呼吸和大脑相互影响
Greg Miller 文 | Knowable Magazine
mints 编译 | 心理学空间网
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。
瑜伽和冥想的如果你有幸活到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。
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。
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。
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。