Diverse vocal patterns are important to communicate in different contexts. For this, the cricothyroid (CT) and thyroarytenoid (TA) muscles are working for varying vocal frequencies and patterns. However, how the muscles are controlled by the brain and change ultrasonic vocalization (USV) frequencies are not well-studied. Adult mice emit USVs with various patterns, and this is known to be related to their behaviors, cognitive status, and disease. Therefore, we set our hypothesis that the activation of the CT and TA muscles will increase USV frequencies and mice will have distinctive distribution of motor neurons projecting to the CT or TA muscle. To check it, we investigated vocal changes by optogenetic excitation on the nucleus ambiguous (NAmb) and motor neuron localizations of the laryngeal muscles in mice. Consequently, we found that the nonspecific optogenetic excitation can lead the minimum frequency to increase and frequency range to decrease within a syllable. When tracing motor neurons of the laryngeal muscles with cholera toxin subunit-b and pseudorabies virus, we observed that motor neurons of each muscle were distributed differently. CT motor neurons were clustered compactly in the rostral NAmb while TA motor neurons were scattered widely in the NAmb. Furthermore, some motor neurons that innervate the TA or CT muscle were co-localized in the rostral NAmb. This study supports our hypothesis on the involvement of motor neurons of the CT and TA muscles in the USV pattern modulation and unique localization of the motor neurons in the NAmb. The results also provide fundamental and essential information for understanding the mechanisms of mouse USVs. The findings will be further validated with additional observations such as optogenetic experiments targeting motor neurons of a specific muscle, more specific injection of tracers or viruses, and acquisition of laryngeal histology to check the injection accuracy.
다양한 상황에서 발성 패턴의 변화는 의사소통에 있어 중요한 역할을 한다. 이를 위해 윤상갑상근과 갑상피열근은 발성 주파수와 패턴을 변화시키는데 관여한다. 하지만, 어떻게 이 근육들이 뇌에 의해 조절되어 초음파 발성의 발성 주파수와 패턴을 변화시키는지는 잘 알려져 있지 않다. 성체 생쥐의 초음파 발성은 다양한 패턴을 가지며, 이는 다양한 행동, 인지 상태 및 질병 상태와 연관되었음이 밝혀져 왔다. 따라서 본 연구에서는 윤상갑상근과 갑상피열근의 활성이 발성 주파수를 상승시키고 생쥐의 각 성대 근육 운동 뉴런이 서로 다른 분포를 가진다는 가설 하에, 의핵 신경을 광유전학으로 조절 시 발성의 패턴이 변화됨을 확인하고, 이 후 생쥐의 성대근육 운동 뉴런이 어떠한 분포를 띄고 있는지 확인하였다. 그 결과, 의핵 뉴런에 불특정 광유전학 자극을 주었을 때 한 음절 내에서 최저 주파수가 증가함으로써 주파수 범위가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 각 근육의 운동 신경의 분포를 확인하기 위해 콜레라 독소 비 아형과 가성광견병바이러스를 윤상갑상근, 갑상피열근에 주입한 결과, 각 근육의 운동 신경이 의핵 내에서 다르게 분포하는 것을 확인하였다. 윤상갑상근의 운동 뉴런은 의핵의 머리부분에서 빽빽하게 모여 있었지만, 갑상피열근 운동 뉴런은 의핵 내에서 넓게 흩어져 있었다. 나아가 의핵 머리부분에서 두 근육의 운동 뉴런 중 일부가 함께 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구는 성체 생쥐의 초음파 발성 패턴 생성에 윤상갑상근과 갑상피열근의 운동 신경이 관여하며, 해당 신경은 고유한 패턴으로 의핵 내에 분포되어 있다는 가설을 지지한다. 세분화된 근육 별 운동 신경에 대한 광유전학 실험, 보다 세밀한 화학물질 및 바이러스 주입과 이를 입증하는 타겟 근육의 이미징과 같은 추가적 확인을 통해 해당 가설은 더욱더 확실하게 증명될 것이며, 이는 생쥐 초음파 발성의 기전 연구를 위한 기초적이면서 핵심적인 정보를 제공할 것이다.
