Дыхание и мозг: как стрессы крысы заставляют дышать быстро

Недавнее исследование, опубликованное в Журнале нейронауки, обнаружило связь между дыхательными паттернами и активностью мозга в состоянии тревоги. Ученые выяснили, что крысы, проявляющие поведение, схожее с тревожным, в известном эксперименте дышали быстрее, и это изменение в дыхании влияло на ритмы мозга в ключевой области лобной коры. Исследование подчеркивает, как изменения в дыхании активно формируют работу мозга во время эмоциональных переживаний.
Ученые давно заметили, что тревога может вызывать физические изменения в организме, включая изменения дыхания. Предыдущие исследования показали, что дыхание влияет на активность мозга, особенно в областях, связанных с обонянием, а также в передней части мозга. Эта связь между дыханием и функцией мозга особенно хорошо задокументирована в контексте страха, где медленное и ровное дыхание часто связано с поведением «замереть на месте» у грызунов. Однако оставалось неясным, играет ли дыхание аналогичную роль в других негативных эмоциональных состояниях, таких как тревога, которая, как правило, сопровождается быстрым дыханием.

Чтобы выяснить это, исследователи попытались понять, как дыхание влияет на активность мозга в ситуациях, вызывающих тревогу. Они использовали широко принятый метод для изучения тревоги у грызунов, известный как «поднятое плюс-лабиринт». Этот лабиринт имеет форму знака плюс и состоит из двух закрытых и двух открытых «рукавов». Крысы, естественно, предпочитают безопасные закрытые пространства, и время, проведенное в открытых «рукавах», считается признаком тревожного поведения.

Во время эксперимента ученые поместили крыс в поднятое плюс-лабиринт и позволили им свободно исследовать его в течение десяти минут. В то же время они зарегистрировали два ключевых типа данных: дыхательные паттерны крыс и электрическую активность в двух областях мозга — обонятельном луке, который участвует в восприятии запахов и передает сигналы, связанные с дыханием, и медиальной префронтальной коре, области мозга, отвечающей за регуляцию эмоций и принятие решений.

Чтобы измерить дыхание, исследователи ввели небольшую изогнутую трубку в носовую полость, которая была подключена к датчику давления, способному регистрировать поток воздуха при каждом вдохе. Для фиксации активности мозга они хирургически имплантировали крошечные электроды в обонятельный лук и префронтальную кору, чтобы измерять электрические сигналы, генерируемые нейронами. Крыс также снимали с высоты, чтобы отслеживать их перемещения и определять, находятся ли они в открытых «рукавах», закрытых «рукавах» или в центральной части лабиринта.

Проанализировав данные, ученые обнаружили несколько поразительных паттернов. Во-первых, они заметили, что частота дыхания крыс варьировала в зависимости от того, где они находились в лабиринте. Когда животные находились в закрытых «рукавах» (более безопасные, закрытые секции), их дыхание было относительно медленным, обычно в диапазоне от 0.5 до 4 вдохов в секунду (герц). В то же время, когда они исследовали открытые «рукава» или центральную платформу, их дыхание ускорилось до 5–10 герц.

Хотя быстрое дыхание может быть связано с повышением физической активности, команда показала, что даже когда крысы двигались с аналогичными скоростями, они все равно дышали быстрее в открытых зонах. Это указывает на то, что изменения в дыхании были связаны с эмоциональным состоянием, а не только с физической активностью.

Далее команда исследовала электрические сигналы, записанные из мозга. Они обнаружили, что как обонятельный лук, так и префронтальная кора демонстрировали волны активности мозга, которые были тесно синхронизированы с ритмом дыхания животных. Эти паттерны, известные как осцилляции, связанных с дыханием, происходили с той же частотой, что и дыхание крыс и изменялись в зависимости от того, дышали ли крысы медленно или быстро. Это показало, что мозг не только отслеживает процесс дыхания, но и отражает его ритм в текущей электрической активности.

Что более существено, эти волны мозга, связанные с дыханием, были сильнее, когда крысы находились в открытых «рукавах» и проявляли тревожное поведение. Синхронизация между дыханием и активностью мозга становилась более яркой в период быстрого дыхания, что говорит о том, что влияние дыхания на мозг усиливается в состоянии тревоги.

Чтобы подтвердить, что воздушный поток через нос был причиной этих ритмов мозга, а не наоборот, исследователи использовали статистический метод, известный как причинность Грейнджера. Их анализ показал, что ритм дыхания предсказывал временные параметры активности мозга, что указывает на то, что сенсорный импульс от самого дыхания формирует нейронную активность как в обонятельном луке, так и в префронтальной коре.

В исследовании также рассмотрено, как дыхание влияет на определенный тип быстрых мозговых волн, известных как гамма-осцилляции, связанных с вниманием, рабочей памятью и обработкой сенсорной информации. Ученые обнаружили, что ритм каждого дыхательного цикла модулировал силу гамма-активности в префронтальной коре.

Важно, что этот эффект варьировался в зависимости от эмоционального состояния крыс. Когда крысы находились в закрытых «рукавах», дыша более медленно, гамма-активность вокруг 85 герц поддавалась воздействию медленного дыхательного ритма. Но во время тревожных периодов в открытых «рукавах» более быстрое дыхание модулировало чуть более высокую частоту гамма-ритма, около 100 герц. Это говорит о том, что дыхание влияет не только на скорость активности мозга, но может также изменять виды гамма-волн в эмоционально значимых областях мозга, потенциально влияя на то, как информация обрабатывается в состоянии стресса.

Исследователи отметили несколько ограничений в своей работе. Поскольку исследование проводилось на крысах, пока непонятно, применимы ли те же паттерны к человеческому мозгу. Записи ограничивались обонятельным луком и префронтальной корой, поэтому в будущем исследовании стоит изучить, показывают ли другие области мозга, участвующие в эмоциях, такие как миндалевидное тело или гиппокамп, аналогичную активность, связанную с дыханием.

Кроме того, хотя исследование демонстрирует сильную связь между дыханием и ритмами мозга во время тревоги, оно не объясняет полностью, как дыхание влияет на активность отдельных клеток мозга. Дальнейшие исследования необходимы, чтобы раскрыть точные пути, с помощью которых дыхание влияет на эмоциональное поведение.

Тем не менее, полученные результаты добавляют в растущий массив исследований, показывающих, что ритмы дыхания тесно связаны с функцией мозга, особенно в областях, отвечающих за эмоции и принятие решений. Они также подчеркивают важность самого воздушного потока через нос в этом процессе, поскольку мозг, похоже, реагирует на физическое ощущение дыхания через нос. Хотя эти эксперименты проводились на крысах, они имеют важные последствия для понимания тревоги у людей.

Терапия, основанная на дыхании, такая как техники медленного дыхания или практики внимательности, уже известны своим эффектом уменьшения тревоги у людей. Это исследование предоставляет биологическое объяснение того, почему эти техники могут быть эффективны: изменение дыхательных паттернов может напрямую влиять на нейронные цепи, участвующие в обработке эмоций.

Исследование «Дыхание модулирует сетевую активность в лобных областях мозга во время тревоги» было написано: Ана Л. А. Диас, Дави Дризкенс, Джозеф А. Бело, Элис Х. Дуарте, Диего А. Лаплагне и Адриано Б. Л. Торт.