Science：为什么深呼吸能让人冷静
2017-04-03 James 医之道
相信很多人小时候都有这样的经历：参加考试或比赛的时候很紧张，老师说做一下深呼吸，你试着做了深呼吸以后，就会觉得不那么紧张了。
相信很多人小时候都有这样的经历：参加考试或比赛的时候很紧张，老师说做一下深呼吸，你试着做了深呼吸以后，就会觉得不那么紧张了。
不过这只是经验而已，至于为什么有这个作用，老师也没有解释过。最近，发表在《科学》（Science）杂志上的一项研究破解了这个秘密。
在这项研究中，斯坦福大学的科学家发现一小簇神经元将脑部呼吸控制中心的活动与负责生成全脑唤醒信号的结构连接起来。这项研究的通讯作者为生物化学教授Mark Krasnow， MD， PhD；第一作者是原斯坦福大学研究生Kevin Yackle， MD， PhD，现为加州大学旧金山分校教师。
一小撮神经元
将呼吸与放松、注意、兴奋和焦虑连接起来的小簇神经元位于脑干深处。这簇神经元所在的区域被Krasnow称为呼吸起搏点，由本研究共同作者、加州大学洛杉矶分校神经生物学教授Jack Feldman博士在小鼠中发现，他在1991年发表了他的研究结果。此后在人类中发现了相应的结构。
该图描绘了将脑部呼吸中枢直接连接到觉醒中枢和脑部其他区域的通路（绿色）。（图片来源：斯坦福大学）
“在某些方面，呼吸起搏点的任务要比心脏相应部分更艰巨。”Krasnow说道，“与心脏起搏点只负责快慢的一维任务相比，呼吸有许多不同的类型：普通、兴奋、叹气、打呵欠、喘粗气、睡眠、大笑、抽泣。我们想知道是否呼吸控制中枢内不同亚型的神经元可能负责产生这些不同类型的呼吸。”
在这种预感的驱动下，Yackle通过公共数据库进行搜索，汇集了一系列基因，这些基因在小鼠脑干中呼吸控制中枢所在的部分被优先活化。这个中枢用技术术语来说，叫做前B？tzinger复合体或前B？tzingerC。
他指出了一些这样的基因，使得研究人员能够确认60多种不同的神经元亚型，它们彼此之间可以通过本身的基因活化签名进行物理区分，但在前B？tzingerC中就像搅拌好的意大利面一样混合在一起。科学家们能够利用这些基因和它们编码的蛋白质产物作为标志物，使他们能够瞄准不同的神经元亚型。
敲除神经元
现在科学家们能系统性地评估实验室小鼠中每个神经元亚群的作用。利用先进的技术，他们可以根据活化基因的独特签名，有选择地破坏这些神经元亚型中的任意一种，并且只破坏该亚型。然后他们可以观察这种特定亚型的缺失如何影响动物的呼吸。2016年，他们与Feldman合作，在前B-tzingerC成功分离了一个神经元亚群，这个亚群明确控制呼吸的一种类型：叹气。敲除这些神经元就消除了叹气，但呼吸的其他模式不受影响。这一结果发表在2016年发表于《自然》杂志。
接着，在175个前B-tzingerC神经元中，Krasnow和Yackle着手去发现另一个共同表达Cdh9和Dbx1这两个遗传标志物的亚群在呼吸中所起的作用。他们通过生物工程技术将小鼠中携带Cdh9/Dbx1标志物的神经元敲除，但出乎意外的是，这些小鼠似乎丝毫不受影响。与那些被剥夺了叹气模式的小鼠弟兄们不同，这些小鼠的呼吸变化组合没有出现缺失。
“最初我感到失望。”Yackle说。
但几天之后，他发现了一些情况：作为小鼠，这些动物出奇地安静。“如果你把它们放在一个新环境中，通常小鼠会受新环境刺激而做很多嗅探和探索。”Yackle说，“但它们只会坐着梳理自己身上的毛”——这被认为是小鼠成熟的证据。
冷静下来
进一步的分析表明，虽然这些小鼠仍显示了呼吸的各种模式，从叹息到嗅探，但这些模式的相对比例发生了变化。快速的“积极”呼吸和更快的“嗅探”式呼吸减少了，与冷静相关的缓慢呼吸增多了。
研究人员推测，这些神经元并非调节呼吸，而是监测呼吸，并将结果报告给脑干中的另一种结构。这种结构叫做蓝斑，能向大脑几乎每一个部分发出投射，并促使觉醒：从睡眠中醒来；保持我们的警觉；如果过度，则会引发焦虑和窘迫。已知蓝斑神经元表现出时相与呼吸相关的节律行为。斯坦福大学研究人员在一系列实验中，不仅证明表达Cadh9和Dbx1的前B？tzingerC神经元投射到蓝斑核（新发现），而且能激活其长距离投射，促使全脑觉醒。
“如果你的呼吸受到损害或加速，你需要马上知道。”Krasnow说，“这175个神经元负责把发生的事情告诉脑部其他部分，所以它们绝对是非常关键。”
“前B-tzingerC在呼吸对觉醒和情绪的作用中起重要作用，比如在冥想时所看到的情况。”Feldman说，“我们希望对该中枢功能的了解会帮助开发出对压力、抑郁和其他负面情绪的治疗。”
原始出处：
Kevin Yackle， et al. Breathing control center neurons that promote arousal in mice. SCIENCE31 MAR 2017 ： 1411-1415
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