一只老鼠呼吸空气，形成一朵大脑形状的云，雨水降落到野火上，象征着焦虑和恐慌的情绪。图源：索尔克研究所
美国索尔克研究所的一项新研究发现了控制自主呼吸和情绪调节的大脑回路，可能有助于开发治疗焦虑和压力障碍的方法。
虽然呼吸主要是自动的，但我们也拥有通过放慢呼吸来自我安抚的非凡能力。纵观历史，人们一直利用缓慢呼吸来管理情绪，正念和瑜伽等练习普及了箱式呼吸等正式技术。然而，对于大脑如何有意识地调节我们的呼吸以及这是否会对我们的焦虑和情绪状态产生直接影响，科学界对此了解甚少。
索尔克研究所神经科学取得突破索尔克研究所的神经科学家首次发现了一种调节自主呼吸的特定大脑回路。研究人员利用小鼠发现了额叶皮层中的一组神经元，它们与脑干相连，而脑干控制着呼吸等基本功能。他们的研究结果表明，大脑更复杂的区域与下脑干呼吸中心之间的这种联系使我们能够将呼吸与当前的行为和情绪状态相协调。
从左至右：Sung Han 和 Jinho Jhang。图源：索尔克研究所
该研究最近发表在《自然神经科学》杂志上，描述了一组新的脑细胞和分子，可以通过治疗方法来预防过度换气以及调节焦虑、恐慌或创伤后应激障碍。
治疗应用的潜力“身体会通过深呼吸自然地自我调节，因此将呼吸与情绪保持一致对我们来说几乎是直觉——但我们并不知道这在大脑中是如何运作的，”资深作者、索尔克研究所副教授兼先锋基金发展主席 Sung Han 说道：“通过揭示一种负责减缓呼吸的特定大脑机制，我们的发现可能为瑜伽和正念等练习对缓解负面情绪的有益影响提供科学解释，从而进一步为它们提供科学依据。”
发现控制呼吸的大脑回路呼吸模式和情绪状态很难分清——如果焦虑增加或减少，呼吸频率也会增加或减少。尽管情绪调节和呼吸之间似乎存在明显的联系，但之前的研究只彻底探索了脑干中的潜意识呼吸机制。虽然较新的研究已经开始描述自上而下的有意识机制，但直到索尔克团队开始研究这一案例之前，人们都没有发现特定的大脑回路。
研究人员认为，大脑额叶皮层负责协调复杂的思维和行为，它以某种方式与控制自动呼吸的脑干区域（称为延髓）进行交流。为了验证这一点，他们首先查阅了神经连接数据库，然后进行了实验来追踪这些不同大脑区域之间的连接。
这些初步实验揭示了一种潜在的新呼吸回路：前扣带皮层额叶区域的神经元与脑桥中间的脑干区域相连，后者又与下方的延髓相连。
呼吸控制的实验证据除了这些大脑区域的物理连接之外，考虑它们可能相互发送的信息类型也很重要。例如，当延髓活跃时，它会启动呼吸。然而，从脑桥传下来的信息实际上会抑制延髓的活动，导致呼吸频率减慢。韩的团队假设，某些情绪或行为可能导致皮质神经元激活脑桥，从而降低延髓的活动，导致呼吸变慢。
小鼠大脑中的 dACC 神经元（绿色）。图源：索尔克研究所
为了验证这一点，研究人员记录了小鼠在嗅探、游泳和饮水等改变呼吸的行为以及引起恐惧和焦虑的条件下的大脑活动。他们还使用一种称为光遗传学的技术，在不同的情绪和行为环境下打开或关闭该大脑回路的部分，同时测量动物的呼吸和行为。
他们的研究结果证实，当皮质和脑桥之间的连接被激活时，小鼠会更加平静，呼吸也更慢，但当小鼠处于焦虑的环境中时，这种交流会减少，呼吸频率会上升。此外，当研究人员人为地激活这种皮质-脑桥-延髓回路时，动物的呼吸会减慢，焦虑的迹象也会减少。另一方面，如果研究人员关闭这个回路，呼吸频率就会上升，小鼠会变得更加焦虑。
总之，前扣带皮层-脑桥-延髓回路支持呼吸频率与行为和情绪状态的自愿协调。
启示和未来研究方向“我们的发现让我开始思考：我们能否开发出药物来激活这些神经元，手动减慢我们的呼吸或防止恐慌症患者的过度换气？”这项研究的第一作者、Han 实验室的高级研究员 Jinho Jhang 说道：“我的妹妹比我小三岁，患有恐慌症很多年了。她继续激励着我研究问题，并激励我致力于解答这些问题。”
研究人员将继续分析该回路，以确定药物是否能够激活它，根据指令减缓呼吸。此外，该团队正在努力寻找该回路的反面——快速呼吸回路，他们认为这可能也与情绪有关。他们希望他们的发现能为焦虑、压力和恐慌症患者带来长期解决方案，这些人激励着他们的发现和奉献精神。
“我想利用这些发现设计一种瑜伽药丸，”Han 说：“这听起来可能有点傻，将我们的研究成果转化为可销售的药物需要数年时间，但我们现在有了一个潜在的可针对的大脑回路，可以开发出可以立即减缓呼吸并启动平和冥想状态的疗法。”
这项工作得到了 Kavli 大脑与心智研究所 (IRGS 2020-1710) 的支持。
参考文献：Jinho Jhang、Seahyung Park、Shijia Liu、David D. O'Keefe 和 Sung Han 撰写的“自上而下的缓慢呼吸回路可减轻小鼠的负面影响”，2024 年 11 月 19 日，《自然神经科学》。DOI：10.1038/s41593-024-01799-w
来源：索尔克研究所
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