Comment le cerveau coordonne la parole et la respiration

Comment le cerveau coordonne la parole et la respiration

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Des chercheurs du MIT ont découvert un circuit cérébral qui pilote la vocalisation et garantit que vous parlez uniquement lorsque vous expirez et que vous arrêtez de parler lorsque vous inspirez.

Le circuit récemment découvert contrôle deux actions nécessaires à la vocalisation : le rétrécissement du larynx et l'expiration de l'air des poumons. Les chercheurs ont également découvert que ce circuit de vocalisation est sous le contrôle d’une région du tronc cérébral qui régule le rythme respiratoire, ce qui garantit que la respiration reste dominante sur la parole.

“Lorsque vous avez besoin d'inspirer, vous devez arrêter de vocaliser. Nous avons constaté que les neurones qui contrôlent la vocalisation reçoivent un signal inhibiteur direct du générateur de rythme respiratoire”, explique Fan Wang, professeur de sciences cérébrales et cognitives au MIT. McGovern Institute for Brain Research et auteur principal de l’étude.

Jaehong Park, étudiant diplômé de l'Université Duke et actuellement étudiant invité au MIT, est l'auteur principal de l'étude, qui paraît dans Science. Parmi les autres auteurs de l'article figurent Seonmi Choi et Andrew Harrahill, associés techniques du MIT, Jun Takatoh, ancien chercheur scientifique du MIT, et Shengli Zhao et Bao-Xia Han, chercheurs de l'Université Duke.

Contrôle de la vocalisation

Situées dans le larynx, les cordes vocales sont deux bandes musculaires qui peuvent s'ouvrir et se fermer. Lorsqu'ils sont pour la plupart fermés ou en adduction, l'air expiré par les poumons génère du son lorsqu'il traverse les cordons.

L'équipe du MIT a entrepris d'étudier comment le cerveau contrôle ce processus de vocalisation, à l'aide d'un modèle murin. Les souris communiquent entre elles à l'aide de sons appelés vocalisations ultrasoniques (USV), qu'elles produisent à l'aide du mécanisme de sifflement unique consistant à expirer de l'air à travers un petit trou situé entre des cordes vocales presque fermées.

“Nous voulions comprendre quels sont les neurones qui contrôlent l'adduction des cordes vocales, et comment ces neurones interagissent-ils avec le circuit respiratoire ?” dit Wang.

Pour comprendre cela, les chercheurs ont utilisé une technique qui leur permet de cartographier les connexions synaptiques entre les neurones. Ils savaient que l’adduction des cordes vocales est contrôlée par les motoneurones laryngés, ils ont donc commencé par remonter vers le passé pour trouver les neurones qui innervent ces motoneurones.

Cela a révélé qu’une source majeure d’entrée est un groupe de neurones prémoteurs trouvés dans la région du cerveau postérieur appelé noyau rétroambigus (RAm). Des études antérieures ont montré que cette zone est impliquée dans la vocalisation, mais on ne savait pas exactement quelle partie du RAm était nécessaire ni comment elle permettait la production sonore.

Les chercheurs ont découvert que ces neurones RAm marqués par le traçage synaptique étaient fortement activés pendant les USV. Cette observation a incité l'équipe à utiliser une méthode dépendante de l'activité pour cibler ces neurones RAm spécifiques à la vocalisation, appelés RAm.COV. Ils ont utilisé la chimiogénétique et l’optogénétique pour explorer ce qui se passerait s’ils faisaient taire ou stimulaient leur activité.

Quand les chercheurs bloquaient le RAmCOV neurones, les souris n’étaient plus capables de produire d’USV ou tout autre type de vocalisation. Leurs cordes vocales ne se sont pas fermées et leurs muscles abdominaux ne se sont pas contractés, comme ils le font normalement lors de l'expiration pour la vocalisation.

A l’inverse, lorsque le RAmCOV les neurones ont été activés, les cordes vocales fermées, les souris ont expiré et des USV ont été produits. Cependant, si la stimulation durait deux secondes ou plus, ces USV seraient interrompus par des inhalations, ce qui suggère que le processus est sous le contrôle de la même partie du cerveau qui régule la respiration.

“La respiration est un besoin de survie”, explique Wang. “Même si ces neurones sont suffisants pour déclencher la vocalisation, ils sont sous le contrôle de la respiration, ce qui peut outrepasser notre stimulation optogénétique.”

Génération de rythme

Une cartographie synaptique supplémentaire a révélé que les neurones d'une partie du tronc cérébral appelée complexe pré-Bötzinger, qui agit comme un générateur de rythme pour l'inhalation, fournissent un apport inhibiteur direct à la RAm.COV neurones.

“Le complexe pré-Bötzinger génère automatiquement et continuellement des rythmes d'inhalation, et les neurones inhibiteurs de cette région se projettent sur ces neurones prémoteurs de vocalisation et peuvent essentiellement les arrêter”, explique Wang.

Cela garantit que la respiration reste dominante sur la production de la parole et que nous devons faire une pause pour respirer tout en parlant.

Les chercheurs pensent que même si la production de la parole humaine est plus complexe que la vocalisation de la souris, le circuit qu'ils ont identifié chez la souris joue un rôle conservé dans la production de la parole et la respiration chez l'homme.

“Même si le mécanisme exact et la complexité de la vocalisation chez la souris et chez l'homme sont vraiment différents, le processus fondamental de vocalisation, appelé phonation, qui nécessite la fermeture des cordes vocales et l'expiration de l'air, est partagé chez l'humain et la souris”, explique Park. .

Les chercheurs espèrent maintenant étudier comment d'autres fonctions telles que la toux et la déglutition des aliments peuvent être affectées par les circuits cérébraux qui contrôlent la respiration et la vocalisation.

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