Нейробиологи выясняют, как ритм дыхания влияет на все, от познания до эмоций.
Если вам посчастливится дожить до 80 лет, вы за свою жизнь сделаете до миллиарда вдохов, вдыхая и выдыхая достаточно воздуха, чтобы заполнить примерно 50 дирижаблей Goodyear или больше. Мы делаем около 20 000 вдохов в день, всасывая кислород для питания наших клеток и тканей и избавляя организм от углекислого газа, который накапливается в результате клеточного метаболизма. Дыхание настолько важно для жизни, что люди обычно умирают в течение нескольких минут, если оно останавливается.
Это поведение настолько автоматическое, что мы склонны принимать его как должное. Но дыхание — это физиологическое чудо — одновременно чрезвычайно надежное и невероятно гибкое. Частота нашего дыхания может измениться почти мгновенно в ответ на стресс или возбуждение и даже до увеличения физической активности. А дыхание настолько органично скоординировано с другими видами поведения, такими как прием пищи, разговор, смех и вздохи, что вы, возможно, даже не заметили, как ваше дыхание меняется, чтобы приспособиться к ним. Дыхание также может влиять на ваше состояние ума, о чем свидетельствуют практики контролируемого дыхания в йоге и других древних медитативных традициях.
В последние годы исследователи начали разгадывать некоторые из основных нейронных механизмов дыхания и его многочисленных влияний на тело и разум. В конце 1980-х нейробиологи определили сеть нейронов в стволе мозга, которая задает ритм дыхания. Это открытие стало трамплином для изучения того, как мозг интегрирует дыхание с другими видами поведения. В то же время исследователи находят доказательства того, что дыхание может влиять на активность во многих областях мозга, включая те, которые играют важную роль в эмоциях и познании.
«Дыхание имеет множество функций», — говорит Джек Л. Фельдман, нейробиолог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и соавтор недавней статьи о взаимодействии дыхания и эмоций в Annual Review of Neuroscience . «Это очень сложно, потому что мы постоянно меняем нашу осанку и наш метаболизм, и это должно быть скоординировано со всеми остальными видами поведения».
Каждое дыхание - симфония легких, мышц, мозга
Каждый раз, когда вы вдыхаете, ваши легкие наполняются воздухом, богатым кислородом, который затем диффундирует в кровоток и распределяется по всему телу. Типичная пара легких человека содержит около 500 миллионов крошечных мешочков, называемых альвеолами, в стенках которых газы проходят между дыхательными путями и кровотоком. Общая площадь этого интерфейса составляет около 750 квадратных футов — немного больше площади типичной однокомнатной квартиры в Сан-Франциско и немного меньше площади площадки для игры в ракетбол.
«Замечательная особенность млекопитающих, в том числе людей, заключается в том, что наша грудная клетка имеет огромную площадь поверхности», — говорит Фельдман. Чем больше площадь поверхности, тем больше газообмена в секунду.
Но легкие не могут сделать это в одиночку. По сути, это вялые мешочки из ткани. «Чтобы это сработало, легкие должны накачиваться, как мехи», — говорит Фельдман. И они есть — с каждым вдохом мышца диафрагмы на дне грудной клетки сокращается, опускаясь примерно на полдюйма. В то же время межреберные мышцы между ребрами двигают грудную клетку вверх и наружу — все это расширяет легкие и втягивает воздух. (Если вас когда-нибудь сбивал с ног удар в живот, вы знаете все о диафрагме; и если вы ели жареные ребрышки, вы сталкивались с межреберными мышцами.)
В покое эти мышцы сокращаются только во время вдоха. Выдох происходит пассивно, когда мышцы расслабляются, а легкие сдуваются. Во время упражнений различные группы мышц сокращаются, чтобы активно вытеснять воздух и ускорять дыхание.
Дыхание требует скоординированных движений диафрагмы и межреберных мышц. Когда эти мышцы сокращаются, воздух втягивается в легкие, где сотни миллионов крошечных альвеол образуют поверхность, на которой кислород может диффундировать в кровь, а углекислый газ — наружу. С каждым выдохом эти мышцы расслабляются, и воздух выталкивается обратно. Репортаж Г. Миллера / Knowable Magazine
В отличие от сердечной мышцы, у которой есть клетки-водители ритма, задающие ритм, мышцы, контролирующие дыхание, получают приказы от мозга. Учитывая жизненно важное значение этих сигналов мозга, потребовалось на удивление много времени, чтобы отследить их. Одним из первых, кто задумался об их происхождении, был Гален, греческий врач, который заметил, что гладиаторы, чьи шеи были сломаны выше определенного уровня, не могли нормально дышать. Более поздние эксперименты указали на ствол мозга, и в 1930-х годах британский физиолог Эдгар Адриан продемонстрировал, что рассеченный ствол мозга золотой рыбки продолжает производить ритмическую электрическую активность, которую он считал сигналом, генерирующим паттерн, лежащим в основе дыхания.
Но точное местонахождение генератора дыхательных паттернов в стволе мозга оставалось неизвестным до конца 1980-х годов, когда Фельдман и его коллеги сузили его до сети примерно из 3000 нейронов в стволе мозга грызунов (у людей он содержит около 10 000 нейронов). Теперь он называется комплексом преБетцингера (preBötC). Нейроны там спонтанно демонстрируют ритмичные всплески электрической активности, которые, передаваясь через промежуточные нейроны, направляют мышцы, контролирующие дыхание.
На протяжении многих лет некоторые люди предполагали, что Бётцингер, должно быть, был известным анатомом, говорит Фельдман, возможно, немцем или австрийцем. Но на самом деле это имя внезапно пришло ему в голову во время обеда на научной конференции, где он подозревал, что коллега неуместно собирается заявить об открытии для себя. Фельдман чокнулся, чтобы произнести тост, и предложил назвать область мозга в честь подаваемого вина, происходящего из района Бетцингена, Германия. Возможно, смазанные упомянутым вином, остальные согласились, и название прижилось. «Ученые такие же странные, как и все остальные, — говорит Фельдман. «Мы получаем удовольствие, делая такие вещи».
Выявление задатчиков ритма дыхания
Большая часть последующих исследований Фельдмана была сосредоточена на понимании того, как именно нейроны в preBötC генерируют ритм дыхания. Эта работа также заложила основу для его и других лабораторий для изучения того, как мозг управляет взаимодействием между дыханием и другими видами поведения, которые требуют изменений в дыхании.
Вздохи — один из интересных примеров. Долгий, глубокий вдох может выражать многое: печаль, облегчение, покорность, тоску, истощение. Но мы, люди, не единственные, кто вздыхает — считается, что все млекопитающие вздыхают — и это может быть потому, что вздох имеет важную биологическую функцию в дополнение к своим выразительным качествам. Люди вздыхают каждые несколько минут, и каждый вздох начинается со вдоха, который поглощает примерно в два раза больше воздуха, чем обычный вдох. Ученые подозревают, что это помогает раскрыть коллапсированные альвеолы, крошечные камеры в легких, где происходит газообмен, так же, как дуновение в латексную перчатку раскрывает пальцы. Несколько доказательств подтверждают эту идею: например, было показано, что больничные вентиляторы, запрограммированные на периодическое вздыхание, улучшают функцию легких и поддерживают уровень кислорода в крови пациентов.
В исследовании, опубликованном в 2016 году в журнале Nature , Фельдман и его коллеги определили четыре небольшие популяции нейронов, которые, по-видимому, отвечают за вздохи у грызунов. Две из этих групп нейронов находятся в области ствола мозга рядом с preBötC и посылают сигналы двум другим группам, которые находятся внутри preBötC. Когда исследователи убили эти нейроны preBötC высокоселективным токсином, крысы перестали вздыхать, но их дыхание оставалось сильным. С другой стороны, когда ученые вводили нейропептиды, активирующие нейроны, крысы вздыхали в 10 раз чаще. По сути, заключают исследователи, эти четыре группы нейронов образуют цепь, которая сообщает preBötC прервать свою обычную программу обычных вдохов и сделать более глубокий вдох.
PreBötC также играет роль в координации других действий с дыханием. Один из сотрудников Фельдмана, нейробиолог Кевин Якл, и его коллеги недавно использовали мышей для исследования взаимодействий между дыханием и вокализацией. Будучи отделенными от своего гнезда, новорожденные мыши издают ультразвуковые крики, слишком высокие для людей. Как правило, в одном дыхании через равные промежутки времени раздается несколько криков, мало чем отличающихся от слогов человеческой речи, говорит Якл, который сейчас работает в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. «У вас есть этот более медленный ритм дыхания, а затем, вложенный в него, у вас есть этот более быстрый ритм вокализации», — говорит он.
Чтобы понять, как это работает, исследователи двинулись назад от гортани, части горла, участвующей в воспроизведении звука. Они использовали анатомические индикаторы, чтобы идентифицировать нейроны, которые контролируют гортань, и следуют их соединениям обратно к скоплению клеток в стволе мозга, в области, которую они назвали промежуточным ретикулярным осциллятором (iRO). Используя различные методы, исследователи обнаружили, что уничтожение или торможение нейронов iRO лишает их способности издавать крик, а их стимуляция увеличивает количество криков на вдохе.
Когда исследователи вырезали срезы мозговой ткани с нейронами iRO, клетки продолжали активироваться в обычном порядке. «Эти нейроны производят ритм, который точно такой же, как крики у животных, где он быстрее, чем ритм дыхания до BötC, но встроен в него», — говорит Якл.
Дыхание, по-видимому, оказывает далеко идущее влияние на мозг, в том числе на области, играющие роль в познании и эмоциях, такие как гиппокамп, миндалевидное тело и префронтальная кора. Эти эффекты могут возникать из-за сигналов, генерируемых дыхательным центром ствола мозга, preBötC; от сенсорных входов через блуждающий нерв или обонятельную систему; или в ответ на уровни кислорода (O2) и углекислого газа (CO2) в крови. Адаптировано из S. Ashhad et al. / AR Neuroscience 2022 / Журнал Knowable
Дополнительные эксперименты показали, что нейроны iRO помогают интегрировать вокализацию с дыханием, приказывая preBötC делать крошечные вдохи, которые прерывают выдох, позволяя серии коротких криков аккуратно вписываться в один выдох. То есть ритмичный плач производится не серией выдохов, а одним продолжительным выдохом с несколькими паузами.
Выводы, опубликованные ранее в этом году в журнале Neuron , могут иметь значение для понимания человеческого языка . Якл говорит, что количество слогов в секунду находится в относительно узком диапазоне для всех человеческих языков. Возможно, предполагает он, это связано с ограничениями, налагаемыми необходимостью координировать вокализацию с дыханием.
Установка темпа в мозгу
Недавние исследования показали, что дыхание может влиять на результаты людей в удивительно широком диапазоне лабораторных тестов. То, что кто-то находится в цикле вдоха и выдоха, может влиять на такие разные способности, как обнаружение слабого прикосновения и различение трехмерных объектов. Одно исследование показало, что люди, как правило, вдыхают непосредственно перед когнитивной задачей, и это способствует повышению производительности. Некоторые обнаружили, что такие эффекты возникают только при дыхании через нос; дыхания ртом нет.
Одна из возникающих идей о том, как это может работать, фокусируется на хорошо задокументированных ритмических колебаниях электрической активности мозга. Эти волны, часто измеряемые электродами на голове, улавливают кумулятивную активность тысяч нейронов, и на протяжении десятилетий некоторые нейробиологи утверждали, что они отражают связь между отдаленными областями мозга, которая может лежать в основе важных аспектов познания. Это может быть, например, то, как мозг интегрирует сенсорную информацию, обрабатываемую отдельно в слуховой и зрительной частях мозга, чтобы создать то, что мы воспринимаем как цельное восприятие звуков и образов сцены. Некоторые ученые даже предположили, что такая синхронизированная деятельность может лежать в основе самого сознания (само собой разумеется, это было трудно доказать).
Все больше данных свидетельствует о том, что дыхание может задавать темп для некоторых из этих колебаний. В экспериментах с грызунами несколько исследовательских групп обнаружили, что ритм дыхания влияет на волны активности в гиппокампе, области, важной для обучения и памяти . Во время бодрствования коллективная электрическая активность нейронов гиппокампа повышается и падает с постоянной скоростью — обычно от шести до десяти раз в секунду. Этот так называемый тета-ритм встречается у всех изученных животных, включая человека.
В исследовании 2016 года нейробиолог Адриано Торт из Федерального университета Риу-Гранди-ду-Норти в Бразилии и его коллеги решили изучить тета-колебания, но заметили, что их электроды также улавливают другой ритм, более медленный, с примерно тремя пиками в секунду, примерно такой же, как частота дыхания покоящейся мыши. Сначала они беспокоились, что это артефакт, говорит Торт, возможно, вызванный нестабильным электродом или движениями животного. Но дополнительные эксперименты убедили их в том, что ритмическая активность не только реальна и синхронизирована с дыханием, но и действует как метроном, задавая темп более быстрым тета-колебаниям в гиппокампе.
