肌肉横穿的声带损伤会降低大鼠超声波发声的频率复杂性

《Behavioural Brain Research》：Transmuscular vocal fold injury reduces frequency complexity of rat ultrasonic vocalizations

本研究通过比较双侧跨声带肌损伤与假手术组大鼠超声发声（USV）的声学参数，发现损伤组频率复杂性和调频USV显著降低，表明TA肌肉对频率调制至关重要，但基础USV产生不受其完整性绝对限制，为喉肌功能治疗提供新依据。

　　

马里拉·古尔德（Marilla Gould）| 中村良辅（Ryosuke Nakamura）| 杨文清（Wenqing Yang）| 瑞安·C·布兰斯基（Ryan C. Branski）| 亚伦·M·约翰逊（Aaron M. Johnson）

纽约大学格罗斯曼医学院耳鼻喉科、头颈外科

摘要

为了产生大鼠的超声波发声（USVs），需要快速且精确地激活喉部肌肉，尤其是甲状软骨肌（TA）。尽管通过去神经和切除喉部的研究已经确定了TA在USVs产生中的作用，但TA肌肉功能障碍如何影响USVs的声学特性仍不清楚。本研究通过比较接受双侧甲状软骨肌损伤（包括TA肌肉）的大鼠与接受假手术的大鼠之间的声学参数，探讨了医源性声带损伤对USVs产生的影响。20只成年雄性大鼠被随机分配到损伤组或假手术组，并在术后30天和60天进行评估。在每个时间点记录USVs，并分析其主频率、频率复杂性（标准差和波形曲率）、功率（USV的强度）、音调和持续时间的变化。结果显示，损伤显著降低了USVs的频率复杂性，并减少了产生频率调制发声的可能性。这些发现表明，虽然TA肌肉的完整性对频率调制至关重要，但它并不是产生基本USVs所必需的，这为研究针对喉部肌肉功能的治疗干预措施提供了新的见解。

引言

大鼠通过一种由气流通过几乎完全闭合的声带产生的哨声机制来发出超声波发声（USVs）。[1],[2] USVs根据其中心频率进行分类：约22 kHz的USVs是在恐惧或疼痛时产生的，而约50 kHz的USVs则用于同种间的交流，如交配或打闹游戏。[3] 22 kHz的低频发声持续时间较长（可达4000毫秒），频率稳定（变化范围为1至6 kHz）。[4] 相比之下，50 kHz的USVs从持续时间较短（<50毫秒）且频率稳定的声音（带宽<10 kHz）到持续时间较长（>100毫秒）且频率调制快速且广泛（带宽>30 kHz）的声音都有。[5] 人类和大鼠使用类似的神经肌肉机制，通过快速精确地激活甲状软骨肌（TA）和环甲肌（CT）来调节发声频率。[6],[7] 这种同源性表明，大鼠USVs的频率复杂性可以作为间接的、无创的、体内生物标志物，用于检测喉部神经肌肉的功能/功能障碍。[8]

多项实验已经证实了TA肌肉在声带闭合和USVs频率调制中的作用。喉部神经功能的破坏会消除或损害USVs的产生，这证明了声带闭合对USVs的必要性。[9],[10] 使用切除的喉部进行的研究也证实了这一发现，表明喉部收缩是产生体内观察到的高达50 kHz的完整USV频率范围所必需的。[11] 生理体内研究进一步揭示了通过肌电图（EMG）测量的TA肌肉活动与USVs频率调制和声门下压力之间的强相关性。[7] 尽管这些研究确立了TA对USVs产生的重要性，但TA功能障碍对USVs声学特性的影响仍不清楚。

尽管大鼠喉部是研究声带黏膜层损伤和愈合机制的成熟模型，但很少有研究关注肌肉损伤模型。[12],[13],[14] 鉴于TA肌肉在USVs产生中的重要作用，这一文献空白值得关注。本研究探讨了声带的肌肉损伤（包括外层黏膜层和下面的TA肌肉）对USVs声学参数的影响。基于TA肌肉活动与这些声学参数之间的关系，我们假设声带肌肉损伤会损害USVs的频率复杂性。[6],[7]

部分内容摘录

动物

所有涉及大鼠及其护理的程序均得到了纽约大学格罗斯曼医学院机构动物护理和使用委员会的批准。本研究使用了20只成年雄性Long Evans大鼠（3个月大；约350克）。仅选择雄性大鼠是为了减少雌激素激素波动对USVs产生的影响。[15] 大鼠被随机分为两个手术组：假手术组（对照组）和声带肌肉损伤组，并在术后30天和60天进行评估。

结果

在线性混合效应模型中，观察到声带肌肉损伤对频率标准差（SD）和波形曲率有显著的负面影响（表2）。事后成对比较显示，术后30天和60天时，损伤组的频率SD和波形曲率均低于假手术组（表3）。相比之下，假手术组在术后30天的频率复杂性有所增加；术后60天时频率复杂性恢复到基线水平（图3）。

讨论

声带肌肉损伤显著降低了USVs的频率复杂性，表现为频率SD降低、波形曲率降低以及在损伤后30天和60天产生频率调制USVs的可能性降低。这些数据支持了在没有周围或中枢神经系统损伤的情况下，TA肌肉活动在USVs频率调制中的关键生物力学作用。

资助

本研究得到了美国国立卫生研究院（资助编号R01DC020730）的支持。

作者贡献声明

亚伦·M·约翰逊（Aaron M. Johnson）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、资源提供、项目管理、方法学设计、研究实施、资金获取、正式分析、概念构思。 中村良辅（Ryosuke Nakamura）：撰写——审阅与编辑、方法学设计、研究实施。 杨文清（Wenqing Yang）：撰写——审阅与编辑、可视化、正式分析、数据管理。 玛丽拉·古尔德（Marilla Gould）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、资源提供、项目管理。

关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本论文的过程中，作者使用了NYU AI Studio（模型GPT4o）来编辑手稿。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

感谢Michele Santacatterina博士在统计学方面的指导。