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我们都知道，人在紧张的时候会手心冒汗、呼吸和心跳加快。
此时，深吸一口气，然后缓缓呼出，就会让呼吸和心跳逐渐平稳，也会让紧张的情绪逐渐缓解。
自从人类注意到上述现象之后，深呼吸就是我们调节情绪的重要手段之一。已经有很多研究发现，通过自主调控呼吸就可以改善情绪[1]。
然而，就是这种我们已经习以为常的现象，却激发了一些神经学家的好奇心。他们想知道，大脑是如何调节呼吸的，以及为何调节呼吸就能改善情绪。
今天，由美国索尔克生物研究所Sung Han领衔的研究团队，在著名期刊《自然·神经科学》上发表一篇重要研究论文[2]，在一定程度上破解了上述谜团。
Sung Han团队发现了一条从大脑背侧前扣带回皮层（dACC）神经元出发，到脑桥网状核GABA能抑制神经元（PnCGABA），再投射到腹外侧延髓（VLM）的神经通路，并证实这条神经通路在调节缓慢呼吸和减少负面情绪方面有重要作用[2]。
据了解，这也是科学家首次发现调节自主呼吸和精神状态的特定脑回路。这一发现可能会为瑜伽和正念等练习，在缓解负面情绪方面的有益作用，提供了科学解释。
▲ 论文首页截图
众所周知，呼吸是由脑干延髓控制的身体自主行为，不需要意识的驱动。
当然，我们也可以通过意识自由控制呼吸。此外，正如前文所言，我们的情绪变化也会影响呼吸；而且通过调节呼吸也可以影响情绪。
在Sung Han团队看来，上述现象说明，应该存在一条自上而下、直达脑干，能调节呼吸和精神状态的神经通路。然而，这条神经回路究竟是啥，在本研究出现之前仍未确定。
为了找到大脑调控呼吸的神经通路，Sung Han团队首先给目标脑区设定了三个条件：①接收来自前额叶皮层的输入，②投射到腹外侧延髓（VLM），③富含抑制性神经元。然后在小鼠脑连接组图谱（Mouse Brain Connectivity Atlas）中寻找答案。
最终，只有脑桥网状核（PnC）符合上述三个标准。简单来说，PnC是大脑皮层通过脑干延髓自上而下调控呼吸的信息中转站。随后，他们就借助于逆行示踪技术，发现投射到PnC的是背侧前扣带回皮层（dACC）神经元。
▲ 挖出了dACC→PnC通路
接下来，Sung Han团队借助于光遗传学等技术，发现激活dACC→PnC神经元，会显著降低小鼠的呼吸频率，并增加呼吸周期的持续时间。
值得注意的是，与对照组相比，激活dACC→PnC神经元，小鼠的吸气持续时间（TI）没有差异，而呼气持续时间（TE）显著增加；而且呼吸频率的减慢和呼气持续时间的增加与光刺激强度成正比。
以上结果表明，激活dACC→PnC神经可通过延长呼气时间来降低呼吸频率。
▲ 激活dACC→PnC可减缓呼吸
随后，Sung Han团队证实，背侧前扣带回皮层（dACC）神经元确实是作用于脑桥网状核（PnC）中的抑制性神经元，即GABA能抑制神经元（PnCGABA）。
光遗传学研究结果也显示，激活PnCGABA神经元，会显著降低小鼠的呼吸频率；抑制PnCGABA神经元会增加呼吸频率。此外，与呼吸频率减慢一致的是，PnCGABA神经元被光激活时，TE增加；被光抑制时，TE减少；且在任何条件下TI都没有差异。这也与围绕dACC→PnC神经元的研究结果一致。
至此，大脑调控呼吸的神经回路基本算是打通了，即dACC→PnCGABA→VLM。
▲ 发挥作用的确实是抑制性神经元PnCGABA
接下来就是探索，大脑意识是否会影响上述通路。
Sung Han团队先探索了饮水、游泳和嗅闻行为，对dACC→PnC活动的影响。
他们发现，小鼠在自主饮水时，dACC→PnC和PnCGABA神经元被激活，呼吸频率变慢；在嗅闻东西的时候，dACC→PnC神经元活性被抑制，小鼠呼吸频率加快。这显然符合我们的认知。
这个实验说明，自主意识行为确实会影响dACC→PnC神经元的活动。此外，他们还证实，dACC→PnC回路可能是协调呼吸周期与自主饮水所必需的。
▲ 喝水影响dACC→PnC神经元的活动
那焦虑对dACC→PnC神经元活动会有类似的影响吗？
Sung Han团队通过高架十字迷宫（EPM）实验，探索了焦虑与呼吸神经通路之间的关系。
从实验结果来看，与封闭臂相比，小鼠在开放臂（焦虑）表现出更高的呼吸频率；从开放臂过渡到封闭臂时，呼吸频率会降低，与此同时，可以观察到dACC→PnC活性增加。
显然，增加呼吸频率的致焦虑条件会抑制dACC→PnC神经元的活动。
▲ 焦虑会抑制dACC→PnC神经元活动
那么激活dACC→PnC神经元会不会减少小鼠的焦虑样行为呢？
光遗传学实验表明，激活dACC→PnC神经元会增加小鼠在开放臂的活动时间；而抑制dACC→PnC神经元，会减少小鼠在开放臂的活动时间。
以上结果说明，dACC→PnC回路对呼吸频率的影响，与焦虑样行为的调节有关。
▲ dACC→PnC回路对呼吸频率的调节影响焦虑样行为
在研究的最后，Sung Han团队通过一系列的实验证实：dACC→PnCGABA→VLM回路确实能同时调节呼吸频率和焦虑样行为。
总的来说，Sung Han团队的这项研究成果首次明确了一条自上而下调控呼吸的神经回路，而且这条神经回路在协调呼吸与行为和情绪状态方面，发挥着重要的作用。
更重要的是，这一发现为呼吸练习调节精神状态提供了潜在的科学依据，也为抗焦虑药物的研发指出了新的方向。
虽然将这项研究成果转化到临床应用还需要很长时间，但是对于被焦虑情绪困扰的朋友而言，或许可以尝试下呼吸调节，真有可能帮你走出焦虑的泥潭。
参考文献：
[1].Balban MY, Neri E, Kogon MM, et al. Brief structured respiration practices enhance mood and reduce physiological arousal. Cell Rep Med. 2023;4(1):100895. doi:10.1016/j.xcrm.2022.100895
[2].Jhang, J., Park, S., Liu, S. et al. A top-down slow breathing circuit that alleviates negative affect in mice. Nat Neurosci. 2024. doi:10.1038/s41593-024-01799-w
本文作者丨BioTalker
