Почему мы не умеем разговаривать, вдыхая воздух?

Открытие исследователей из Массачусетского технологического института — это не просто интересный факт. Это ключ к пониманию того, как в принципе устроена наша коммуникация. Найденный нейронный контур — прямая линия связи между центром вокализации и дыхательным ритмоводителем в стволе мозга.

Этот контур управляет двумя базовыми действиями для речи: смыканием голосовых связок и самим выдохом. И самое главное — он находится в подчинении у области, задающей ритм дыхания. То есть дыхание всегда в приоритете. «Когда нужно вдохнуть, вы обязаны прекратить говорить, — объясняет соавтор работы, профессор Фан Ван. — Мы выяснили, что нейроны, отвечающие за вокализацию, получают прямой тормозящий сигнал от генератора дыхательного ритма». Жестко, но эффективно.

Кто дергает за ниточки нашего голоса?

Давайте разберемся с анатомией. Звук рождается в гортани, где находятся голосовые связки — две эластичные мышечные складки. Они то сближаются, то расходятся. Когда они почти сомкнуты, выдыхаемый воздух заставляет их вибрировать — так и рождается звук. Без этого слаженного механизма ни слово сказать, ни песню спеть.

Но как мозг всем этим управляет? Чтобы это понять, ученые обратились к мышам. Да-да, они тоже активно общаются с помощью ультразвуковых вокализаций (УЗВ). Их механизм похож на свист: воздух с силой проходит через узкую щель между почти закрытыми связками. «Нас интересовало, какие именно нейроны командуют смыканием связок и как они взаимодействуют с дыхательным контуром», — говорит Ван.

Используя метод картирования синаптических связей, исследователи пошли по нейронному следу. Они знали, что за движение связок отвечают мотонейроны гортани. Оставалось найти того, кто ими командует. И он нашелся!

Главным «начальником» для этих мотонейронов оказалась группа премоторных нейронов в области заднего мозга — в так называемом позади-двойном ядре (RAm). Нейроны RAm резко активируются как раз во время мышиного «разговора». Метод синаптической трассировки позволил проследить весь путь: от RAm прямо к мотонейронам гортани. Эту ответственную зону окрестили RAmVOC.

Дальше — магия экспериментальной нейронауки. Ученые с помощью хемо- и оптогенетики научились принудительно «выключать» и «включать» нейроны RAmVOC. Когда их блокировали, мыши замолкали: связки не смыкались, мышцы живота не сокращались для нужного выдоха. Когда же нейроны искусственно стимулировали, происходило обратное: связки смыкались, следовал выдох — и рождалась вокализация. Но вот что показательно: если стимуляция длилась больше двух секунд, вокализация всё равно прерывалась вдохом. «Дыхание — базовая потребность, — комментирует Ван. — Нейроны RAmVOC могут запустить речь, но они сами — под строгим контролем дыхательного центра и вынуждены подчиняться его требованиям». Поразительно, насколько мы биологически запрограммированы просто дышать.

Властелин ритма: почему дыхание всегда главнее

Дальнейшее картирование показало всю цепочку подчинения. Оказалось, что нейроны из пре-комплекса Бетцингера (этот участок в стволе мозга работает как метроном для вдоха) посылают прямой тормозной сигнал нейронам RAmVOC. Те, в свою очередь, останавливают мотонейроны гортани. Итог: вокализация блокируется. Это и есть тот самый железный алгоритм, который заставляет нас делать паузы в речи, чтобы вдохнуть. Дыхание — абсолютный приоритет.

Конечно, человеческая речь несравненно сложнее мышиного писка. Но фундаментальный принцип, судя по всему, общий. «Хотя механизмы различаются, базовая процесса фонации — смыкание связок и выдох — одинакова и у мыши, и у человека», — подтверждает соавтор работы Джехонг Пак. Так что в следующий раз, когда вы запнетесь, чтобы перевести дух, помните: это не вы сбились, это ваш древний мозговой контур безупречно выполняет свою работу.

А что насчет кашля, глотания и смеха?

Теперь ученые хотят понять, как этот же дирижёрский контур управляет другими жизненно важными действиями — кашлем и глотанием. Но самый интригующий вопрос — смех.

Вот вам пища для размышлений: исследования Лейденского университета показали, что человеческие младенцы и шимпанзе смеются и на вдохе, и на выдохе. Шимпанзе сохраняют эту способность на всю жизнь, а люди, за редким исключением, теряют ее к 12-18 месяцам. Мы смеемся почти исключительно на выдохе. Почему? Нейронные механизмы смеха еще только предстоит изучить. Может, в этом и кроется разгадка той абсолютной, захлебывающейся радости, которую мы видим у малышей? Как думаете?