賭けてもいいけど、息を吸いながら話すのは無理だよ！

チャレンジ！試してみてください：息を吸いながら同時に話してください。

おしゃべりしたり、ハミングしたり、叫んだり（？）、私たちはこれらの発声行動をほぼ毎日行っています。当然のことながら、私たちは発言することを当然のことと考えており、いつでも発言できると「思っています」。しかし、簡単な実験から、少なくとも息を吸うときには話すことができないことがわかります。

時々、話すことに興奮しすぎて止まらずに話し続け、誰も邪魔できないように見える人がいることに気づくでしょう。呼吸と発声は共存できないので、本当に話すのをやめられない場合は、おそらく話し続けて死んでしまうでしょう。

幸いなことに、私たちはこのようなおかしくて恐ろしい事件をこれまで聞いたことがありません。結局のところ、人間の体は常に、生存という基本的なニーズを優先します。酸素が不足しそうになると、脳は話すのをやめて、早く呼吸するように強制します。結局、生き残ることが第一優先です。

発声と呼吸は密接に結びついています。私たちはいつも、息を吐くときに話し、息を吸うときに話すのをやめているようです。発声には肺から空気を放出する必要があり、その空気が喉頭を通って声帯を振動させ、音を出すからです。ここで重要なのは、空気の流れと声帯の振動です。

しかし、よく考えてみると、息を吸うと喉を通って空気が流れるのは明らかですが、ではなぜ逆のプロセスで声帯を振動させることができないのでしょうか?私たちは、息を吸いながら、常におしゃべりをしながら話すことができないのはなぜでしょうか? 「死と会話」してみませんか？

繊細で複雑

最初の 2 つの質問を理解するには、発声のプロセスをより詳細に理解する必要があります。発声器官の複雑さは種によって異なりますが、音を出すための基本的なプロセスは似ています。前述のように、発声には喉頭と密接な関係のある声帯の空気の流れと振動が必要です。

画像出典: Wikipedia

喉頭は古代の器官です。魚が海から陸に上がってさまざまな動物に進化したとき、この過程で遭遇した重要な問題は、呼吸する空気と摂取する食物を分離する必要があったことです。喉頭は気管の「前室」のような役割を果たします。喉頭蓋の内側には喉頭蓋と呼ばれる軟骨の層があり、食べ物や液体が気管に落ちて窒息するのを防ぎます。哺乳類は喉頭蓋の下に、発声に必要な声帯となる追加の組織を進化させました。

声帯を振動させるためには、通常、喉頭を収縮させ、声帯を引っ込めて、通過する空気の流れが声帯の振動を刺激できるようにする必要があります。意識して感じてみると、喉を絞ったときに出る音のトーンは通常高く、喉を広げようとすると低い音が出ることに気づくでしょう。このプロセスは実際に声帯を緊張させたり緩めたりすることで、声帯の振動の周波数を調整します。

しかし、息を吸おうとすると、効率よく息を吸うために喉頭を開く、つまり声帯を外転させる必要があり、当然声帯を振動させて音を出すことは不可能になります。もちろん、これは自然なリラクゼーションを前提としており、その場合、吸入時に停滞を感じることはありません。しかし、意識的に喉を締めて同時に息を吸うと、実際に「ショックを受けろ！」のような感嘆音を出すことはできますが、息を吸うのは難しいでしょう。

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声帯と呼吸の複雑かつ繊細な調整により、動物は音を出し、互いにコミュニケーションをとることができます。しかし科学者たちは、生命が脅かされるとなぜ発声よりも呼吸が優先されるのか、依然として疑問を抱いている。呼吸が発声よりも優先されるようにするにはどうすればよいでしょうか?

支配的な行動を操作する者

すべての行動は神経回路によって制御されます。たとえば、声帯の閉鎖や外転は喉頭運動ニューロンによって制御され、呼吸運動は複雑な呼吸回路によって制御されます。喉頭の動きと呼吸の間には明らかに神経回路があり、両者の柔軟な切り替えをシームレスかつスムーズに制御し、呼吸回路の優先順位を確保することができます。

この支配的な行動の背後にある「操作者」を調査するため、マサチューセッツ工科大学の研究チームは、マウスモデルを使用して声帯内転を制御するニューロンを特定し、これらのニューロンが呼吸回路とどのように相互作用するかを調査し始めました。

ネズミは発声するためにも息を吐く必要があり、ほぼ閉じている声帯を通して空気が流れるようにする。声帯を内転させると、真ん中に非常に小さな穴が残ります。空気が穴を通過すると、ネズミは口笛のように超音波を発し、互いにコミュニケーションをとることができます。このプロセスは超音波発声 (USV) とも呼ばれます。

研究者たちは声帯の内転が喉頭運動ニューロンによって制御されていることを知っていたので、神経トレーサーを使用してニューロン間のシナプス接続をマッピングし、それらを神経支配するニューロンまで遡って追跡し始めました。研究者らは観察の結果、マウスの後脳では、後頭葉核（RAm、以前の研究では発声と関連づけられている）に位置する運動ニューロンのグループがUSV中に強く活性化していることを発見した。最終的に、研究者たちはRAm内の音特異的ニューロンのサブセット、RAmVOCに焦点を絞りました。

画像出典: オリジナル論文

研究者らがRAmVOCニューロンをブロックすると、マウスはUSVや他の種類の音を出せなくなった。声帯は閉じず、腹筋も収縮しません。逆に、RAmVOC ニューロンが活性化されると、マウスの声帯は閉じ、USV を生成し、同時に息を吐くことができました。また、活性化時間が長くなると、呼気と発声の時間も長くなります。

しかし、RAmVOC ニューロンが 2 秒以上刺激されると、USV は吸気によって中断されました。 RAmVOC の活性化が長時間続く間、マウスは定期的に発声を中断して吸入しました。呼吸の要求は、研究者がRAmVOCニューロンに適用した刺激を明らかに圧倒した。

研究チームは、舞台裏の真犯人を見つけるために、RAmVOC ニューロンに抑制信号を提供するニューロンをマッピングしました。このことから、抑制信号は主に、呼吸のリズムを制御する脳幹のpreBötCと呼ばれる部分から発生していることがわかった。

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研究者らがpreBötCとRAmVOCの接続を遮断すると、マウスは呼吸のために発声を中断することがより困難になった。マウスの呼吸は通常よりもずっと浅かった。マウスは息を吸うときに、喘息のようなかすれた音も出した。

研究では、RAmVOC ニューロンが声帯の内転を制御して音を出すが、スムーズな呼吸を確保するために preBötC によって定期的に抑制されることが示された。この研究は、呼吸と発声の協調運動の背後にある神経回路を明らかにし、今年3月にサイエンス誌に掲載されました。

人類の進化を振り返ると、私たちの発声器官の形状は、初期の類人猿の祖先から分岐した後に変化しました。私たちの口は小さくなり、突き出なくなり、舌は下に移動し、喉が下がり、首が長くなりました。これらの変化により、人間はさまざまな小さな筋肉を信じられないほど正確に制御し、他の動物では実現できない複雑な音を出すことができるようになりました。

しかし、チャンスには常にリスクが伴います。喉頭が下がっているため、私たちが食べる食べ物はすべて喉頭を通過し、気管を迂回して食道に入らなければなりません。危険なのは、食べ物が間違った場所に入ると窒息する可能性があるということです。私たちの発声能力を高めるこれらの構造は、実際には私たちをより「効率的に」窒息死させるようです。

このような「効率」を避けるために、次のことにも注意してください。話している間に急いで食べたり飲んだりすることは避けてください。窒息するリスクが大幅に高まります。または、長時間話し続けると喉が疲れて窒息する可能性もあります。

参考文献

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi8081

[2]https://news.mit.edu/2024/how-brain-coordinates-speaking-and-breathing-0307

[3]https://www.nih.gov/news-events/nih-research-matters/coordinating-speech-breathing-brain

[4]https://www.smithsonianmag.com/smart-news/scientists-discover-how-some-whales-can-sing-while-holding-their-breath-underwater-180983836/

[5]https://www.npr.org/2010/08/11/129083762/from-grunting-to-gabbing-why-humans-can-talk

[6]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07080-1

企画・制作

出典: Global Science (id: huanqiukexue)

著者 |ブ・ゾウ

編集者：ヤン・ヤピン