Neuron：有一群神经元调控幼儿 哭泣、发声和呼吸节律，命名为iRO

节律性是人类言语和动物发声的基础。例如人类的不同语言具有相同尺度的音节上的节律性、狨猴用于交流的叫声由重复的声音单元组成。 对鱼类的研究表明其节律性发声是由后脑的起搏器样神经元所产生的。因此，哺乳动物发声的节律性也被认为是由脑干的固有神经环路所驱动的，但尚没有明确的证据支持这种猜想。

尽管过往有研究表明中脑导水管周围灰质投射到脑干的神经元介导社交性发声，但哺乳动物如何通过协调发声相关肌群和呼吸相关肌群（膈肌、肋间肌）从而同步发声和呼吸，尚不清楚。 2022年1月7日，UCSF生理学Kevin Yackle团队在Neuron发表原著论文，通过研究新生小鼠的本能性哭泣，首次揭示了延髓中存在发声中枢模式发生器，并命名为intermediate reticular oscillator（iRO）。 iRO通过快速的自主电活动振荡介导发声，并通过与发声肌和呼吸节律中枢模式发生器形成功能性连接，同步发声与呼吸。

首先，研究人员将新生小鼠与母鼠分离，诱导出超声波发声（USV），并对小鼠同时进行发声和呼吸记录。哭泣阵（cry bout）表现为呼吸气流增加，同时仅在呼气时出现USV音节。 记录结果显示，一次呼气可以出现单个或多个音节，音节数与呼气峰数量吻合，音节之间存在短暂的气流降低（airflow dip）。由此可见，发声与呼吸同步，且表现出比呼吸更快的节律。

图1：哭声由音节组成，音节有节律地出现在呼气时段

进一步，研究人员从发声和呼吸所需的运动程序入手探究两者同步的产生机制。电损坏双侧甲杓肌（收缩时声门缩窄、喉内收）显著降低了音节的产生，但不影响基础呼吸和哭泣阵中气流降低的产生。 对吸气肌群（颏舌肌、肋间肌）进行肌电图记录，研究人员发现吸气肌的电活动与音节之间的气流降低高度吻合。

图2：音节与呼吸相关肌群的活动模式相协调

通过逆行跨单突触示踪，研究人员定位了发声肌（甲杓肌、环甲肌）和发音肌（舌肌）的运动前神经元所在脑区，并进一步发现只有延髓中的rv-iRF脑区同时存在发声肌和发音肌的Vglut2阳性运动前神经元。

图3：延髓中存在一群用于发声和发音的运动前神经元群体

对rv-iRF脑区进行功能的分析，研究人员发现，电损坏双侧rv-iRF显著降低了音节数量、含有多音节的哭泣阵的数量和音节的时长，而不影响基础呼吸节律和哭泣阵中呼吸气流的增加。 以上结果表明，rv-iRF对于哭泣中音节的产生是必要的。

图4：rv-iRF运动前神经元群体对于音节的产生是必要的，但对于呼吸不是必要的

相反，在基础呼吸时对rv-iRF进行10毫秒的电刺激引发了数秒的哭泣阵，说明激活rv-iRF对于产生哭声音节是充分的，且该脑区存在自主维持持续电活动的神经元群体。

图5：电刺激rv-iRF对于产生哭声音节是充分的

为了定位上述表现出自主活动的神经元群体，研究人员在对Snap25-GCaMP6s转基因小鼠的离体脑片进行钙信号记录的同时，对rv-iRF中的运动前神经元进行电生理记录，从而在rv-iRF中发现一群神经元表现出节律性的钙信号变化且钙信号变化与rv-iRF中的运动前神经元放电活动高度一致。这群神经元被命名为iRO。 药理学实验表明iRO神经元的电振荡活动不能被快突触神经递质抑制剂所抑制，而能被间隙连接抑制剂和LTCC抑制剂所抑制，这与呼吸节律模式发生器preB ötC的神经元的药理学特性不同，因而可以将两者区别开。

图6：离体脑片电生理记录揭示rv-iRF中存在一个在呼气时表现电活动振荡的神经元群体---iRO

iRO是否与preBötC神经元和发声肌的运动神经元有功能性连接，从而同步呼吸和发声？通过离体电生理记录，研究人员发现约50% preBötC神经元表现的EPSPs与iRO的电振荡相一致，且这种一致性可被间隙连接抑制剂所抑制。 以上结果暗示iRO直接或间接地与preBötC形成兴奋性突触连接，从而启动吸气程序（哭泣阵中的气流降低）。 iRO的电活动持续到呼气时段以兴奋甲杓肌来产生音节。对支配甲杓肌的运动神经元进行离体电压钳记录，研究人员发现几乎所有的运动神经元在吸气时都表现出IPSC，而60%在呼气时表现出EPSC，与甲杓肌在呼吸时的功能一致。

图7：iRO通过协调吸气（preBötC、CNXII）和发声（甲杓肌的运动神经元）的活动来产生哭泣

iRO电振荡活动不能被快突触神经递质抑制剂所抑制这一特性使得研究人员能利用各种转基因小鼠探究iRO的分子标志物。最终iRO被发现同时表达Vglut2和Penk。 利用光遗传学激活Vglut2+Penk+iRO神经元导致了呼吸气流的增加、在基础呼吸时异位哭泣阵的出现和单音节后异位音节的出现。该结果表明iRO的激活对于引发哭泣和音节是充分的。

图8：光遗传学激活iRO对于引起哭泣阵和音节是充分的

总 结

综上，该研究首次揭示了延髓中的发声模式发生器iRO介导新生小鼠哭泣的产生，并协调发声和呼吸。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.12.014

参考文献

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.

编译作者：Hong Chaoli（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）