$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
W tym badaniu przeprowadziliśmy szczegółową analizę wzorców oddechowych dotyczących kaszlu i kichania myszy, wykorzystując techniki pletyzmografii całego ciała (WBP) oraz rejestracji USG. Wyniki wykazały, że myszy poddane operacji tchawicy lub nosa wykazują porównywalną reakcję na kaszel i kichnięcie do osób kontrolnych z naiwnymi grupami kontrolnymi. Jednak kapsaicyna (chemiczna) i stymulacja mechaniczna skutecznie wywołują odruchy kaszlu i kichania u tych chirurgicznie przygotowanych zwierząt (rysunek 2A,B). Wyniki WBP wykazały, że oba zachowania wykazywały wzorce pojedynczych i podwójnych szczytów, a ich sygnały dźwiękowe pojawiały się podczas fazy wydalania wzorca oddechowego (Rysunek 3A,C,E,G). Dalsza analiza ultrasonograficzna wykazała wyraźne profile akustyczne: dźwięki kaszlu pojawiały się nagle, a szczytowa intensywność występowała natychmiast, głównie w zakresie częstotliwości 0-30 kHz, i krótsza (Rysunek 3B,D; Wideo wspierające S1). Dźwięki kichania wykazały stopniowe narastanie intensywności do maksymalnej amplitudy, szerokopasmowy rozkład częstotliwości (0-80 kHz) oraz wydłużony czas trwania (Rysunek 3F,H; Wspierający film S2). Analiza statystyczna wykazała, że średnia faza kompresji zachowania kaszlowego na poziomie pojedynczego szczytu wynosiła 32,39 ± 0,73 ms, co jest istotnie krótszą liczbą niż zachowanie kaszlu podwójnego szczytu – 53,17 ± 2,29 ms (rysunek 4A,B,C). Średnia faza kompresji zachowań kichania na poziomie pojedynczego szczytu wynosiła 44,03 ± 1,84 ms, co jest niższe niż średnia wartość zachowania kaszlu z podwójnym szczytem, podczas gdy średnia faza kompresji zachowania kichania na podwójnym szczycie wynosiła 74,24 ± 1,29 ms, co jest znacząco dłuższe niż zachowanie kichania na pojedynczym szczycie (Rysunek 4E,F,G). Dodatkowo, wskaźnik występowania wzorca pojedynczego szczytu w zachowaniach kaszlowych wynosił 77,55 ± 2,10% (rysunek 4D), podczas gdy w zachowaniach kichających wzorzec pojedynczego szczytu odpowiadał tylko za 32,42 ± 5,88%, a wzorzec podwójnego szczytu 67,58 ± 5,88% (Rysunek 4H). Analiza statystyczna długości dźwięku wykazała istotne różnice między czasami kaszlu i kichania, jednak występowało znaczne nakładanie się między tymi dwoma (Rysunek 5A). Na podstawie analizy spektralnej dźwięku ultradźwiękowego kaszlu i kichania stwierdziliśmy, że spektrum częstotliwości dźwięku kaszlu koncentrowało się głównie w zakresie 0-30 kHz, podczas gdy dźwięk kichania miał wyższy udział w zakresie 0-60 kHz (Rysunek 5B). Chociaż dźwięk kaszlących również miał częstotliwości w zakresie 30-120 kHz, udział niskich częstotliwości zawsze był wyższy niż wysokich. Dlatego użyliśmy nachylenia intensywności dźwięku od punktu początkowego do maksymalnego (rysunek 5C) jako współrzędną pionową oraz stosunku energii od 30-60 kHz do 0-30 kHz (rysunek 5D) jako współrzędnej poziomej, aby ustanowić układ współrzędnych, który skutecznie rozróżniał dźwięk kaszlu i kichania. Ponadto nie zaobserwowano istotnych różnic między kaszlem pojedynczym i podwójnym szczytem oraz kichaniem pojedynczym i podwójnym szczytem w tym układzie współrzędnych (Rysunek 5E).
Następnie zastosowaliśmy wspomniane metody klasyfikacji do kategoryzowania zachowań związanych z kaszlem i kichaniem wywołanych nebulizacją kapsaicyny u myszy. Stwierdziliśmy, że zachowania kaszlu i kichania wywołane nebulizacją kapsaicyną pokrywają się z tymi wywołanymi przez specyficzną stymulację na tych samych pozycjach współrzędnych (rysunek 5F,G). Po przecięciu nerwów czuciowych nosa (nerwy przednie i podoczodołowe) nebulizacja kapsaicyny znacząco zmniejszyła sygnały akustyczne związane z kichnięciem, podczas gdy profile dźwiękowe związane z kaszlem pozostały niezmienione (Rysunek 5H,I).

Rysunek 1: Schematyczny diagram operacji w modelu stymulowanej tchawicy i jamy nosowej. (A) Schematyczne przedstawienie cewnika wszczepionego do tchawicy. (B) Płaszczyzna czołowa (lewa) i koronalna (prawa) pokazują położenie cewnika wszczepionego w tchawicę myszy. (C) Płaszczyzna strzałkowa pokazuje położenie wszczepienia cewnika w jamie nosowej oraz pozycję stymulacji włóknem włókniennym. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Rysunek 2: Ilościowa analiza zachowań podobnych do kaszlu i kichania wywołanych przez stymulację specyficzną dla konkretnego miejsca. (A) Kwantyfikacja kichania dla grupy kontrolnej normalnej, pozorowanej i grupy stymulującej nos mechanicznie. Grupa pozorowana wykazywała porównywalną częstotliwość kichania do kontroli. Mechaniczna stymulacja nosa powodowała znaczny wzrost liczby zdarzeń kichania. (B) Ilościowa ilościowa grupa kontrolna z powodu kaszlu w normalnej fazie kontrolnej, grupy pozorowanej oraz grupy wyzwaniowej tchawicy kapsaicynowej. Grupa pozorowana nie wykazała istotnej różnicy w częstotliwości kaszlu w porównaniu z grupą kontrolną. Stymulacja tchawicy kapsaicyną znacząco zwiększyła liczbę kaszlu. Dane przedstawiane są jako średnia ± SEM, ***P < 0,001, ****P < 0,0001. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Rysunek 3: Ślady oddechowe i oscylogram dźwiękowy kaszlu i kichania. (A) Reprezentatywne obrazy pokazujące pojedynczy szczyt śladu oddechowego oraz nagranie audio podczas kaszlu wywołanego kapsaicyną. (B) Oscylogram dźwiękowy (u góry) i spektrogram (na dole) nagrania audio kaszlu w A. (C) Reprezentatywne obrazy pokazujące podwójne piki, ślad oddechowy oraz nagrania audio podczas kaszlu wywołanego kapsaicyną. (D) Oscylogram dźwiękowy (u góry) i spektrogram (na dole) nagrania audio kaszlu w języku C. (E) Reprezentatywne obrazy pokazujące pojedynczy szczyt śladu oddechowego oraz nagranie audio podczas kichania wywołanego stymulacją mechaniczną. (F) Oscylogram dźwiękowy (u góry) i spektrogram (na dole) nagrania dźwiękowego kichnięcia w E. (G) Reprezentatywne obrazy pokazujące podwójne szczyty, ślad oddechowy oraz nagranie audio podczas kichania wywołanego stymulacją mechaniczną. (H) Oscylogram dźwiękowy (u góry) i spektrogram (na dole) nagrania dźwiękowego kichania w G. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Rysunek 4: Pojedyncze i podwójne szczyty śladów oddechowych zachowań podobnych do kaszlu i kichania. (A) Średnie (czerwone) i indywidualne (szare) i średnie (czerwone) ślady oddechowe zachowań podobnych do kaszlu z pojedynczym szczytem oddechowym (n = 52). (B) Średnie (czerwone) i indywidualne (szare) oraz średnie (czerwone) ślady zachowań kaszlu z podwójnymi szczytami oddechowymi (n = 29). (C) Czas trwania pojedynczych i podwójnych szczytów oddechowych – fazy kompresyjne dla kaszlu wywołanego kapsaicyną (pojedynczy szczyt n = 52, podwójne piki n = 29). (D) Średni stosunek pojedynczych i podwójnych szczytów oddechowych w kaszlu (n = 6 myszy). (E) Średnie (czerwone) i indywidualne (szare) oraz średnie (czerwone) ślady zachowań oddechowych przypominające kichanie z pojedynczymi szczytami oddechowymi (n = 40). (F) Średnie (czerwone) i indywidualne (szare) oraz średnie (czerwone) ślady zachowań przypominających kichanie z podwójnymi szczytami oddechowymi (n = 74). (G) Czas trwania pojedynczych i podwójnych pików oddechowych – fazy kompresyjne dla kichania wywołanego stymulacją mechaniczną (pojedynczy szczyt n = 40, podwójne piki n = 74). (H) Średni stosunek szczytowych śladów pojedynczego i podwójnego oddechu w kichaniu (n = 6 myszy). Dane są reprezentowane jako średnia ± SEM, ****P < 0,0001. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Rysunek 5: Klasyfikacja częstotliwości i przebiegów fal oscylogramu dźwiękowego kaszlu i kichania. (A) Ilościowa charakterystyka długości kaszlu i kichania na sonogramie. (B) Średnia analiza spektrogramu kichnięć wywołanych stymulacją mechaniczną (n = 69,) oraz kaszlu wywołanego kapsaicyną (n = 140, czerwony). (C) Reprezentatywny schemat do obliczania nachylenia oscylogramu dźwiękowego. Analiza porównawcza wygładzania spline pokazuje, że przy 25 punktach nadmierne wygładzanie zasłania oryginalne cechy danych, podczas gdy wartości przekraczające 50 punktów (np. 75 punktów) wykazują znaczne nakładanie się z krzywą 50-spline, ale wprowadzają dodatkowe punkty zwrotne. (D) Reprezentatywny schematyczny diagram obliczania stosunku powierzchni, wykorzystujący wyniki analizy spektralnej do obliczenia powierzchni pod różnymi krzywymi częstotliwości w GraphPad Prism. Stosunek powierzchni jest równy powierzchni pod krzywą 30-60 kHz oraz powierzchni pod krzywą 0-30 kHz. (E) Klasyfikacja częstotliwości i przebiegów fal mechanicznie wywołanych kichnięciami oraz kaszlu wywołanych kapsaicyną brzmi oscylogram, gdzie oś y reprezentuje wykładnik nachylenia fali dźwiękowej od wartości bazowej do szczytu, a oś x jako wykładnik stosunku fal dźwiękowych w zakresie 30-60 kHz do 0-30 kHz. (F) Średnia analiza spektrogramu kichnięć wywołanych nebulizacją kapsaicyną (n = 36,) oraz kaszlu wywołanych nebulizacją kapsaicyną (n = 42, czerwony). (G) Klasyfikacja częstotliwości i przebiegu fal kichnięć wywołanych nebulizacją kapsaicyną (n = 36,) oraz kaszlu wywołanego nebulizacją kapsaicyną (n = 42, czerwony) oscylogram dźwiękowy, gdzie oś y reprezentuje wykładnik nachylenia fali dźwiękowej od linii bazowej do szczytu, a oś x jako wykładnik stosunku fal dźwiękowych między 30-60 kHz a 0-30 kHz. (H) Dane statystyczne dotyczące odruchu kichania wywołanego kapsaicyną w grupach z przeciętymi nerwami przednimi i podoczodołowymi w porównaniu do grupy poddawanej operacji chirurgicznej. (I) Dane statystyczne dotyczące odruchu kaszlu wywołanego kapsaicyną w grupach z przecięciami nerwów przednich i podoczodołowych w porównaniu do grupy poddawającej operację pozorowaną. Dane są reprezentowane jako średnia ± SEM, **P < 0,01, ****P < 0,0001. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.
Wideo uzupełniające 1: Wideo z zachowaniem przypominającym kaszel zsynchronizowane ze spektrogramem audio, wyświetlane z normalną prędkością i prędkością 0,1x. Proszę kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.
Wideo uzupełniające 2: Nagranie zachowania przypominającego kichanie, zsynchronizowane ze spektrogramem audio, wyświetlane z normalną prędkością i prędkością 0,1x. Proszę kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.