呼吸和大脑相互影响
Greg Miller 文 | Knowable Magazine
mints 编译 | 心理学空间网
瑜伽和冥想的观呼吸（调息）是重要的情绪调节工具。呼吸节奏有着广泛的影响，涉及了行为，认知和情绪。神经科学家们正在拼凑这一切的工作原理。
如果你有幸活到80岁，你一生会呼吸多达10亿次，吸入和呼出的空气足以填满大约50或多艘的固特异飞艇。我们每天呼吸约20000次，吸入氧气可以为细胞和组织提供燃料，并且能够清除体内因细胞代谢而积累的二氧化碳。呼吸对生命是如此重要，如果停止呼吸，人们通常会在几分钟内死亡。
这是一种自如的行为，以至于我们往往认为这是理所当然的事情。但是，呼吸是一个生理奇迹——既极其可靠，又极其灵活——我们几乎可以在一瞬间改变自己的呼吸频率，例如，在压力或觉醒的时候，以及在体力活动马上就要增加的时候。呼吸与其他行为，如吃饭、说话、大笑和叹息，是如此的协调，以至于你可能从来没有留意自己的呼吸如何配合了这些活动。呼吸也会影响你的精神状态，瑜伽、古代冥想中的呼吸控制练习也证明了这一点。
近年来，研究人员已经揭示了呼吸的一些潜在神经机制及其对身心的众多影响。在20世纪80年代末，神经科学家在脑干中发现了一个能够决定呼吸节奏的神经元网络。这一发现是一块跳板，能够帮助人们研究——大脑如何将呼吸，以及其他行为结合在一起。与此同时，研究人员一直在寻找一些可以证明呼吸会影响大脑的证据，例如，呼吸在情绪和认知方面发挥重要作用。
Jack Feldma致力于解开大脑在呼吸中的作用
加州大学洛杉矶分校的神经科学家杰克·L·费尔德曼（Jack L.Feldman）表示：“呼吸有很多作用。”最近，他在《神经科学年鉴》（Annual Review of Neuroscience）上发表了一篇关于呼吸与情绪相互作用的文章。“这很复杂，因为我们的姿势和新陈代谢随时都会发生变化，因此，呼吸必须与所有其他行为相协调。”
呼吸是肺、肌肉、大脑的交响乐
每次吸气时，你的肺部充满了富氧空气，然后扩散到你的血液中，并且通过血液的流动分布到你的全身。一对肺叶通常包含大约5亿个微小的肺泡囊，气流和血流在肺泡壁进行交换。这个界面的总面积约为70平方米，相当于2室1厅的的中等户型面积。
费尔德曼说：“哺乳动物，包括人类最显著的特点就是我们的胸腔有大量的表面积。”表面积越大，意味着每秒交换的气体越多。但是肺不能单独完成工作。它们基本上是一袋袋软纸巾。费尔德曼说：“为了让肺部能够工作，肺必须像风箱一样泵进气体。”每次吸气的时候，胸腔底部的膈肌收缩，向下移动约1.3厘米。同时，肋骨之间的肋间肌肉将胸腔向上和向外移动，这时，肺部会扩张，并吸入空气。
这些肌肉会在吸气时收缩。当肌肉放松和肺部收缩时，气体就会被动的被呼出。不同的肌肉群会在运动过程中收缩肌肉，主动挤出空气，加快呼吸。
示意图显示了气道、肺、膈肌、肋间肌和肺组织、细支气管、肺泡和毛细血管。
呼吸需要膈肌和肋间肌的协调运动。当这些肌肉收缩时，空气被吸入肺部，数以亿计的微小肺泡提供了一个可以让氧气扩散到血液中的表面，肺泡壁还可以让二氧化碳扩散出去。这些肌肉会在每次呼气时放松，空气被迫排出。
心脏肌肉中的起搏器细胞可以自己控制跳动的节奏，而控制呼吸的肌肉与心脏肌肉不同，它们需要接受大脑的指令。考虑到这些大脑信号对生命赋能的重要性，科学家花费了惊人的时间追寻这些信号。
希腊医生盖伦（Galen）是第一个思考其来源的人，他注意到脖子从某个位置上面断开的角斗士无法正常呼吸。后来的实验指向了脑干，在20世纪30年代，英国生理学家埃德加·阿德里安（Edgar Adrian）证明被解剖后的金鱼脑干仍然会继续产生有节奏的电活动，他认为脑干这种模式生成了呼吸的信号。
但是，人们一直没有找到脑干呼吸模式发生器的确切位置，直到20世纪80年代末，费尔德曼及其同事将其范围缩小到啮齿动物脑干中约3000个神经元的网络（人类的这个部分包含约10000个神经元）之中。它现在被称为preBötzinger复合体（preBötzinger Complex, preBötC)）。那里的神经元会自发地表现出有节奏的电活动，这些电活动通过中枢神经元传递，引导控制呼吸的肌肉。
费尔德曼说，很多人一直认为Bötzinger一定是著名的解剖学家的名字，他也许是德国人或奥地利人。但事实上，这个名字是在一次科学会议上的一次晚宴上突然想到的，当时他怀疑一位同事不合时宜的想要宣布他的这一发现。
费尔德曼提议碰杯庆祝，并建议，用当时饮用的葡萄酒命名这个大脑区域，该葡萄酒来自德国Bötzingen附近地区。也许是因为喝了酒，其他人都同意了，但这个名字还是保留了下来。费尔德曼说：“科学家和其他人一样，都很古怪。我们在做这些古怪行为时都很开心。”
长而深的叹气可以表达很多东西：悲伤、解脱、释怀、思念、疲惫，以及无奈。但我们人类并不是唯一会叹息的动物——所有哺乳动物都会叹息——这可能是因为叹息除了具备了表达的能力之外，还具有重要的生物学功能。
吸的节奏器
费尔德曼随后的研究大多集中在准确理解 preBötzinger 神经元如何产生呼吸节律上。这项工作也为他的实验室和其他人员研究大脑如何协调呼吸和其他需要改变呼吸的行为之间的相互作用奠定了基础。叹息是一个有趣的例子。长而深的呼吸可以表达很多东西：悲伤、解脱、释怀、思念、疲惫，以及无奈。但我们人类并不是唯一会叹息的人——所有哺乳动物都会叹息——这可能是因为叹息除了具备了表达的能力之外，还具有重要的生物学功能。
人类每隔几分钟就会叹息一次，每次叹息都是从吸气开始的，叹息时吸入的空气大约是正常呼吸的两倍。科学家们怀疑这有助于打开塌陷的肺泡，肺泡是肺部发生气体交换的微小腔室，这就像是向乳胶手套吹气会打开手指一样。有几条证据支了持这一观点：例如，包含了周期性叹息装置的医院的呼吸机，可以改善肺功能并维持患者的血氧水平。
费尔德曼及其同事在2016年发表在《自然》杂志上的一项研究中发现了四组小神经元，它们似乎是负责啮齿动物发出叹息的装置。其中两组神经元(RTN/pFRG)位于preBötC附近的脑干区域，它们向位于preBötC内部的另外两组神经元(Nmb/Grp)发送信号。
Li, P., Janczewski, W. A., Yackle, K., Kam, K., Pagliardini, S., Krasnow, M. A., & Feldman, J. L. (2016). The peptidergic control circuit for sighing. Nature, 530(7590), 293–297 doi.org/10.1038/nature16964
当研究人员用一种高度选择性的毒素杀死这些preBötC神经元时，大鼠停止了叹息，但它们的呼吸仍然强劲。另一方面，当科学家注射激活神经元的神经肽时，大鼠的叹息次数增加了10倍。研究人员得出结论，本质上，这四组神经元形成了一个回路，这个回路可以告知preBötC中断正常呼吸的常规程序，并命令进行更深的呼吸。
preBötC在协调其他行为和呼吸方面也发挥着作用。这篇论文的合作者之一、神经科学家凯文·雅克（Kevin Yackle）及其同事最近用老鼠研究了呼吸和发声之间的相互作用。当新生的老鼠被迫和巢穴分离时会发出超声波叫声（声音太高，人类听不见）。
现在旧金山加利福尼亚大学的雅克说，老鼠在一次呼吸中，通常会有几声有规律的叫喊，这与人类语言中的音节没有什么不同。他说：“你的呼吸节奏变慢了，然后你的发声节奏变快了。”
为了弄清楚（呼吸和发声之间的节奏变化）是如何工作的，研究人员从喉咙开始向后探索，喉咙是产生声音的部分。他们使用解剖示踪剂来识别控制喉部的神经元，并追踪它们与脑干中一簇细胞的联系，这一区域被他们命名为中枢模式发生器（intermediate reticular oscillator, iRO）。研究人员通过使用多种技术发现，杀死或抑制iRO神经元会丧失发出哭声的能力，而刺激它们会增加每次呼吸的哭声次数。
当研究人员解剖出带有iRO神经元的脑组织切片时，这些细胞保持着规则的放电模式。雅克说：“这些神经元产生的节律与动物的叫声完全一样，它比preBötC呼吸节律更快，但却嵌套在其内。”
这张大脑的侧视图标记了与呼吸有关的各个部分，以及各种输入。
呼吸似乎对大脑有着深远的影响，包括在认知和情感方面发挥作用的脑区，如海马体、杏仁核和前额叶皮层。这些影响可能源于脑干呼吸中枢preBötC产生的信号；来自经由迷走神经或嗅觉系统的感觉输入；或对血液中的氧气（O2）和二氧化碳（CO2）浓度的响应。其他的实验表明，iRO神经元通过告诉preBötC进行微小的吸气来中断呼气，从而能够让发声和呼吸能够在一起，使一系列简短的叫声能够在一次呼出的呼吸中整齐地配合。也就是说，有节奏的哭声不是由一系列呼气产生的，而是由一次长呼气和几次中断产生的。
今年早些时候在《神经元》杂志上报道的这一发现可能会对理解人类语言产生影响。雅克说，在所有人类语言中，每秒音节的数量都在相对狭窄的范围内。他认为，这可能是因为需要协调发声和呼吸而施加一些限制。
设定大脑的节奏
最近的研究表明，呼吸可以影响人们在各种实验室测试中的表现。当一个人处于吸气和呼气的循环中时，会对各种心理能力产生影响，比如检测微弱的触摸和辨别三维物体。一项研究发现，人们倾向于在认知任务之前吸气，这样做有助于提高表现。一些人发现，只有通过鼻子呼吸才有这些影响；通过嘴呼吸则不行。
那么，这些是如何工作的？一个新想法充分关注了大脑电活动的有节奏振荡。这些电波通常是用头皮上的电极测量的，可以捕捉数千个神经元的累积活动。几十年来，一些神经科学家一直认为这些电波反映了相距甚远的不同大脑区域之间的交流，这些区域可能是认知的重要方面。例如，它们可能整合了大脑中听觉和视觉部分处理的感官信息，从而产生了我们对场景的声音，以及对场景的无缝感知。一些科学家甚至提出，这种同步活动可能是意识本身的基础（不用说，这很难证明）。
越来越多的证据表明，呼吸可能会为其中一些震荡波设定节奏。几个研究小组在对啮齿动物的实验中发现呼吸节奏会影响海马体活动的震荡波，海马体是学习和记忆的关键区域。在清醒期间，海马体神经元的集体电活动以一致的速度上升和下降，通常在每秒6到10次之间。这种被称为θ波（theta rhythm）的现象发生在所有被研究过的动物身上，包括人类。
呼吸节律不仅同步了大脑中涉及情绪和记忆的区域的活动，还可以影响人们在涉及情绪和记忆力的任务中的表现。
在2016年的一项研究中，巴西北里奥格兰德联邦大学的神经科学家阿德里亚诺·托特（Adriano Tort）及其同事开始研究θ波。但他们注意到，θ波的电极也在拾取另一种震荡波，一种速度较慢的震荡波，每秒大约有三个峰值，与静止的小鼠的呼吸频率大致相同。托特说，起初，他们担心这来自于其他人造装置，可能是由不稳定的电极或动物的动作引起的。但额外的实验让他们相信，不仅波活动是真实的，而且与呼吸同步，它就像节拍器一样，为海马体中更快的θ波设定节奏。
大约在同一时间，神经科学家克里斯蒂娜·泽拉诺（Christina Zelano）及其同事在人类身上报告了类似的发现。研究人员利用外科医生在癫痫患者大脑上放置的电极数据监测了他们的癫痫发作，发现自然呼吸会同步几个大脑区域的振荡，包括海马体和杏仁核，杏仁核是情绪处理的重要参与者。当研究人员要求受试者用嘴呼吸时，这种同步效应减弱了，这表明鼻气流的感官反馈起了关键作用。
泽拉诺及其同事发现，呼吸节律不仅能够同步大脑中与情绪和记忆有关的区域的活动，还可以影响人们在情绪和记忆相关任务的表现。他们在一个实验中监测了受试者的呼吸，并要求他们在心理学家制作的一组照片中识别出人们表达的情绪，以测试情绪识别变化。当照片出现时，受试者在呼吸时能够（比呼气时）更快地识别出恐惧的面孔。在另一项测试中，受试者在吸气的时候能够更准确地回忆起之前是否看到过这张照片。同样，当受试者通过鼻子呼吸时，效果最强。
最近的研究表明，呼吸节律不仅可以同步大脑区域内的活动，也可以同步大脑各区域之间的活动。在一项研究中，神经科学家尼古拉斯·卡拉利斯（Nikolaos Karalis）和安东·西罗塔（Anton Sirota）发现，睡眠小鼠的呼吸频率与海马体和前额叶皮层之间的活动同步。卡拉利斯和西罗塔在今年早些时候发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文中表示，这种同步可能在制造长期记忆方面发挥作用。
许多神经科学家认为，记忆最初是在海马体中形成的，然后在睡眠期间被转移到大脑皮层进行长期储存——这一过程需要海马体和大脑皮层之间的同步活动。对托特来说，这些发现表明，呼吸和大脑功能之间可能存在重要联系，但他表示大脑需要更多的工作来连接这些点位。他说，呼吸影响大脑振荡的证据是有力的。现在的挑战是弄清楚——这对行为、认知和情感意味着什么。
呼吸的解剖学和生理学el Negro, C.A., Funk, G.D. & Feldman, J.L. Breathing matters. Nat Rev Neurosci 19, 351–367 (2018). https://doi.org/10.1038/s41583-018-0003-6
控制呼吸，保持冷静？
几千年来，瑜伽和其他古老冥想的练习者一直都在练习如何控制呼吸，以此来影响他们的心态。近年来，研究人员对这些效应的生物学机制，以及如何应用于焦虑和情绪障碍患者越来越感兴趣。加州大学洛杉矶分校的精神科医生海伦·拉夫雷茨基（Helen Lavretsky）表示，其中的一个挑战是将呼吸的影响与这些练习的其他方面分开。她说：“当你进行这种多成分干预时，很难区分什么是最有效的，其中有伸展、运动、可视化和吟唱。”更不用说这些做法的文化和精神成分。
多年来，拉夫雷茨基与神经科学家和其他人合作，研究不同类型的冥想如何影响大脑、压力和免疫功能的生物标志物。她发现，冥想可以改善患有轻度认知障碍的老年人在实验室记忆测试中的表现，并改变他们的大脑连接，这是阿尔茨海默病和其他类型痴呆症的潜在前兆。在最近尚未发表的研究中，她开始研究单独的呼吸控制方法是否有帮助。
拉夫雷茨基也是一名认证瑜伽教练，她说：“尽管我是一名精神科医生，但我的研究在于如何避免（开处方）药。”她认为，呼吸练习对许多人来说可能是一个很好的选择，尤其是对哪些呼吸技巧特别适合具体的条件，以及如何适合个人进行更多研究的情况下。“我们都有这个工具，我们只需要学会如何使用它，”她说。
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