員定位了發聲肌（甲杓肌、環甲肌）和發音肌（舌肌）的運動前神經元所在腦區，并進一步發現隻有延髓中的rv-iRF腦區同時存在發聲肌和發音肌的Vglut2陽性運動前神經元。
圖3：延髓中存在一群用于發聲和發音的運動前神經元群體
對rv-iRF腦區進行功能的分析，研究人員發現，電損壞雙側rv-iRF顯著降低了音節數量、含有多音節的哭泣陣的數量和音節的時長，而不影響基礎呼吸節律和哭泣陣中呼吸氣流的增加。 以上結果表明，rv-iRF對于哭泣中音節的産生是必要的。
圖4：rv-iRF運動前神經元群體對于音節的産生是必要的，但對于呼吸不是必要的 相反，在基礎呼吸時對rv-iRF進行10毫秒的電刺激引發了數秒的哭泣陣，說明激活rv-iRF對于産生哭聲音節是充分的，且該腦區存在自主維持持續電活動的神經元群體。
圖5：電刺激rv-iRF對于産生哭聲音節是充分的
為了定位上述表現出自主電活動的神經元群體，研究人員在對Snap25-GCaMP6s轉基因小鼠的離體腦片進行鈣信号記錄的同時，對rv-iRF中的運動前神經元進行電生理記錄，進而在rv-iRF中發現一群神經元表現出節律性的鈣信号變化且鈣信号變化與rv-iRF中的運動前神經元放電活動高度一緻。這群神經元被命名為iRO。 藥理學實驗表明iRO神經元的電振蕩活動不能被快突觸神經遞質抑制劑所抑制，而能被間隙連接配接抑制劑和LTCC抑制劑所抑制，這與呼吸節律模式發生器preB ötC的神經元的藥理學特性不同，因而可以将兩者差別開。
圖6：離體腦片電生理記錄揭示rv-iRF中存在一個在呼氣時表現電活動振蕩的神經元群體---iRO
iRO是否與preBötC神經元和發聲肌的運動神經元有功能性連接配接，進而同步呼吸和發聲？通過離體電生理記錄，研究人員發現約50% preBötC神經元表現的EPSPs與iRO的電振蕩相一緻，且這種一緻性可被間隙連接配接抑制劑所抑制。 以上結果暗示iRO直接或間接地與preBötC形成興奮性突觸連接配接，進而啟動吸氣程式（哭泣陣中的氣流降低）。 iRO的電活動持續到呼氣時段以興奮甲杓肌來産生音節。對支配甲杓肌的運動神經元進行離體電壓鉗記錄，研究人員發現幾乎所有的運動神經元在吸氣時都表現出IPSC，而60%在呼氣時表現出EPSC，與甲杓肌在呼吸時的功能一緻。
圖7：iRO通過協調吸氣（preBötC、CNXII）和發聲（甲杓肌的運動神經元）的活動來産生哭泣
iRO電振蕩活動不能被快突觸神經遞質抑制劑所抑制這一特性使得研究人員能利用各種轉基因小鼠探究iRO的分子标志物。最終iRO被發現同時表達Vglut2和Penk。 利用光遺傳學激活Vglut2+Penk+iRO神經元導緻了呼吸氣流的增加、在基礎呼吸時異位哭泣陣的出現和單音節後異位音節的出現。該結果表明iRO的激活對于引發哭泣和音節是充分的。
圖8：光遺傳學激活iRO對于引起哭泣陣和音節是充分的
總 結
綜上，該研究首次揭示了延髓中的發聲模式發生器iRO介導新生小鼠哭泣的産生，并協調發聲和呼吸。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.12.014
參考文獻
1. Chagnaud, B.P., Baker, R., and Bass, A.H. (2011). Vocalization frequency and duration are coded in separate hindbrain nuclei. Nat. Commun. 2, 346. 2. Tschida, K., Michael, V., Takatoh, J., Han, B.-X., Zhao, S., Sakurai, K., Mooney, R., and Wang, F. (2019). A specialized neural circuit gates social vocalizations in the mouse. Neuron 103, 459–472, e4.
編譯作者：Hong Chaoli（brainnews創作團隊）
校審：Simon（brainnews編輯部）