呼吸和大脑之间的重要串扰
如果你有幸活到 80 岁，你一生中将呼吸多达 10 亿次，吸入和呼出的空气足以填满大约 50 艘固特异飞艇或更多。我们每天大约呼吸 20,000 次，吸入氧气为我们的细胞和组织提供燃料，并清除体内因细胞新陈代谢而积累的二氧化碳。呼吸对生命至关重要，如果呼吸停止，人们通常会在几分钟内死亡。
这种行为是如此自然，以至于我们往往认为这是理所当然的。但呼吸是一个生理奇迹——既极其可靠，又非常灵活。我们的呼吸频率几乎可以立即随着压力或唤醒而变化，甚至在增加身体活动之前。呼吸与吃饭、说话、大笑和叹息等其他行为如此无缝协调，以至于您甚至可能从未注意到您的呼吸是如何变化以适应它们的。呼吸也会影响您的心理状态，瑜伽和其他古老冥想传统的控制呼吸练习就证明了这一点。
近年来，研究人员已经开始揭示呼吸的一些潜在神经机制及其对身心的许多影响。在 1980 年代后期，神经科学家在脑干中发现了一个神经元网络，它决定了呼吸的节奏。这一发现成为研究大脑如何将呼吸与其他行为相结合的跳板。与此同时，研究人员一直在寻找证据表明，呼吸可能会影响大脑大部分区域的活动，包括那些在情绪和认知中起重要作用的活动。
“呼吸有很多工作要做，”加州大学洛杉矶分校（University of California， Los Angeles）的神经科学家杰克·费尔德曼（Jack L. Feldman）说，他最近在《神经科学年鉴》（Annual Review of Neuroscience）上发表了一篇关于呼吸和情绪相互作用的文章。“这非常复杂，因为我们不断改变我们的姿势和新陈代谢，它必须与所有其他行为相协调。”
每一次呼吸都是肺、肌肉、大脑的交响乐
每次吸气时，肺部都会充满富氧空气，然后扩散到血液中，分布到全身。一对典型的人类肺包含大约 5 亿个称为肺泡的小囊，其壁是气体在气道和血液之间通过的地方。这个界面的总表面积约为 750 平方英尺——比旧金山典型的一居室公寓的面积多一点，比壁球场的面积小一点。
“哺乳动物（包括人类）的非凡之处在于，我们的胸部里有大量的表面积，”费尔德曼说。更大的表面积意味着每秒交换的气体更多。
但肺不能单独完成。它们本质上是软绵绵的纸袋。“为了使其正常工作，必须像风箱一样泵送肺部，”Feldman 说。他们是——每次吸气时，胸腔底部的横膈肌都会收缩，向下移动约半英寸。同时，肋骨之间的肋间肌将肋骨向上和向外移动——所有这些都会扩张肺部并吸入空气。（如果你曾经被吹到胃部而被风吹走，你就会对横膈膜了如指掌;如果你吃过烤排骨，你就会遇到肋间肌。
在休息时，这些肌肉仅在吸气时收缩。当肌肉放松和肺部放气时，呼气是被动发生的。在运动过程中，不同的肌肉会收缩以主动排出空气并加快呼吸速度。
与具有设定节奏的起搏细胞的心肌不同，控制呼吸的肌肉从大脑听从大脑。鉴于这些大脑信号对生命的重要性，追踪它们需要很长时间。最早思考其来源的人之一是希腊医生盖伦，他注意到脖子折断超过一定程度的角斗士无法正常呼吸。后来的实验指向脑干，在 1930 年代，英国生理学家埃德加·阿德里安 （Edgar Adrian） 证明，金鱼解剖的脑干继续产生有节奏的电活动，他认为这是呼吸背后的模式生成信号。
但脑干呼吸模式生成器的确切位置一直不清楚，直到 1980 年代后期，Feldman 和同事将其缩小到啮齿动物脑干中约 3,000 个神经元的网络（在人类中，它包含约 10,000 个神经元）。它现在被称为 preBötzinger 复合体 （preBötC）。那里的神经元自发地表现出有节奏的电活动爆发，这些电活动通过中间神经元传递，指导控制呼吸的肌肉。
费尔德曼说，多年来，有些人认为伯青格一定是一位著名的解剖学家，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的一次晚宴上突然想到的，当时他怀疑一位同事不恰当地打算将这一发现据为己有。费尔德曼碰了碰杯子，提议敬酒，并建议以来自德国伯琴根周边地区的葡萄酒命名大脑区域。也许是受到了上述葡萄酒的润滑，其他人同意了，这个名字就这样被保留了下来。“科学家和其他人一样奇怪，”费尔德曼说。“我们做这样的事情很有趣。”
精确定位呼吸的节奏设定者
长而深的呼吸可以表达很多事情：悲伤、解脱、无奈、渴望、疲惫。但我们人类并不是唯一会叹息的人——人们认为所有哺乳动物都会叹息——这可能是因为叹息除了其表达品质之外，还有重要的生物学功能。
Feldman 随后的大部分研究都集中在准确了解 preBötC 中的神经元如何产生呼吸节律。这项工作也为他的实验室和其他人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。
叹息就是一个有趣的例子。长而深的呼吸可以表达很多事情：悲伤、解脱、无奈、渴望、疲惫。但我们人类并不是唯一会叹息的人——人们认为所有哺乳动物都会叹息——这可能是因为叹息除了其表达品质之外，还有重要的生物学功能。人类每隔几分钟就会叹息一次，每次叹息都从吸气开始，吸入的空气大约是正常呼吸的两倍。科学家们怀疑这有助于弹出塌陷的肺泡，即肺部发生气体交换的小腔室，就像对着乳胶手套吹气会弹开手指一样。有几条证据支持这一观点：例如，医院呼吸机被编程为包含周期性叹息，已被证明可以改善肺功能并维持患者的血氧水平。
在 2016 年发表在《自然》杂志上的一项研究中，Feldman 及其同事确定了四个小神经元群，它们似乎负责在啮齿动物中产生叹息。其中两组神经元位于 preBötC 附近的脑干区域，它们向位于 preBötC 内的另外两组发送信号。当研究人员用一种高选择性毒素杀死这些 preBötC 神经元时，大鼠不再叹息，但它们的呼吸仍然强劲。另一方面，当科学家注射激活神经元的神经肽时，大鼠的叹息频率增加了 10 倍。研究人员得出结论，从本质上讲，这四组神经元形成了一个回路，告诉 preBötC 中断其正常大小的常规呼吸程序并安排更深的呼吸。
preBötC 在协调呼吸的其他行为方面也起着作用。费尔德曼在这篇叹息论文中的合作者之一、神经科学家凯文·亚克尔 （Kevin Yackle） 及其同事最近使用小鼠研究了呼吸和发声之间的相互作用。当与巢分开时，新生老鼠会发出超声波叫声，声音太高，人类听不到。通常在一口气中定期发出几次哭声，这与人类语言中的音节没有什么不同，现在在加州大学旧金山分校（University of California， San Francisco）工作的亚克尔说。“你有这种较慢的呼吸节奏，然后在其中嵌套，你有这种更快的发声节奏，”他说。
为了弄清楚这是如何工作的，研究人员从喉部开始向后工作，喉部是喉咙中参与产生声音的部分。他们使用解剖示踪剂来识别控制喉部的神经元，并跟踪它们的连接回到脑干中的一组细胞，他们将其命名为中间网状振荡器 （iRO）。使用各种技术，研究人员发现，杀死或抑制 iRO 神经元会消除发声的能力，而刺激它们会增加每次呼吸的哭泣次数。
当研究人员用 iRO 神经元解剖出脑组织切片时，细胞一直以有规律的方式放电。“这些神经元产生的节奏与动物的哭声完全一样，它比 preBötC 呼吸节奏更快，但嵌套在 BötC 之前的呼吸节奏中，”Yackle 说。
其他实验表明，iRO 神经元通过告诉 preBötC 进行微小的吸气来中断呼气，从而使一系列短暂的哭声整齐地适应一次呼出的呼吸，从而帮助将发声与呼吸相结合。也就是说，有节奏的哭泣不是由一系列的呼气产生的，而是由一次长时间的呼气和几次中断产生的。
今年早些时候在 Neuron 上报告的这一发现可能对理解人类语言产生影响。Yackle 说，在所有人类语言中，每秒的音节数量都处于相对狭窄的范围内。他认为，也许这是由于协调发声与呼吸的需求所施加的限制。
在大脑中设置速度
最近的研究表明，呼吸可以影响人们在非常广泛的实验室测试中的表现。一个人处于吸气和呼气循环中的位置会影响各种能力，例如检测微弱的触摸和区分三维物体。一项研究发现，人们倾向于在完成认知任务之前吸气——这样做往往会提高表现。一些人发现，只有通过鼻子呼吸才会产生这些效果;用嘴呼吸不会。
关于它如何工作的一种新兴想法集中在有据可查的大脑中电活动的节律性振荡上。这些波通常用头皮上的电极测量，捕捉到数千个神经元的累积活动，几十年来，一些神经科学家一直认为它们反映了遥远的大脑区域之间的交流，这些区域可能是认知重要方面的基础。例如，它们可能是大脑如何整合在大脑的听觉和视觉部分分别处理的感觉信息，以产生我们对场景声音和景象的无缝感知。一些科学家甚至提出，这种同步活动可能是意识本身的基础（不用说，这很难证明）。
越来越多的证据表明，呼吸可能会为其中一些振荡设定节奏。在对啮齿动物的实验中，几个研究小组发现呼吸节奏会影响海马体的活动波，海马体是对学习和记忆至关重要的区域。在清醒期间，海马体中神经元的集体电活动以一致的速率起伏——通常在每秒 6 到 10 次之间。这种 θ 节律，正如它的名字一样，发生在所有被研究过的动物中，包括人类。
呼吸节律不仅同步涉及情绪和记忆的大脑区域的活动，还会影响人们在涉及情绪和记忆的任务中的表现。
在 2016 年的一项研究中，巴西北里奥格兰德联邦大学的神经科学家 Adriano Tort 及其同事着手研究 θ 振荡，但注意到他们的电极也在拾取另一种节奏，一种较慢的节奏，每秒大约有三个峰值，与静息小鼠的呼吸频率大致相同。托特说，起初他们担心这是人为的，可能是由不稳定的电极或动物的运动引起的。但额外的实验让他们相信，不仅有节奏的活动是真实的并与呼吸同步的，而且它就像一个节拍器，为海马体中更快的 θ 振荡设定了节奏。
大约在同一时间，神经科学家克里斯蒂娜·泽拉诺 （Christina Zelano） 及其同事在人类中报告了类似的发现。研究人员使用外科医生放置在癫痫患者大脑上的电极数据来监测他们的癫痫发作，发现自然呼吸会同步多个大脑区域内的振荡，包括海马体和杏仁核，杏仁核是情绪处理的重要参与者。当研究人员要求受试者通过嘴呼吸时，这种同步效应减弱，这表明来自鼻气流的感觉反馈起着关键作用。
Zelano 及其同事发现，呼吸节律不仅会同步涉及情绪和记忆的大脑区域的活动，还会影响人们在涉及情绪和记忆的任务中的表现。在一项实验中，他们监测了受试者的呼吸，并要求他们在心理学家开发的一组照片中识别人们表达的情绪，以测试情绪识别能力。与呼气时相比，当照片出现时，受试者在呼吸时更快地识别出恐惧的面孔。在另一项测试中，受试者更准确地记住了他们之前是否看过吸气时显示的照片。同样，当受试者通过鼻子呼吸时，效果最强。
最近的研究表明，呼吸节律不仅可以在大脑区域内同步活动，还可以在大脑区域之间同步活动。在一项研究中，神经科学家 Nikolaos Karalis 和 Anton Sirota 发现，呼吸速率使睡眠小鼠的海马体和前额叶皮层之间的活动同步。Karalis 和 Sirota 在今年早些时候发表在《自然通讯》上的一篇论文中指出，这种同步可能在建立长期记忆中发挥作用。许多神经科学家认为，记忆最初在海马体中形成，然后在睡眠期间转移到皮层进行长期存储——这一过程被认为需要海马体和皮层之间的同步活动。
对 Tort 来说，这些发现表明呼吸和大脑功能之间可能存在重要联系，但他表示需要更多的工作来将这些点联系起来。他说，呼吸影响大脑振荡的证据很强。现在的挑战是弄清楚这对行为、认知和情感意味着什么。
控制呼吸，平静心态？
几千年来，瑜伽和其他古老冥想传统的练习者一直练习控制呼吸作为影响他们心理状态的一种手段。近年来，研究人员对这些效应的生物学机制以及如何应用它们来帮助焦虑症和情绪障碍患者越来越感兴趣。
加州大学洛杉矶分校（UCLA）的精神病学家海伦·拉夫雷茨基（Helen Lavretsky）说，一个挑战是将呼吸的影响与这些做法的其他方面分开。“当你进行这种多组分干预时，真的很难区分什么是最有效的，因为那里有伸展和运动、可视化和吟唱，”她说。更不用说许多人对这种做法所附加的文化和精神成分。
多年来，Lavretsky 一直与神经科学家和其他人合作，研究不同类型的冥想如何影响大脑以及压力和免疫功能的生物标志物。除其他外，她发现冥想可以提高实验室记忆测试的表现，并改变患有轻度认知障碍的老年人的大脑连接，轻度认知障碍是阿尔茨海默病和其他类型痴呆的潜在前兆。在尚未发表的最新研究中，她开始研究仅靠呼吸控制方法是否有帮助。
“尽管我是一名精神科医生，但我的研究是关于如何避免 [开] 药，”Lavretsky 说，他也是一名经过认证的瑜伽教练。她认为呼吸练习对许多人来说可能是一个不错的选择，尤其是随着对哪些呼吸技巧最适合哪些情况以及如何为个人量身定制进行更多研究。“我们都有这个工具，我们只需要学习如何使用它，”她说。
