Nat Neurosci最新：研究发现调控小鼠发声和音量的关键神经环路！
近日， Avin Veerakumar, Joshua P. Head & Mark A. Krasnow三人在小鼠大脑深处发现了一个关键区域：脑干核的神经肽前体NTS表达神经元群，它们就像是控制声音的大脑司令部。无论是新生小鼠的呼唤还是成年鼠的社交交流，这些神经元都在背后默默发挥作用，控制着声音的强度和音调。此发现，不仅揭开了发声神秘的面纱，更让我们对哺乳动物交流的奥秘有了更深的理解。
他们的成果发表在最新一期的Nature Neurosci杂志上，名为 “A brainstem circuit for phonation and volume control in mice”
动物世界里，发声交流无处不在。从自然而然的笑声、婴儿啼哭到狗的汪汪叫，再到啮齿动物对亲人的特殊呼唤，这些声音充满了生命的旋律。不管是天生的还是后天学会的，这些声音都来自一个神奇的器官——喉部。喉部内有两个声带，当它们紧张并随着空气的流动而震动时，便产生了声音。这个过程就像是一个精密的乐器演奏，由呼吸的力度、喉部肌肉的张力和收缩时间共同调控，创造出各种声音的音量、音高和节奏，向听众传递丰富的信息。然而，虽然发声对于动物如此重要，我们对于控制这一神奇过程的神经细胞和运动机制还知之甚少。
1. Nts标志着RAm中发声激活神经元的一个子集
为揭秘发声神经元的遗传特点，作者在Allen Mouse Brain Atlas中寻找retroambiguus （RAm）区特有基因。发现Nts基因在此区域有显著表达，编码神经肽前体蛋白。单分子荧光原位杂交技术（图1a）显示，Nts基因在RAm、脊髓三叉神经元和少数运动神经元群中表达。统计显示RAm约有160个Nts表达神经元，与约1100个非表达神经元混杂（图1b）。
为测试这些神经元在发声时是否活跃，作者让成年雄鼠与雌鼠相处以诱发social vocalizations（图1c顶部），使用Fos标记检测神经活动。结果显示，发声雄鼠RAm区Fos表达显著增强（图1d）。约80%的RAm Nts+神经元在发声时表达Fos（图1e-g）。Nts+神经元约占所有Fos+神经元的45%（图1f，h）。这表明Nts神经元是RAm中的兴奋亚群，在不同发声情境下均被强烈激活，并受PAG神经元直接支配。
图1.Nts标志着一个发声激活的RAm亚群
2. RAm Nts神经元的消融消除了social vocalizations
作者在成年雄性小鼠的RAm区域敲除了这些神经元，并观察了对social vocalizations的影响。用特定病毒载体在RAm中减少了约90%的Nts神经元，结果发现，这种减少几乎完全抑制了雄鼠的叫声，而对比实验组（注射了不影响神经元的物质）则没有这种效果（图2）。这说明RAm Nts神经元对于成年雄鼠向雌鼠发出的social vocalizations至关重要，其作用专一且关键。
图2.RAm Nts神经元消融对social vocalizations的影响
3. RAm Nts神经元的激活会产生发声
作者通过注射特殊的载体，使大约70%的Nts+神经元表达光敏蛋白，并在小鼠脑部植入光纤装置。实验显示，光遗传刺激不仅引起了小鼠的发声，还伴随着呼吸模式的改变，但其它行为保持不变（图3）。这种人工引发的发声虽然频率与自然发声相似，但声音特质却大相径庭，反映出激光脉冲的特点。值得一提的是，这种刺激对心率没有影响，显示了对目标神经元的精准作用。即便是在清醒状态下，小鼠也会因光遗传刺激而发声，证明了假设：光遗传刺激RAm Nts神经元足以产生人工发声。
图3. RAm Nts神经元的光遗传激活产生发声并控制音量
4. RAm Nts神经元活动控制音量
作者通过改变激光脉冲频率来探索小鼠RAm Nts神经元如何调控声音：不同小鼠需要特定的最小脉冲频率才会发声，而声音响度随脉冲频率增加而增强，但音高保持不变。当脉冲频率超过一定阈值，小鼠的发声从可听频率变为超声波，但响度和音高依然保持一致的变化趋势（图3d-j）。这些发现揭示了RAm Nts神经元在控制声音响度和频率转换方面的重要作用。
5. RAm Nts神经元控制喉部和呼气肌肉
作者以EMG观测两大发声肌肉：环甲肌（喉部关键肌，影响声带张力和音高）与外斜肌（腹部主力肌，呼气时增音）。在麻醉下，光遗传技术激活RAm Nts神经元，双肌EMG同步录得（图4a）。喘息时，环甲肌呈低强度吸气活动，外斜肌则静默，与既往研究吻合。激活RAm Nts时，两肌EMG振幅迅速升高，表现协同收缩（图4b、c）。停止激发后，环甲肌快速恢复常态，外斜肌则缓慢回归（图4b）。毫秒级检测发现，单次激发在两肌引发高精准、低延迟的EMG峰值（图4d），尽管环甲肌反应略快于外斜肌。因此，RAm Nts神经元的光遗传激活是控制发声和音量的关键肌肉协调动作的驱动力。
图4. RAm Nts神经元的光遗传激活驱动喉部和呼气肌肉的高保真、短延迟峰值
结论
作者识别并表征了RAm Nts神经元，揭示了用于发声的神经回路（图5）。RAm功能在发声脊椎动物中表现出一致性，暗示RAm Nts回路可能普遍存在。RAm在鸟类大脑中控制本能呼唤和歌唱学习。它的结构与哺乳动物相似，涉及声音运动、呼吸控制神经元。所有研究过的哺乳动物，包括人类，在RAm中都发现了类似的特征。这表明RAm可能调节人类本能发声，如笑声和哭声。人类运动皮层对RAm的影响表明，它可能参与发音和音调调整。RAm Nts模块的这种普遍性，揭示了其在不同物种发声控制中的核心作用。
图5.RAm Nts神经元神经支配和功能介绍
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41593-023-01478-2
参考文献
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.
编译作者：Ayden（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
