كيف ينسق الدماغ عمليتي التحدث والتنفس؟

اكتشف باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا دائرة دماغية تحفز النطق وتضمن أنك لا تتحدث إلا عند الزفير، وتتوقف عن الكلام عند الشهيق.

تتحكم الدائرة المكتشفة حديثًا في عمليتين مطلوبتين للنطق: تضييق الحنجرة وزفير الهواء من الرئتين.

ووجد الباحثون أيضًا أن دائرة النطق هذه تقع تحت سيطرة منطقة جذع الدماغ التي تنظم إيقاع التنفس، مما يضمن بقاء التنفس هو المهيمن على الكلام، وفقا لما نشره موقع ميديكال إكسبريس.

وقال فان وانج، أستاذ علوم الدماغ والإدراك في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، والمؤلف الرئيسي للدراسة: «عندما تحتاج إلى التنفس، عليك أن تتوقف عن النطق، لقد وجدنا أن الخلايا العصبية التي تتحكم في النطق تتلقى مدخلات مثبطة مباشرة من مولد إيقاع التنفس».

التحكم في النطق

تقع الحبال الصوتية في الحنجرة، وهي عبارة عن شريطين عضليين يمكن فتحهما وإغلاقهما.

عندما تكون الرئتان مغلقتين أو متقاربتين في الغالب، فإن الهواء الذي يتم الزفير من الرئتين يولد صوتًا أثناء مروره عبر الحبال.

شرع فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في دراسة كيفية تحكم الدماغ في عملية النطق هذه، باستخدام نموذج الفأر.

تتواصل الفئران مع بعضها البعض باستخدام الأصوات المعروفة باسم النطق بالموجات فوق الصوتية (USVs)، والتي تنتجها باستخدام آلية الصفير الفريدة المتمثلة في زفير الهواء من خلال ثقب صغير بين الحبال الصوتية المغلقة تقريبًا.

وقال وانج: «أردنا أن نفهم ما هي الخلايا العصبية التي تتحكم في تقريب الحبل الصوتي، ثم كيف تتفاعل تلك الخلايا العصبية مع دائرة التنفس؟».

لمعرفة ذلك، استخدم الباحثون تقنية تسمح لهم برسم خريطة للوصلات المتشابكة بين الخلايا العصبية.

لقد عرفوا أن تقريب الحبل الصوتي يتم التحكم فيه بواسطة الخلايا العصبية الحركية الحنجرية، لذلك بدأوا بالتتبع للخلف للعثور على الخلايا العصبية التي تعصب تلك الخلايا العصبية الحركية.

وكشف هذا أن أحد المصادر الرئيسية للمدخلات هو مجموعة من الخلايا العصبية أمام الحركية الموجودة في منطقة الدماغ المؤخر تسمى النواة الارتجاعية (RAM).

وقد أظهرت الدراسات السابقة أن هذه المنطقة تشارك في النطق، ولكن لم يكن من المعروف بالضبط أي جزء من ذاكرة الوصول العشوائي المطلوبة أو كيف تمكن من إنتاج الصوت.

وجد الباحثون أن هذه الخلايا العصبية المشبكية ذات ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) الموسومة بالتتبع تم تنشيطها بقوة أثناء USVs.

دفعت هذه الملاحظة الفريق إلى استخدام طريقة تعتمد على النشاط لاستهداف خلايا RAm العصبية الخاصة بالنطق، والتي يطلق عليها اسم RAm VOC. لقد استخدموا علم الوراثة الكيميائي وعلم البصريات الوراثي لاستكشاف ما يمكن أن يحدث إذا قاموا بإسكات نشاطهم أو تحفيزه.

عندما قام الباحثون بحظر الخلايا العصبية Ram VOC، لم تعد الفئران قادرة على إنتاج أصوات USV أو أي نوع آخر من النطق.

لم تنغلق أحبالهم الصوتية، ولم تنقبض عضلات بطنهم، كما يفعلون عادةً أثناء الزفير من أجل النطق.

على العكس من ذلك، عندما تم تنشيط الخلايا العصبية RAm VOC، انغلقت الحبال الصوتية، وزفرت الفئران، وتم إنتاج USVs.

ومع ذلك، إذا استمر التحفيز لمدة ثانيتين أو أكثر، فسيتم مقاطعة هذه الـ USVs عن طريق الاستنشاق، مما يشير إلى أن العملية تحت سيطرة نفس الجزء من الدماغ الذي ينظم التنفس.

وقال وانج: «التنفس هو حاجة للبقاء، وعلى الرغم من أن هذه الخلايا العصبية كافية لإثارة النطق، إلا أنها تخضع لسيطرة التنفس، الأمر الذي يمكن أن يتجاوز التحفيز البصري الوراثي لدينا».

جيل الإيقاع

كشفت الخرائط التشابكية الإضافية أن الخلايا العصبية الموجودة في جزء من جذع الدماغ تسمى مجمع ما قبل بوتزينجر، والتي تعمل كمولد إيقاع للاستنشاق، توفر مدخلات مثبطة مباشرة للخلايا العصبية RAm VOC.

وقال وانج: «يولد مجمع ما قبل بوتزينجر إيقاعات الاستنشاق بشكل تلقائي ومستمر، والخلايا العصبية المثبطة في تلك المنطقة تتجه نحو هذه الخلايا العصبية الحركية السابقة للنطق ويمكنها إيقافها بشكل أساسي».

وهذا يضمن أن يظل التنفس هو المهيمن على إنتاج الكلام، وأننا يجب أن نتوقف مؤقتًا للتنفس أثناء التحدث.

يعتقد الباحثون أنه على الرغم من أن إنتاج الكلام البشري أكثر تعقيدًا من نطق الفأر، إلا أن الدائرة التي حددوها في الفئران تلعب دورًا محفوظًا في إنتاج الكلام والتنفس عند البشر.

يقول بارك: «على الرغم من اختلاف آلية وتعقيد النطق الدقيق بين الفئران والبشر، إلا أن عملية النطق الأساسية، والتي تسمى النطق، والتي تتطلب إغلاق الحبل الصوتي وزفير الهواء، مشتركة بين كل من الإنسان والفأر».

ويأمل الباحثون الآن في دراسة كيفية تأثر الوظائف الأخرى مثل السعال وابتلاع الطعام بدوائر الدماغ التي تتحكم في التنفس والنطق.