Jak dýchání ovlivňuje váš mozek? Kontrolovaný dech, klidná mysl, tvrdí vědci

Foto: Anilsharma26/Pixabay

Máte-li to štěstí, že se dožijete 80 let, během svého života uděláte až miliardu nádechů a výdechů, přičemž vdechujete a vydechujete tolik vzduchu, že byste naplnili asi 50 balónů Goodyear a nebo více. Uděláme asi 20 000 dechů denně, nasáváme kyslík, abychom poháněli naše buňky a tkáně, a zbavujeme tělo oxidu uhličitého, který se hromadí v důsledku buněčného metabolismu. Dýchání je pro život tak zásadní, že lidé obvykle umírají během několika minut, pokud se zastaví, napsal Smithsonian Magazín.

Je to chování tak automatické, že ho máme tendenci považovat za samozřejmost. Ale dýchání je fyziologický zázrak. Extrémně spolehlivý a neuvěřitelně flexibilní. Naše dechová frekvence se může změnit téměř okamžitě v reakci na stres nebo vzrušení a dokonce i před zvýšením fyzické aktivity. A dýchání je tak hladce koordinováno s ostatními způsoby chování, jako je jídlo, mluvení, smích a povzdech, že jste si možná nikdy ani nevšimli, jak se vaše dýchání mění, aby se jim přizpůsobilo. Dýchání může také ovlivnit váš stav mysli, jak dokazují praktiky kontrolovaného dýchání jógy a dalších starověkých meditativních tradic.

V posledních letech začali vědci odhalovat některé základní nervové mechanismy dýchání a jeho četné vlivy na tělo a mysl. Na konci 80. let neurovědci identifikovali síť neuronů v mozkovém kmeni, která udává rytmus dýchání. Tento objev byl odrazovým můstkem pro zkoumání toho, jak mozek integruje dýchání s jiným chováním. Současně výzkumníci nalézají důkazy, že dýchání může ovlivnit aktivitu v širokých oblastech mozku, včetně těch, které hrají důležitou roli v emocích a poznávání.

„Dýchání má mnoho funkcí,“ říká Jack L. Feldman, neurolog z Kalifornské univerzity v Los Angeles a spoluautor nedávného článku o souhře dýchání a emocí v časopise Annual Review of Neuroscience. „Je to velmi komplikované, protože neustále měníme naše držení těla a náš metabolismus a musí to být koordinováno se všemi těmito ostatními způsoby chování.“

Každý nádech je symfonií plic, svalů, mozku

Pokaždé, když se nadechnete, vaše plíce se naplní vzduchem bohatým na kyslík, který pak difunduje do vašeho krevního oběhu, aby byl distribuován po celém těle. Typický pár lidských plic obsahuje asi 500 milionů drobných váčků zvaných alveoly, jejichž stěnami procházejí plyny mezi dýchacími cestami a krevním řečištěm. Celková plocha tohoto rozhraní je asi 750 čtverečních stop, o něco více než plocha typického bytu s jednou ložnicí v San Franciscu a o něco méně než u hřiště na raketbal.

„Pozoruhodné na savcích, včetně lidí, je to, že do hrudníku nabalujeme obrovské množství vzduchu,“ říká Feldman. Větší plocha znamená více výměny plynu za sekundu.

Ale plíce to samy nezvládnou. Jsou to v podstatě bezvládné pytle tkáně. „Aby to fungovalo, musí být plíce pumpovány jako měch,“ říká Feldman. A jsou – při každém nádechu se sval bránice ve spodní části hrudní dutiny stáhne a posune se dolů asi o půl palce. Současně mezižeberní svaly mezi žebry pohybují hrudním košem nahoru a ven – to vše roztahuje plíce a nasává vzduch. (Pokud jste si někdy vyrazili dech úderem do břicha, víte všechno o bránici. A pokud jste někdy jedli grilovaná žebírka, viděli jste na mezižeberní svaly.)

V klidu se tyto svaly stahují pouze při nádechu. K výdechu dochází pasivně, když se svaly uvolní a plíce se vyfouknou. Během cvičení se různé skupiny svalů stahují, aby aktivně vytlačily vzduch a zrychlily dýchání.

Na rozdíl od srdečního svalu, který má buňky kardiostimulátoru, které nastavují jeho rytmus, svaly, které řídí dýchání, přijímají příkazy z mozku. Vzhledem k životně důležité roli těchto mozkových signálů trvalo překvapivě dlouho, než je vědci vystopovali. Jedním z prvních, kdo přemýšlel o jejich zdroji, byl Galen, řecký lékař, který si všiml, že gladiátoři, jejichž vaz byl zlomen nad určitou úrovní, nebyli schopni normálně dýchat. Pozdější experimenty ukázaly na mozkový kmen a ve 30. letech 20. století britský fyziolog, Edgar Adrian, prokázal, že vypreparovaný mozkový kmen zlaté rybky nadále produkuje rytmickou elektrickou aktivitu, o níž věřil, že je to signál vytvářející vzor, ​​který je základem dýchání.

Přesné umístění generátoru respiračního vzoru mozkového kmene však zůstalo neznámé až do konce 80. let, kdy jej Feldman a kolegové zúžili na síť asi 3 000 neuronů v mozkovém kmeni hlodavců (u lidí obsahuje asi 10 000 neuronů). Nyní se nazývá preBötzingerův komplex (preBötC). Neurony tam spontánně vykazují rytmické výboje elektrické aktivity, které, přenášené přes střední neurony, řídí svaly, které řídí dýchání.

V průběhu let někteří lidé předpokládali, že Bötzinger musel být slavný anatom, říká Feldman, možná Němec nebo Rakušan. Ale ve skutečnosti mu tento název problesknul během večeře na vědecké konferenci, kde měl podezření, že se kolega nevhodně chystal získat objev pro sebe. Feldman zacinkal sklenicí, aby navrhl přípitek, a navrhl pojmenovat oblast mozku podle podávaného vína, které pocházelo z oblasti kolem německého Bötzingenu. Snad namazaní řečeným vínem ostatní souhlasili a jméno utkvělo. „Vědci jsou stejně divní jako kdokoli jiný,“ říká Feldman. „Baví nás dělat takové věci.“

Určení regulátorů rytmu dechu

Velká část Feldmanova následného výzkumu se zaměřila na přesné pochopení toho, jak neurony v preBötC generují rytmus dýchání. Tato práce také položila základ pro jeho laboratoř a další, aby prozkoumali, jak mozek organizuje souhru mezi dýcháním a jiným chováním, které vyžaduje změny v dýchání.

Jedním ze zajímavých příkladů je povzdech. Dlouhý, hluboký nádech může vyjádřit mnoho věcí: smutek, úlevu, rezignaci, touhu, vyčerpání. Ale my lidé nejsme jediní, kdo vzdychá – má se za to, že to dělají všichni savci – a může to být proto, že vzdychání má kromě svých výrazových vlastností i důležitou biologickou funkci. Lidé vzdychají každých pár minut a každý vzdech začíná nádechem, který nasává asi dvakrát více vzduchu než normální nádech. Vědci se domnívají, že to pomáhá otevřít zhroucené alveoly, malé komory v plicích, kde dochází k výměně plynů, podobně jako foukání do gumovéí rukavice otevírá prsty. Tuto myšlenku podporuje několik linií důkazů: Bylo například prokázáno, že nemocniční ventilátory naprogramované tak, aby zahrnovaly pravidelné vzdychání, zlepšují funkci plic a udržují hladinu kyslíku v krvi pacientů.

Ve studii publikované v roce 2016 v Nature Feldman a kolegové identifikovali čtyři malé populace neuronů, které se zdají být zodpovědné za generování vzdechů u hlodavců. Dvě z těchto skupin neuronů sídlí v oblasti mozkového kmene poblíž preBötC a vysílají signály do dalších dvou skupin, které sídlí uvnitř preBötC. Když vědci zabili tyto neurony preBötC vysoce selektivním toxinem, krysy přestaly vzdychat, ale jejich dýchání zůstalo silné. Na druhou stranu, když vědci vstříkli neuropeptidy, které aktivují neurony, krysy vzdychaly 10krát častěji. Vědci došli k závěru, že v podstatě tyto čtyři skupiny neuronů tvoří okruh, který říká preBötC, aby přerušil svůj pravidelný program dechů normální velikosti a nařídil hlubší dech.

PreBötC má také roli v koordinaci dalšího chování s dýcháním. Jeden z Feldmanových spolupracovníků na vzdychajícím rytmu, neurovědec Kevin Yackle, a jeho kolegové nedávno použili myši ke zkoumání interakcí mezi dýcháním a vokalizací. Když jsou novorozené myši odděleny od hnízda, vydávají ultrazvukové výkřiky, příliš vysoké na to, aby je lidé slyšeli. Během jediného nádechu se obvykle vyskytuje několik výkřiků v pravidelných intervalech, dost podobných slabikám v lidské řeči, říká Yackle, který nyní působí na Kalifornské univerzitě v San Franciscu. „Máte tento pomalejší rytmus dýchání a pak v něm vnořený máte tento rychlejší rytmus vokalizace,“ říká.

Aby vědci zjistili, jak to funguje, postupovali zpět od hrtanu, části hrdla, která se podílí na vytváření zvuku. Použili anatomické indikátory k identifikaci neuronů, které ovládají hrtan a sledují jejich spojení zpět do shluku buněk v mozkovém kmeni, v oblasti, kterou nazvali střední retikulární oscilátor (iRO). Pomocí různých technik vědci zjistili, že zabíjení nebo inhibice neuronů iRO odstraňuje schopnost vokalizovat pláč a jejich stimulace zvyšuje počet výkřiků na nádech.

Když vědci rozřezali mozkové tkáně pomocí neuronů iRO, buňky vystřelovaly v pravidelném vzoru. „Tyto neurony produkují rytmus, který je přesně jako pláč u zvířete, kde je rychlejší, ale vnořený do rytmu dýchání preBötC,“ říká Yackle.

Další experimenty naznačovaly, že neurony iRO pomáhají integrovat vokalizace s dýcháním tím, že říkají preBötC, aby provedl drobné nádechy, které přeruší výdech, což umožní sérii krátkých výkřiků, které se úhledně vejdou do jediného vydechnutého nádechu. To znamená, že rytmický pláč nevzniká řadou výdechů, ale spíše jedním dlouhým výdechem s několika přerušeními.

Zjištění zveřejněná začátkem tohoto roku v Neuronu mohou mít důsledky pro porozumění lidské řeči. Počet slabik za sekundu spadá do relativně úzkého rozmezí napříč všemi lidskými jazyky, říká Yackle. Možná, jak navrhuje, je to kvůli omezením způsobeným potřebou koordinovat vokalizace s dýcháním.

Nastavení tempa v mozku

Nedávné studie naznačují, že dýchání může ovlivnit výkon lidí v překvapivě široké škále laboratorních testů. Kde je někdo v cyklu nádechu a výdechu, může ovlivnit schopnosti tak rozmanité, jako je detekce slabého dotyku a rozlišování trojrozměrných objektů. Jedna studie zjistila, že lidé mají tendenci se nadechovat těsně před kognitivním úkolem, a že to vede ke zlepšení výkonu. Někteří vědci zjistili, že tyto účinky má pouze dýchání nosem, dýchání ústy ne.

Jedna nově vznikající myšlenka o tom, jak by to mohlo fungovat, se zaměřuje na dobře zdokumentované rytmické oscilace elektrické aktivity v mozku. Tyto vlny, často měřené elektrodami na pokožce hlavy, zachycují kumulativní aktivitu tisíců neuronů a po desetiletí někteří neurovědci tvrdili, že odrážejí komunikaci mezi vzdálenými oblastmi mozku, která by mohla být základem důležitých aspektů kognice. Mohlo by to být například to, jak mozek integruje smyslové informace zpracované odděleně ve sluchových a vizuálních částech mozku, aby vytvořil to, co zažíváme jako plynulé vnímání zvuků a pohledů scény. Někteří vědci dokonce navrhli, že taková synchronizovaná aktivita by mohla být základem samotného vědomí (netřeba dodávat, že to bylo těžké dokázat).

Rostoucí důkazy naznačují, že dýchání může udávat tempo některých z těchto oscilací. Při experimentech s hlodavci několik výzkumných týmů zjistilo, že rytmus dýchání ovlivňuje vlny aktivity v hipokampu, což je oblast kritická pro učení a paměť. Během bdělosti kolektivní elektrická aktivita neuronů v hipokampu stoupá a klesá stálou rychlostí – typicky mezi 6 a 10 krát za sekundu. Tento rytmus theta, jak se tomu říká, se vyskytuje u všech zvířat, která byla studována, včetně lidí.

Ve studii z roku 2016 se neurolog Adriano Tort z Federální univerzity v Rio Grande do Norte v Brazílii a jeho kolegové rozhodli studovat oscilace theta, ale všimli si, že jejich elektrody také zachycují jiný rytmus, pomalejší s asi třemi vrcholy za sekundu, zhruba stejná jako frekvence dýchání u klidové myši. Zpočátku se obávali, že jde o artefakt, říká Tort, možná způsobený nestabilní elektrodou nebo pohyby zvířete. Ale další experimenty je přesvědčily, že nejen že byla rytmická aktivita skutečná a synchronizovaná s dýcháním, ale také že fungovala jako metronom, který udával tempo rychlejším theta oscilacím v hippocampu.

Přibližně ve stejnou dobu hlásila neurovědkyně Christina Zelano a kolegové podobná zjištění u lidí. Pomocí dat z elektrod umístěných chirurgy na mozek pacientů s epilepsií k monitorování jejich záchvatů vědci zjistili, že přirozené dýchání synchronizuje oscilace v několika oblastech mozku, včetně hipokampu a amygdaly, což je důležitý hráč v emočním zpracování. Tento synchronizační efekt se zmenšil, když vědci požádali subjekty, aby dýchaly ústy, což naznačuje, že klíčovou roli hraje senzorická zpětná vazba z nosního proudu vzduchu.Nahlásit inzerát

Nejenže rytmus dýchání synchronizuje aktivitu v oblastech mozku zapojených do emocí a paměti, ale může také ovlivnit výkon lidí při úkolech zahrnujících emoce a paměť, zjistili Zelano a kolegové. V jednom experimentu monitorovali dýchání subjektů a požádali je, aby identifikovali emoce vyjádřené lidmi na souboru fotografií vyvinutých psychology, aby otestovali rozpoznání emocí. Subjekty rychleji identifikovaly ustrašené tváře, když se objevila fotografie, když se nadechovaly, než při výdechu. V jiném testu si subjekty přesněji pamatovaly, zda již viděly fotografii, když byla prezentována při vdechování. Opět platí, že účinky byly nejsilnější, když subjekty dýchaly nosem.

Novější práce naznačují, že dechový rytmus by mohl synchronizovat aktivitu nejen uvnitř, ale také mezi oblastmi mozku. V jedné studii neurovědci Nikolaos Karalis a Anton Sirota zjistili, že frekvence dýchání synchronizuje aktivitu mezi hipokampem a prefrontální kůrou u spících myší. Tato synchronizace by mohla hrát roli při vytváření dlouhodobých vzpomínek, navrhují Karalis a Sirota v článku publikovaném začátkem tohoto roku v Nature Communications . Mnoho neurovědců si myslí, že vzpomínky se zpočátku tvoří v hipokampu, než se během spánku přenesou do kůry mozkové pro dlouhodobé uložení – proces, o kterém se předpokládá, že vyžaduje synchronizovanou aktivitu mezi hipokampem a kůrou.

Pro Torta taková zjištění naznačují, že mohou existovat důležité vazby mezi dýcháním a mozkovými funkcemi, ale říká, že je zapotřebí více práce, aby se tyto body spojily. Důkazy, že dýchání ovlivňuje mozkové oscilace, jsou silné, říká. Úkolem je nyní zjistit, co to znamená pro chování, poznávání a emoce.

Kontrolovaný dech, klidná mysl?

Po tisíciletí praktikující jógu a další starodávné meditační tradice praktikovali řízené dýchání jako prostředek k ovlivnění stavu mysli. V posledních letech se vědci stále více zajímají o biologické mechanismy těchto účinků a o to, jak by mohly být aplikovány na pomoc lidem s úzkostí a poruchami nálady.

Jednou z výzev bylo oddělení účinků dýchání od jiných aspektů těchto praktik, říká Helen Lavretsky, psychiatrička z UCLA. „Je opravdu těžké rozlišit, co je nejúčinnější, když děláte tento vícesložkový zásah, kde je protahování a pohyb a vizualizace a zpívání,“ říká. Nemluvě o kulturních a duchovních složkách, které mnoho lidí k této praxi přikládá.Nahlásit inzerát

Po mnoho let Lavretsky spolupracoval s neurovědci a dalšími, aby prozkoumal, jak různé typy meditace ovlivňují mozek a biologické markery stresu a imunitní funkce. Zjistila mimo jiné, že meditace může zlepšit výkon při laboratorních testech paměti a změnit konektivitu mozku u starších lidí s mírnou kognitivní poruchou, což je potenciální předchůdce Alzheimerovy choroby a dalších typů demence. V novějších studiích, které ještě nebyly zveřejněny, se posunula ke zkoumání, zda mohou pomoci samotné metody kontroly dechu.

„I když jsem psychiatr, můj výzkum je o tom, jak se vyhnout [předepisování] léků,“ říká Lavretsky, který je také certifikovaným instruktorem jógy. Myslí si, že dechová cvičení by mohla být dobrou alternativou pro mnoho lidí, zejména s větším výzkumem, které dýchací techniky fungují nejlépe pro jaké podmínky a jak by mohly být přizpůsobeny jednotlivcům. „Všichni máme tento nástroj, jen se musíme naučit, jak jej používat,“ říká.