Forebrain projection neurons target functionally diverse respiratory control areas in the midbrain, pons, and medulla oblongata

前脑 神经科学 脑干 延髓 中脑 桥 导水管周围灰质 嗅 中缝大核 生物 解剖 中枢神经系统 血清素 生物化学 受体 5-羟色胺能
作者
Pedro Trevizan‐Baú,Rishi R. Dhingra,Werner I. Furuya,Davor Stanić,Stuart B. Mazzone,Mathias Dutschmann
出处
期刊:Journal of comparative neurology [Wiley]
卷期号:529 (9): 2243-2264 被引量:26
标识
DOI:10.1002/cne.25091
摘要

Abstract Eupnea is generated by neural circuits located in the ponto‐medullary brainstem, but can be modulated by higher brain inputs which contribute to volitional control of breathing and the expression of orofacial behaviors, such as vocalization, sniffing, coughing, and swallowing. Surprisingly, the anatomical organization of descending inputs that connect the forebrain with the brainstem respiratory network remains poorly defined. We hypothesized that descending forebrain projections target multiple distributed respiratory control nuclei across the neuroaxis. To test our hypothesis, we made discrete unilateral microinjections of the retrograde tracer cholera toxin subunit B in the midbrain periaqueductal gray (PAG), the pontine Kölliker‐Fuse nucleus (KFn), the medullary Bötzinger complex (BötC), pre‐BötC, or caudal midline raphé nuclei. We quantified the regional distribution of retrogradely labeled neurons in the forebrain 12–14 days postinjection. Overall, our data reveal that descending inputs from cortical areas predominantly target the PAG and KFn. Differential forebrain regions innervating the PAG (prefrontal, cingulate cortices, and lateral septum) and KFn (rhinal, piriform, and somatosensory cortices) imply that volitional motor commands for vocalization are specifically relayed via the PAG, while the KFn may receive commands to coordinate breathing with other orofacial behaviors (e.g., sniffing, swallowing). Additionally, we observed that the limbic or autonomic (interoceptive) systems are connected to broadly distributed downstream bulbar respiratory networks. Collectively, these data provide a neural substrate to explain how volitional, state‐dependent, and emotional modulation of breathing is regulated by the forebrain.

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