I ricercatori del MIT hanno scoperto un circuito del cervello che guida la vocalizzazione e garantisce che tu parli solo quando espiri e smetta di parlare quando inspiri.
i risultati dello studio sono stati pubblicati su Science.
Il cervello controlla due azioni necessarie per la vocalizzazione
Il circuito appena scoperto del cervello controlla due azioni necessarie per la vocalizzazione : il restringimento della laringe e l’espirazione dell’aria dai polmoni. I ricercatori hanno anche scoperto che questo circuito di vocalizzazione è sotto il comando di una regione del tronco cerebrale che regola il ritmo respiratorio, garantendo che la respirazione rimanga dominante sulla parola.
“Quando hai bisogno di inspirare, devi fermare la vocalizzazione. Abbiamo scoperto che i neuroni che controllano la vocalizzazione ricevono un input inibitorio diretto dal generatore del ritmo respiratorio”, afferma Fan Wang, professore di scienze cerebrali e cognitive del MIT, membro del MIT. McGovern Institute for Brain Research e autore senior dello studio.
Jaehong Park, uno studente laureato della Duke University che attualmente è studente in visita al MIT, è l’autore principale dello studio, che appare su Science . Altri autori dell’articolo includono i soci tecnici del MIT Seonmi Choi e Andrew Harrahill, l’ex ricercatore del MIT Jun Takatoh e i ricercatori della Duke University Shengli Zhao e Bao-Xia Han. su Science
Situate nella laringe, le corde vocali sono due fasce muscolari che possono aprirsi e chiudersi. Quando sono per lo più chiusi o addotti, l’aria espirata dai polmoni genera un suono mentre passa attraverso le corde.
Il team del MIT ha iniziato a studiare come il cervello controlla questo processo di vocalizzazione, utilizzando un modello murino . I topi comunicano tra loro utilizzando suoni noti come vocalizzazioni ultrasoniche (USV), che producono utilizzando l’esclusivo meccanismo di fischio che consiste nell’espirare l’aria attraverso un piccolo foro tra le corde vocali quasi chiuse.
“Volevamo capire quali sono i neuroni del cervello che controllano l’adduzione delle corde vocali, e poi come interagiscono quei neuroni con il circuito respiratorio?” Wang dice.
Per capirlo, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica che consente loro di mappare le connessioni sinaptiche tra i neuroni. Sapevano che l’adduzione delle corde vocali è controllata dai motoneuroni laringei, quindi hanno iniziato a risalire all’indietro per trovare i neuroni che innervano quei motoneuroni.
Ciò ha rivelato che una delle principali fonti di input del cervello è un gruppo di neuroni premotori presenti nella regione del rombencefalo chiamata nucleo retroambiguo (RAm). Studi precedenti avevano dimostrato che quest’area è coinvolta nella vocalizzazione, ma non si sapeva esattamente quale parte dell’RAM fosse necessaria o come consentisse la produzione del suono.
I ricercatori hanno scoperto che questi neuroni RAm marcati con il tracciamento sinaptico erano fortemente attivati durante gli USV. Questa osservazione ha spinto il team a utilizzare un metodo dipendente dall’attività per prendere di mira questi neuroni RAm specifici della vocalizzazione, definiti RAm VOC .
Hanno usato la chemogenetica e l’optogenetica per esplorare cosa sarebbe successo se avessero messo a tacere o stimolato la loro attività.
Quando i ricercatori hanno bloccato i neuroni RAm VOC , i topi non erano più in grado di produrre USV o qualsiasi altro tipo di vocalizzazione. Le loro corde vocali non si chiudevano e i muscoli addominali non si contraevano, come fanno normalmente durante l’espirazione per la vocalizzazione.
Al contrario, quando i neuroni RAm VOC venivano attivati, le corde vocali si chiudevano, i topi espiravano e venivano prodotti gli USV. Tuttavia, se la stimolazione durasse due secondi o più, questi USV verrebbero interrotti dalle inalazioni, suggerendo che il processo è sotto il controllo della stessa parte del cervello che regola la respirazione.
“La respirazione è un bisogno di sopravvivenza”, dice Wang. “Anche se questi neuroni sono sufficienti per suscitare la vocalizzazione, sono sotto il controllo della respirazione, che può ignorare la nostra stimolazione optogenetica.”
Un’ulteriore mappatura sinaptica ha rivelato che i neuroni in una parte del tronco encefalico chiamata complesso pre-Bötzinger, che funge da generatore di ritmo per l’inalazione, forniscono un input inibitorio diretto ai neuroni RAm VOC .
“Il complesso pre-Bötzinger genera ritmi di inspirazione automaticamente e continuamente, e i neuroni inibitori in quella regione proiettano su questi neuroni premotori della vocalizzazione e essenzialmente possono spegnerli”, dice Wang.
Ciò garantisce che la respirazione rimanga dominante sulla produzione del parlato e che dobbiamo fare una pausa per respirare mentre parliamo.
I ricercatori ritengono che, sebbene la produzione del linguaggio umano sia più complessa della vocalizzazione dei topi, il circuito identificato nei topi svolge un ruolo conservato nella produzione del linguaggio e nella respirazione negli esseri umani.
“Anche se l’esatto meccanismo e la complessità della vocalizzazione nei topi e negli esseri umani sono molto diversi, il processo fondamentale di vocalizzazione, chiamato fonazione, che richiede la chiusura delle corde vocali e l’espirazione dell’aria, è condiviso sia nell’uomo che nel topo”, afferma Park. .
I ricercatori ora sperano di studiare come altre funzioni come la tosse e la deglutizione del cibo possano essere influenzate dai circuiti cerebrali che controllano la respirazione e la vocalizzazione.
Come il cervello genera un comportamento ritmico
Molte delle nostre funzioni corporee, come camminare, respirare e masticare, sono controllate da circuiti cerebrali chiamati oscillatori centrali, che generano schemi di attivazione ritmici che regolano questi comportamenti.
I neuroscienziati del MIT hanno ora scoperto l’identità neuronale e il meccanismo alla base di uno di questi circuiti: un oscillatore che controlla il ritmico movimento avanti e indietro dei baffi tattili, o sbattimento, nei topi. Questa è la prima volta che un oscillatore di questo tipo è stato completamente caratterizzato nei mammiferi.
Il team del MIT ha scoperto che l’oscillatore della frusta è costituito da una popolazione di neuroni inibitori nel tronco cerebrale che emettono esplosioni ritmiche durante la frusta. Quando ciascun neurone si attiva, inibisce anche alcuni degli altri neuroni della rete, consentendo all’intera popolazione di generare un ritmo sincrono che ritrae i baffi dalle loro posizioni protratte.
“Abbiamo definito un oscillatore dei mammiferi dal punto di vista molecolare, elettrofisiologico, funzionale e meccanicistico”, afferma Fan Wang, professore di scienze cognitive e del cervello del MIT e membro del McGovern Institute for Brain Research del MIT. “È molto emozionante vedere un circuito e un meccanismo chiaramente definiti di come viene generato il ritmo in un mammifero.”
Wang è l’autore senior dello studio, apparso oggi su Nature . Gli autori principali dell’articolo sono i ricercatori del MIT Jun Takatoh e Vincent Prevosto.
La maggior parte delle ricerche che hanno identificato chiaramente i circuiti dell’oscillatore centrale sono state condotte sugli invertebrati. Ad esempio, il laboratorio di Eve Marder presso la Brandeis University ha scoperto cellule nel ganglio stomatogastrico di aragoste e granchi che generano attività oscillatoria per controllare il movimento ritmico del tratto digestivo.
La caratterizzazione degli oscillatori nei mammiferi, soprattutto negli animali dal comportamento sveglio, si è rivelata molto impegnativa. Si ritiene che l’oscillatore che controlla la deambulazione sia distribuito in tutto il midollo spinale, rendendo difficile identificare con precisione i neuroni e i circuiti coinvolti.
L’oscillatore che genera la respirazione ritmica si trova in una parte del tronco encefalico chiamata complesso pre-Bötzinger, ma l’esatta identità dei neuroni oscillatori non è completamente compresa.
“Non sono stati condotti studi dettagliati su animali che si comportano da svegli, in cui sia possibile registrare cellule oscillatrici identificate a livello molecolare e manipolarle in modo preciso”, afferma Wang.
Sbattere è un comportamento esplorativo ritmico prominente in molti mammiferi, che usano i loro baffi tattili per rilevare oggetti e percepire le trame. Nei topi, i baffi si estendono e si ritraggono ad una frequenza di circa 12 cicli al secondo. Diversi anni fa, il laboratorio di Wang ha iniziato a cercare di identificare le cellule e il meccanismo che controlla questa oscillazione.
Per trovare la posizione dell’oscillatore del battito, i ricercatori sono risaliti ai motoneuroni che innervano i muscoli dei baffi. Utilizzando un virus della rabbia modificato che infetta gli assoni, i ricercatori sono stati in grado di etichettare un gruppo di cellule presinaptiche con questi motoneuroni in una parte del tronco del cervello chiamata nucleo reticolare intermedio della vibrissa (vIRt). Questa scoperta era coerente con studi precedenti che mostravano che il danno a questa parte del cervello elimina il battito delle mani.
I ricercatori hanno poi scoperto che circa la metà di questi neuroni vIRt esprimono una proteina chiamata parvalbumina e che questa sottopopolazione di cellule guida il movimento ritmico dei baffi. Quando questi neuroni vengono messi a tacere, l’attività di sbattimento viene abolita.
Successivamente, i ricercatori hanno registrato l’attività elettrica di questi neuroni vIRt che esprimono parvalbumina nel tronco cerebrale di topi svegli, un compito tecnicamente impegnativo, e hanno scoperto che questi neuroni effettivamente hanno esplosioni di attività solo durante il periodo di retrazione dei baffi.
Poiché questi neuroni forniscono input sinaptici inibitori ai motoneuroni dei baffi , ne consegue che il battito ritmico è generato da un segnale di protrazione costante dei motoneuroni interrotto dal segnale di retrazione ritmica proveniente da queste cellule oscillatrici.
“È stato un momento estremamente soddisfacente e gratificante, vedere che queste cellule sono davvero le cellule oscillatrici, perché si attivano ritmicamente, si attivano nella fase di retrazione e sono neuroni inibitori”, afferma Wang.
Il modello di scoppio oscillatorio delle cellule vIRt viene avviato all’inizio della sbattitura. Quando i baffi non si muovono, questi neuroni si attivano continuamente. Quando i ricercatori hanno impedito ai neuroni vIRt di inibirsi a vicenda, il ritmo è scomparso e invece i neuroni oscillatori hanno semplicemente aumentato la loro velocità di attivazione continua.
Questo tipo di rete, nota come rete inibitoria ricorrente, differisce dai tipi di oscillatori osservati nei neuroni stomatogastrici delle aragoste, in cui i neuroni generano intrinsecamente il proprio ritmo.
“Ora abbiamo trovato un oscillatore di rete dei mammiferi formato da tutti i neuroni inibitori”, afferma Wang.
Gli scienziati del MIT hanno anche collaborato con un team di teorici guidati da David Golomb dell’Università Ben-Gurion, Israele, e David Kleinfeld dell’Università della California a San Diego. I teorici hanno creato un modello computazionale dettagliato che delinea come viene controllata la frullatura, che si adatta bene a tutti i dati sperimentali. Un articolo che descrive quel modello apparirà in un prossimo numero di Neuron .
Il laboratorio di Wang prevede ora di studiare altri tipi di circuiti oscillatori nei topi, compresi quelli che controllano la masticazione e la leccatura.
“Siamo molto entusiasti di trovare gli oscillatori di questi comportamenti alimentari e confrontarli e contrastarli con l’oscillatore che sbatte, perché sono tutti nel tronco encefalico, e vogliamo sapere se c’è qualche tema comune o se ci sono molti modi diversi per generare oscillatori ,” lei dice.
Come il cervello dà il senso del tatto
I ricercatori dell’EPFL hanno identificato neuroni specifici che aiutano ad attivare l’elaborazione sensoriale nelle cellule nervose vicine, una scoperta che potrebbe spiegare come il cervello integra i segnali necessari per la percezione tattile e l’apprendimento.
La capacità di percepire le sensazioni tattili fornisce al nostro cervello una ricchezza di informazioni sull’ambiente, inclusa la forma, la consistenza e la temperatura degli oggetti. Lavorando sui topi, i neuroscienziati dell’EPFL hanno identificato un tipo di neurone che aiuta a innescare l’attività nella regione del cervello coinvolta in funzioni come la percezione sensoriale e il controllo motorio.
I risultati potrebbero aiutare a capire non solo come il cervello percepisce gli stimoli tattili, ma anche come collega insieme le informazioni, un processo chiave nell’apprendimento.
Studi precedenti hanno suggerito che un tipo di neurone inibitorio chiamato interneurone del peptide intestinale vasoattivo (VIP) potrebbe svolgere un ruolo in processi che includono la formazione di nuove connessioni tra le cellule nervose e l’integrazione dei segnali sensoriali e motori. Il nuovo studio è il primo a misurare il potenziale di membrana – la caratteristica elettrica più fondamentale – di queste cellule cerebrali in un cervello vivente, afferma il professor Carl Petersen della EPFL School of Life Sciences.
I topi usano i baffi, lunghe setole che crescono dal loro muso, per esplorare il loro ambiente, proprio come le persone potrebbero tastare con le mani per navigare nell’oscurità.
In una serie di esperimenti sul cervello, Petersen e il suo team hanno monitorato l’attività dei neuroni nella corteccia somatosensoriale, una regione del cervello che risponde alla sensazione dei baffi, mentre i topi muovevano i baffi avanti e indietro in un processo chiamato “sbattimento”.
In un’altra serie di esperimenti, i ricercatori hanno monitorato l’attività dei neuroni nella corteccia cerebrale mentre i topi ricevevano leggeri tocchi sui baffi.
I ricercatori hanno scoperto che in assenza del principale neurotrasmettitore eccitatorio, il glutammato, sia la stimolazione che quella dei baffi innescavano l’attività dei neuroni VIP, ma non di altri tipi di neuroni nella corteccia del barile. L’attivazione dei neuroni VIP sembrava dipendere da un aumento dei livelli del neurotrasmettitore acetilcolina .
Per testare l’idea che l’acetilcolina attiva i neuroni VIP, Petersen e i suoi colleghi hanno utilizzato topi progettati per trasportare proteine sensibili alla luce nelle cellule cerebrali che utilizzano principalmente l’acetilcolina per inviare i loro messaggi. Quindi, i ricercatori hanno utilizzato la luce per stimolare questi neuroni a rilasciare acetilcolina mentre monitoravano l’attività di altre cellule nervose nella corteccia del barile.
Il rilascio di acetilcolina ha innescato un segnale “vai” per avviare l’azione nei neuroni VIP e un segnale “stop” in un tipo di neuroni chiamati neuroni che esprimono la somatostatina (SST). I neuroni SST inibiscono tipicamente le porzioni di cellule nervose eccitatorie situate nello strato esterno della corteccia somatosensoriale.
Ulteriori esperimenti hanno suggerito che l’acetilcolina rilasciata durante la sbattitura eccita i neuroni VIP, che a loro volta smorzano l’attività dei neuroni SST. La disattivazione dei segnali inibitori dai neuroni SST aiuta a guidare l’attività delle cellule nervose corticali eccitatorie , stimolando l’elaborazione sensoriale del cervello attraverso un processo di disinibizione. Lo studio è stato pubblicato su Neuron .
Molte delle connessioni a lungo raggio tra le diverse regioni del cervello sembrano verificarsi nello strato più esterno della corteccia. L’attivazione dei neuroni eccitatori attraverso la disinibizione di questo strato esterno probabilmente favorisce l’integrazione di diversi segnali sensoriali, aiutando l’animale a dar loro un senso, dice Petersen. Ciò potrebbe anche favorire la formazione di nuove connessioni tra i neuroni, un processo che è alla base dell’apprendimento del cervello, aggiunge.
Sebbene lo studio sia stato condotto sui topi, Petersen osserva che un processo simile potrebbe verificarsi nel cervello delle persone. “Quando gli scienziati hanno esaminato il cervello umano, sono emersi gli stessi tipi di cellule e gli stessi meccanismi”, afferma.
Ad esempio, i risultati potrebbero aiutare a spiegare alcuni dei sintomi della schizofrenia, un disturbo caratterizzato, tra le altre cose, da deliri e allucinazioni. Alcune persone affette da schizofrenia presentano mutazioni nei recettori che rispondono all’acetilcolina, il che potrebbe suggerire il motivo per cui gli individui affetti da questo disturbo hanno difficoltà a selezionare e integrare le informazioni sensoriali, afferma Petersen.
Successivamente, il team intende studiare se i segnali mediati dall’acetilcolina potrebbero migliorare l’apprendimento del cervello nei topi. “Possiamo aumentare l’acetilcolina e vedere se possiamo migliorare l’apprendimento, oppure disattivare i segnali e vedere se ciò impedisce l’apprendimento”, afferma Petersen.
I ricercatori stanno anche cercando di capire come l’acetilcolina raggiunge i suoi recettori sulla superficie dei neuroni VIP e cosa fa sì che i neuroni che producono acetilcolina si attivino e rilascino il neurotrasmettitore. “In questo momento, questo è un mistero completo”, dice Petersen.