Как наш мозг создает дыхательный ритм, уникальный для каждого вздоха

Дыхание стимулирует все, что мы делаем, – поэтому его ритм должен быть тщательно организован клетками нашего мозга, верно?

Нет. Каждый вздох, который мы делаем, происходит от беспорядочной группы нейронов – каждый, как солист, выкрикивает свою песню перед тем, как объединиться в хор, чтобы гармонизировать совершенно новую мелодию. Или, в этом случае, новое дыхание.

В этом суть нового исследования UCLA, опубликованного в онлайн-издании Neuron на этой неделе.

«Мы были удивлены, узнав, что то, как клетки нашего мозга работают вместе, чтобы генерировать ритм дыхания, меняется каждый раз, когда мы делаем вдох», – объяснил старший автор Джек Фельдман , профессор нейробиологии в Медицинской школе Дэвида Геффена в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и член научно – исследовательского института UCLA. «Каждое дыхание похоже на новую песню с одинаковым ритмом».

Фельдман и его коллеги изучали небольшую сеть нейронов, называемых комплексом preBötzinger. В начале своей карьеры он назвал этот регион, предположив, что он является основным двигателем ритма дыхания в мозге.

В 2015 году лаборатория Фельдмана обнаружила, что удивительно низкий уровень активности в комплексе preBötzinger стимулирует ритм дыхания. Открытие оставило загадку на своем пути: как такие незначительные сигналы могли генерировать безошибочный ритм дыхания – неудача которого означает смерть?

Чтобы ответить на эту загадку, команда UCLA изучила срезы мозговой ткани у мышей и тщательно изолировали нейроны preBötzinger Complex от ствола мозга.

Записывая электрическую активность клеток, команда могла подслушивать “разговоры” нейронов с соседями по сети.

По словам соавтора Суфьяна Ашхада, деятельность нейронов напоминала хор, члены которого поют без помощи дирижера.

«Это похоже на то, что каждый нейрон прочищает горло и репетирует свою мелодию, поэтому их коллективный звук не имеет смысла», – сказал Ашхад, исследователь в лаборатории Фельдмана. «Однако, когда нейроны взаимодействуют, они быстро синхронизируются, превращая их индивидуальные соло из какофонии в гармонию».

Каждое дыхание начинается с того, что сотни отдельных нейронов беспорядочно запускаются, а затем быстро синхронизируются. Синхронизированное усилие вызывает всплеск активности, который сигнализирует о сокращении мышц диафрагмы и грудной клетки, заставляя грудь расширяться. Воздух устремляется внутрь и наполняет легкие для выдоха.

Когда сигнал стихает, грудная клетка выдыхает воздух из легких. Цикл повторяется, генерируя ритм дыхания.

«Учитывая надежность дыхания, мы были ошеломлены, обнаружив, что то, как эти нейроны движутся, чтобы синхронизировать и генерировать ритм, отличается в каждом дыхательном цикле», – сказал Фельдман. «Ритм дыхания постоянно меняется, если бы ваш мозг не мог автоматически адаптироваться, вы бы потеряли сознание от недостатка кислорода».

Дыхание лежит в основе всех аспектов работы мозга, добавил он. Результаты UCLA могут предложить новые подходы к лечению нарушений дыхания у детей с аутизмом и апноэ во сне.

Понимание того, как генерируется ритм дыхания, может также помочь ученым в борьбе с ростом смертности от употребления опиоидов, который подавляет способность мозга регулировать дыхание.

«Наша основная идея заключается в том, что важно изучать влияние нейронов на коллективном уровне, а не только в отдельных клетках», – сказал Ашхад. «Мы надеемся, что это открытие откроет новые направления для исследований и решит вопрос, который сохранялся веками».

DOI: https://doi.org/10.1016/j.neuron.2020.02.005

Вас также может заинтересовать: Ритм дыхания влияет на память и страх