本文来自微信公众号：nextquestion （ID：gh_2414d982daee），作者：Greg Miller，翻译：Xinyue，责编：yunke，题图来自：视觉中国
人类一天要呼吸约20000次。如果有幸能活到80岁，一生会呼吸10亿多次，产生的气体足以装满 50 多个巨型飞艇。
呼吸是如此自主的行为，以至于我们会觉得它是太自然而然的事。但它又是如此可靠和灵活，可谓是被人类忽略的生理学奇迹。压力、刺激，或仅仅是活动量的增加，都能让呼吸的状态在瞬息改变。呼吸悄无声息地渗透进每一个人类行为中——进食、说话、笑和叹气，以至于我们从未意识到为了与这些行为配合协调，它在做着怎样的变化。
“呼吸有很多作用”，来自加州大学洛杉矶分校的神经科学家Jack L. Feldman说道。作为研究者之一，他在2022年3月在Annual Review of Neuroscience上发表了一篇关于呼吸和情绪之间相互作用的研究。[1] “我们在不断地改变行为和新陈代谢，而呼吸必须与所有这些行为相协调，这也使研究变得十分复杂。”
是什么控制着我们的呼吸？
心肌有起搏细胞，因此能在一定程度上自主调节心律。与心肌不同，控制呼吸的肌肉需要接受大脑的指令才能正常运转，这些大脑指令对维持生命具有重要作用。由此，近百年来，研究者们前仆后继地投入到呼吸节律信号的追踪当中，探索究竟是什么在控制呼吸。
希腊医生Galen是最早的答案贡献者之一，他注意到当角斗士的脖子被损伤超过一定程度后就无法正常呼吸，后来的实验证明这是由于脑干受损造成的。20世纪30年代，英国生理学家 Edgar Adrian 发现解剖后的金鱼脑干仍能够持续产生有节奏的电活动，他认为这便是呼吸的控制信号。
至此，脑干呼吸模式所产生电位源于何处仍未可知。直到 20 世纪 80 年代末，Feldman 和他的同事将产生电位的源头锁定到啮齿动物脑干中约 3000 个神经元的网络上（人类脑干中约有 10，000个神经元），也就是如今被称为preBötzinger综合体（preBötC）的部位。此处的神经元能够自发地表现出有节奏的电活动，通过中间神经元传递，从而实现对呼吸肌肉的指挥和控制。
在“preBötzinger”名字的背后，还有一个有趣的典故。据Feldman介绍，很多年以来，不少人以为“Bötzinger”是一位来自德国或奥地利的著名解剖学家，但事实上，这个名字来源于他在一次科学会议晚宴上的突发奇想。
当时Feldman怀疑有一位同事欲将他们的共同研究成果据为己有，并以自己的名字命名，于是他碰杯提议干杯，并建议以杯中酒的名字来命名大脑区域。当时大家杯中的酒刚好来自德国 Bötzingen。也许是因为其他人都折服于这种酒的醇香中，于是纷纷表示赞同，这个名字也就流传了下来。
感到压力时，我们为什么会叹气？
Feldman随后的大部分研究都在探索preBötC 中的神经元是如何产生呼吸节律的。其中，叹气就是一个很好的例子。悲伤、解脱、顺从、向往、疲惫——一次意味深长的呼吸可以表达出很多微妙的情绪，达到此时无声胜有声的效果。叹气也并非人类的特权，而是所有哺乳动物的共有功能，这可能是因为除了可以表达情绪，它还有着十分重要的生物学功能。
人类每隔几分钟就会叹气一次，每次叹气吸入的空气量可以达到正常呼吸时的两倍。这就和向乳胶手套里吹气、使用呼吸机让患者进行被动的周期性吸气和呼气一样，科学家猜测叹气有助于打开塌瘪的肺泡，从而改善肺功能，维持血氧水平。也就是说，叹气是大脑为了确保我们获取足够血氧而设定的生理机制。
2016年，Feldman和同事在一项发表在Nature杂志上的研究中发现了啮齿动物大脑内的四组可能负责促发叹气的神经元群。其中两组神经元分布在前脑干区附近，向另外两组神经元发送信号，负责接收信号的两组神经元位于preBötC内。
当研究人员用一种高选择性的毒素杀死这些reBötC神经元时，大鼠就停止了叹气，但它们的呼吸仍然保持较高水平。而当研究者们注射了能激活这些神经元的神经肽，大鼠叹气的频率竟然提高了至少10倍。研究人员称，这四组神经元实际上形成了一个环路，能够向正在正常频率呼吸的preBötC传递中断的信号，并发出进行更深的呼吸的指令。
除了叹气外，preBötC 也有着协调呼吸与其他行为的作用。上述研究的共同作者——神经科学家Kevin Yackle和他的同事近期就研究了小鼠呼吸与发声之间的相互作用。他们发现，当将小鼠从鼠窝拿出时，新生小鼠会发出人类听力范围以外的超声波段的叫声。这些小鼠在一次呼吸中通常会产生几个有规律间隔的叫声，类似于人类说话中的音节。
为了探寻这种现象背后的机制，研究人员从小鼠喉部，即发声部位开始向脑区进行探索。他们使用示踪剂来识别控制喉部的神经元，并跟着它们一路回到脑干中的细胞群，最终定位到了中间网状振荡器（intermediate reticular oscillator， iRO）的区域。研究人员发现，只要杀死或抑制iRO神经元，小鼠就会失去发声能力。相反地，刺激这些神经元则能够增加一次呼吸中的发声次数。
当研究者解剖出含iRO神经元的脑组织切片时，发现这些神经元细胞会以规则的模式保持放电。“这些神经元产生了和动物叫声频率完全一致的节奏，比 preBötC神经元的呼吸节律更快，但仍可以伴随在其中”，研究者解释称。
进一步实验表明，iRO神经元通过向preBötC传递信号进行微弱的吸气，以此来中断呼气，从而帮助整合发声和呼吸——使一系列短暂的叫声能够整齐地融入一次呼气中。也就是说，有节奏的叫声并不是由一系列的呼气产生的，而是基于一次被中断了几次的长呼气。
这一发现于今年年初成功在Neuron杂志上发布[3]，为人类语言的发生机理提供了依据。研究者Yackle认为，“人类语言的音节数之所以有发音较短的限制，也许是因为我们需要协同呼吸和发声。”
我们可以利用呼吸控制大脑吗？
近期研究表明，呼吸可以影响人们在各种实验室行为测试中的表现。比如，一个人在呼吸周期中所处的位置会影响其各方面的能力，比如对轻柔物体的触觉，或是对三维物体的辨别能力。一项研究发现，人们倾向于在开始一项认知型任务（编者注：比如一场求职面试、一次考试或公众演讲）前吸气，为了提高自己的表现。还有一些研究发现，只有用鼻子呼吸才有效果，用嘴呼吸则不会。
我们也许能通过大脑中电活动的节律性振荡来解释这种现象。几十年来，一些科学家认为这些电波反映了不同脑区之间的交流，而这可能是认知的重要基础。例如，它们或许反应了大脑如何整合听觉和视觉处理的感觉信息，从而产生了我们对同一场景的声音和视觉维度的融合感知。一些科学家甚至提出，这种同步活动可能是意识的基础（当然这也很难证明）。
同样，越来越多的证据表明，呼吸可能也参与其中。海马体是一个对学习和记忆至关重要的区域，一些研究组在啮齿动物的实验中发现，呼吸节律确实影响着海马体的活动波。在清醒状态下，海马体中神经元的集体电活动会以一致的速度上升和下降（通常在每秒6到10次之间）。而且，这种θ节律发生在所有被研究的动物身上，包括人类。
在2016年的一项研究中[4]，巴西北里奥格兰德联邦大学的神经科学家Adriano Tort和同事们开始研究θ振荡。他们注意到，测试电极也在同时采集另一种较慢的节律（大约每秒三个峰值）。这个慢波节律和静息状态下小鼠的呼吸速率大致相同。Tort说，起初他们担心这只是由电极的不稳定或动物的运动干扰造成的。但越来越多的实验结果表明，这种有节奏的活动不仅是真实的，并且确实与呼吸同步的。它就像一个节拍器，可以为海马体中更快的θ振荡设定节奏。
几乎在同一时间，神经科学家Christina Zelan及其同事相继报道了在人类身上的类似发现。研究者在癫痫患者的大脑上放置电极，利用电极的数据来监测他们的癫痫发病情况。实验发现，自然呼吸能使包括海马体和杏仁核在内的几个脑区内的振荡同步化，而海马体和杏仁核正是情绪处理中的重要区域。有趣的是，当研究者要求受试者用嘴呼吸时，这种同步效应就会相应减弱，这一结果表明来自鼻腔气流的感觉反馈起到了关键作用[5]。
Zelano和同事发现，呼吸节律不仅会使大脑中涉及情绪和记忆的区域同步活动，还会影响人们在涉及情绪和记忆的任务中的表现。在一项研究中，他们监测受试者的呼吸，并要求他们在一组由心理学家开发的测试情绪识别的照片中识别人们表达的情绪。与呼气相比，当照片出现时，受试者在吸气时能更快地识别出恐惧的面孔。在另一项测试中，受试者在吸气时更准确地记住了他们之前看过的照片。同样，受试者只有用鼻子呼吸时，这种记忆效果才能达到最强。
更多证据表明，呼吸节律不仅可以同步某一脑区内的活动，也可以使不同脑区之间的活动同步。许多神经科学家认为记忆最初在海马体中形成，然后在睡眠中被转移到皮层中进行长期储存。这一过程需要海马体和大脑皮层之间的同步活动才能完成。神经科学家Nikolaos Karalis和Anton Sirota发现，睡眠小鼠的呼吸节律使大脑中海马体和前额皮质之间的活动同步。而这种同步可能在形成长期记忆方面发挥作用[6]。
对于Tort来说，他的发现说明了呼吸和大脑功能之间可能存在重要的联系，但需要进行更多的研究将这些联系真正地连接起来。呼吸对大脑振荡波动的影响已被证实，那么，未来呼吸对行为、认知和情感的影响是否有望被逐一揭示呢？
控制呼吸可以让大脑冷静吗？
几千年来，瑜伽及其他古老冥想法的习练者们会通过控制呼吸来改善精神状态。近年来，许多研究者开始对这背后的生物机制和如何利用它改善焦虑和情绪障碍患者的症状产生了极大的兴趣。
加州大学洛杉矶分校的精神病学家Helen Lavretsky表示，如何将呼吸产生的影响和这些训练在其他方面的效果分开是研究中的一大挑战。“在这些训练中，除了伸展、运动、视觉化和诵读，还有人们主观赋予的文化和精神价值。当我们进行多成分干预时，很难区分其中哪种因素是贡献是最大的。”
多年来，Lavretsky一直在研究不同类型的冥想是如何影响大脑，以及影响压力及免疫功能的生物标志物的。她发现，除去其他因素，冥想可以改善被试者在实验室记忆测试中的表现，并改变轻度认知障碍的老年人的大脑连接（轻度认知障碍是阿尔茨海默病和其他类型的痴呆症的潜在前兆）。在最近的研究中，她转向探究呼吸控制方法的有效性。
“尽管我是一名精神病学家，但我的研究目的却是如何在治疗中避开药物的使用”，Lavretsky说。除了科学家的身份，她还是一名经认证的瑜伽教练，随着更多关于呼吸训练的有效性和个人适用性的研究出现，她认为呼吸训练对很多人来说都是一个很好的选择。“我们都有条件通过呼吸训练来让我们变得更好，而我们只需要学会如何运用这些条件”，她说。
参考文献
原文链接：https://knowablemagazine.org/article/mind/2022/vital-crosstalk-between-breath-brain
[1] Ashhad， S. et al. (2022) “Breathing rhythm and pattern and their influence on emotion，” Annual Review of Neuroscience， 45(1)， pp. 223–247. Available at: https://doi.org/10.1146/annurev-neuro-090121-014424.
[2] Li， P. et al. (2016) “The peptidergic control circuit for sighing，” Nature， 530(7590)， pp. 293–297. Available at: https://doi.org/10.1038/nature16964.
[3] Wei， X. et al. (2022) “A novel reticular node in the brainstem synchronizes neonatal mouse crying with breathing，” Neuron， 110(4). Available at: https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.12.014.
[4] Nguyen Chi， V. et al. (2016) “Hippocampal respiration-driven rhythm distinct from theta oscillations in awake mice，” Journal of Neuroscience， 36(1)， pp. 162–177. Available at: https://doi.org/10.1523/jneurosci.2848-15.2016.
[5] Zelano， C. et al. (2016) “Nasal respiration entrains human limbic oscillations and modulates cognitive function，” The Journal of Neuroscience， 36(49)， pp. 12448–12467. Available at: https://doi.org/10.1523/jneurosci.2586-16.2016.
[6] Karalis， N. and Sirota， A. (2022) “Breathing coordinates cortico-hippocampal dynamics in mice during offline states，” Nature Communications， 13(1). Available at: https://doi.org/10.1038/s41467-022-28090-5.
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