Las vocalizaciones en los mamíferos deben coordinarse con la respiración porque los sonidos vocales se producen en las vías respiratorias. Trabajos anteriores han identificado núcleos cerebrales que regulan la vocalización, pero aún se desconocen las neuronas responsables de la aducción de las cuerdas vocales y la coordinación vocal-respiratoria. Park et al. investigaron el circuito neuronal que media directamente la producción vocal y el acoplamiento vocal-respiratorio en ratones. Los autores identificaron las neuronas premotoras laríngeas específicas de la vocalización ubicadas en el núcleo retroambiguo (RamVOC) como el nodo de control clave para impulsar el cierre de las cuerdas vocales, coordinando así el esfuerzo de espiración y la producción de sonido. La supresión de estas neuronas por el complejo preBötzinger subyace a la activación de la vocalización por inspiración. Por lo tanto, las sílabas vocales son producidas por la excitación RAmVOC de las motoneuronas laríngeas, que son interrumpidas periódicamente por la inhibición rítmica mediada por el complejo preBötzinger.
La fonación, el proceso fundamental que gobierna la vocalización y el habla, requiere dos acciones simultáneas de estrechar la laringe (aducción de las cuerdas vocales) y exhalar aire de los pulmones. El habla no puede ocurrir durante la inhalación, porque la inspiración inhibe dominantemente la vocalización. Esta primacía de la respiración es crucial para la supervivencia. Aunque estudios anteriores han identificado neuronas en la sustancia gris periacueductal del mesencéfalo (PAG) como una puerta permisiva para provocar vocalizaciones, los patrones alternos de inspiración y vocalización no se modifican con la estimulación PAG en animales de experimentación. Esto condujo a los autores a identificar una población neuronal que impulsa directamente la fonación y a dilucidar sus interacciones con el circuito respiratorio que aseguran la coordinación vocal-respiratoria y priorizan la respiración. Para ello, utilizaron como modelo las vocalizaciones ultrasónicas (USV) de ratón, en las que se requiere la aducción de las cuerdas vocales para las USV y las sílabas de las USV se interrumpen periódicamente por las inspiraciones.
La hipótesis se centra en las neuronas premotoras laríngeas del tronco encefálico como controladores clave de la aducción de las cuerdas vocales y su coordinación con la respiración. Mientras que la literatura anterior ha identificado el núcleo retroambiguo (RAm) en el cerebro posterior caudal como un nodo crítico para la vocalización, su heterogeneidad, incluidas las neuronas que modulan la respiración y otros movimientos orofaciales, requiere una orientación precisa de las neuronas premotoras específicas de la vocalización dentro de RAm para desentrañar las complejidades mecanicistas del control de las cuerdas vocales. Utilizando el trazado trans-sináptico mediado por el virus de la rabia monosináptica, marcaron una población de neuronas premotoras laríngeas excitadoras en el RAm en ratones adultos.
El silenciamiento de las neuronas RAmVOC utilizando cadenas ligeras de toxina tetánica abolió los USV de cortejo y los chirridos audibles provocados por el dolor en ratones adultos, junto con una falta de actividad muscular abdominal relacionada con la fonación, lo que indica que las neuronas RAmVOC son necesarias para la fonación. La activación optogenética de RAmVOC fue suficiente para inducir el cierre de las cuerdas vocales y provocar USV, y la duración de la activación influyó en la longitud de las sílabas de USV y los períodos de espiración concurrentes. Las necesidades de inspiración podrían anular el cierre de las cuerdas vocales mediado por RAmVOC. Tanto las motoneuronas laríngeas como las neuronas RAmVOC reciben entradas inhibitorias del complejo preBötzinger (preBötC), que es conocido por contener neuronas generadoras de ritmo de inspiración. La ablación de las sinapsis inhibitorias en las neuronas RAmVOC comprometió la activación de la inspiración de la aducción de las cuerdas vocales, lo que resultó en vocalizaciones roncas anormales durante los períodos de inspiración tras la estimulación de PAG. Además, la RAmVOC desinhibida condujo a USV espontáneos en ausencia de un contexto social.
Este estudio revela los circuitos y mecanismos que subyacen a la fonación y a la interacción voz-respiración. La RAmVOC forma el nódulo premotor crítico de la PAG necesario para todas las fonaciones al impulsar la aducción de las cuerdas vocales y coordinar la actividad muscular espiratoria. Además, las entradas inhibitorias del preBötC tanto a RAmVOC como a las motoneuronas laríngeas permiten la inspiración rítmica para controlar la vocalización, asegurando así la primacía de la respiración.
Park J et al. Brainstem control of vocalization and its coordination with respiration. SCIENCE, 8 Mar 2024, Vol 383, Issue 6687. DOI: 10.1126/science.adi8081
