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挑战!请尝试:一边吸气,一边说话。

撰文 | 不周
审校 | clefable

聊天、哼曲、吼叫(?),我们几乎每天都会进行这些发声行为。理所当然地,我们会视发声为平常,“以为”我们时刻都可以发声。但一个简单的小实验告诉我们:至少在吸气时,我们不能说话。

有些时候,你会发现一些人聊到兴起,忍不住滔滔不绝,似乎没有人能打断他们。鉴于吸气与发声无法共存,如果他们真的停不下来说话,大概会发生把自己聊死这样的惨剧。

好在,我们从没有听过这样诙谐又恐怖的事件发生。毕竟人体总是会优先保障一个最基本的需求——生存。如果发现即将缺氧,那么大脑会强迫你停止发声,赶紧呼吸。毕竟,活着才是第一要务。

发声与呼吸紧紧地捆绑在一起。我们似乎总是在呼气时说话吸气时停止说话。因为发声需要从肺部释放气流,流经喉部,迫使声带振动,才能发出声音。这其中的关键是气流声带振动

不过,如果仔细思考,吸气显然也会让空气流经喉咙,为何逆向过程无法触发声带振动呢?为何我们不能在吸气时说话,拥有无时无刻喋喋不休的能力呢?为什么我们不会“聊死”呢?



精细而复杂

要想理解前两个问题,我们还需要更详细地理解发声这一过程。尽管发声系统的复杂性因物种而异,但产生声音的基本过程却有着相似之处。正如前文所说,发声需要气流与声带的振动,这与喉部息息相关。

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喉是一种古老的器官。当鱼从海洋爬上陆地,演化为各种动物,这一过程遇到的一个重要问题是,需要呼吸的空气与摄入的食物分开。喉部的功能就像是气管的“前厅”,其内部有一层名为会厌的软骨,可以防止食物或者液体掉入气管,引发窒息。而在会厌的下方,哺乳动物演化出了额外的组织褶皱,这层褶皱正是我们发声必备的声带

而要想使声带振动,通常需要喉部收缩,让声带内收,这样气流通过时才能激起褶皱的振动。如果你有意识地去感受,或许能发现,当挤压自己的喉咙时,发出的声调通常偏高,而努力拓宽喉咙时,则能发出低音。这一过程其实正是在拉紧或放松声带,从而调节声带振动的频率

然而,当我们试图吸气时,为了保证吸气的高效,喉部需要打开,也就是声带外展,自然无法引起声带振动而发声。当然,这是在自然放松的前提下,此时我们吸气不会感到任何滞涩。但如果你有意识地收紧喉部,同时吸气,其实也能发出一些类似“惊呆我”的感叹声,只不过会感到吸气困难而已。

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声带与呼吸复杂而精细的协调运动,使动物能够发出声音,彼此交流。但科学家依然好奇,在涉及生命威胁时,发声为何一定能为吸气让步?如何保证呼吸的优先级高于发声呢?



主导行为的“操纵者”

无论哪一种行为,都受神经回路调控。比如,声带闭合或外展会受喉部运动神经元控制,而呼吸运动则由复杂的呼吸回路控制。在喉部运动和呼吸之间,显然也存在神经回路,能无缝且丝滑地调控二者的灵活切换,且能保证呼吸回路的优先级

为了探索这种主导行为背后的“操纵者”,美国麻省理工学院的研究团队开始使用小鼠模型,试图确定控制声带内收的神经元,并探究这些神经元会如何与呼吸回路相互作用

小鼠的发声,同样需要呼气,使气体流经几近闭合的声带。声带的内收会在中间留下一个非常小的小孔,当气体穿过小孔时,就像吹口哨一样,能让小鼠发出超声波,来与彼此交流,这一过程也被称为超声波发声(ultrasonic vocalization,USV)。

研究人员知道,声带内收由喉部运动神经元控制,于是他们使用神经示踪剂来绘制神经元之间的突触连接,开始向后追踪,以寻找支配它们的神经元。经过观察,研究人员在后脑区发现,一组位于疑后核(retroambiguus nucleus,RAm,此前的研究已锁定它与发声有关)的运动神经元在小鼠USV期间被烈激活。最终,研究人员锁定了RAm中的一部分发声特异性神经元,称为RAmVOC

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当研究人员阻断RAmVOC神经元时,小鼠不再能发出USV或任何其他类型的声音,它们的声带不会闭合,腹部肌肉也不会收缩。反之,当RAmVOC神经元被时,小鼠的声带又能关闭,产生USV,同时呼气。而且,激活时间越长,呼气和发声的时间也越长。

但如果持续刺激RAmVOC神经元两秒或更久,USV就会被吸气过程打断。在长时间的RAmVOC激活过程中,小鼠会周期性地中断发声来吸气。呼吸的需求明显“盖过”了研究人员对RAmVOC神经元施加的刺激。

为了找出幕后“真凶”,研究团队绘制了那些会向RAmVOC神经元提供抑制信号的神经元的图谱。由此,他们发现抑制信号大多来源于脑干中控制呼吸节律,被称为前包钦格复合体(preBötC)的部分。

当研究人员阻断preBötC与RAmVOC的连接时,小鼠很难中断发声来进行呼吸。与正常情况下相比,小鼠的呼吸会浅很多。而且吸气时,小鼠还会发出嘶哑、类似哮喘的声音。

研究表明,RAmVOC神经元能控制声带内收以发出声音,但会定期被preBötC抑制,从而保证呼吸顺畅进行。这项研究揭示了呼吸与发声协调运动背后的神经回路,已于今年3月发表于《科学》(Science)上。

回顾人类的进化,在我们与早期猿类祖先分化后,发声器官的形状就发生了变化。人类的嘴部开始变小,突出程度有所减少,舌头也向下移动,将喉位拉低,使我们有了更长的脖子。这些变化都让人类能够无比精确地控制各种微小的肌肉,发出其他动物无法实现的复杂声音

机遇总是伴随着风险。由于喉位下降,我们吃的所有食物都必须经过喉部,错开气管,而后进入食道。这其中的惊险在于,一旦食物走错位置,就会发生呛噎。似乎,这些提升我们发声能力的结构,反而让我们能更有效地窒息而亡。

为了避免这种“高效”,还请大家注意:避免在说话时急切地进食和饮水,这会大大增加呛噎的风险;或者持续说太久,也可能导致喉咙疲惫,引起呛咳。


参考链接:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi8081
https://news.mit.edu/2024/how-brain-coordinates-speaking-and-breathing-0307
https://www.nih.gov/news-events/nih-research-matters/coordinating-speech-breathing-brain
https://www.smithsonianmag.com/smart-news/scientists-discover-how-some-whales-can-sing-while-holding-their-breath-underwater-180983836/
https://www.npr.org/2010/08/11/129083762/from-grunting-to-gabbing-why-humans-can-talk
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07080-1

作者 环球科学

《环球科学》杂志