Медленное дыхание через нос меняет работу цепи мозга, связанной с тревогой

Ученые проследили путь сигнала от рецепторов в носу до миндалевидного тела — и показали, почему значение может иметь именно ритм дыхания

Медленно вдохнуть. Медленно выдохнуть. Совет кажется почти слишком простым, чтобы за ним стояла серьезная нейробиология.

Но исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), показало у мышей необычный путь: мозг может воспринимать ритм движения воздуха через нос как самостоятельный нервный сигнал и передавать его в структуры, участвующие в регуляции тревоги.

Иными словами, дыхание может воздействовать на эмоциональное состояние не только потому, что мы сознательно пытаемся успокоиться. Сам нос способен сообщать мозгу, с какой частотой через него движется воздух.

Нос оказался не просто входом для воздуха

Когда мы говорим об обонятельной системе, обычно думаем о запахах. В носовой полости находятся обонятельные сенсорные нейроны — клетки, которые обнаруживают химические вещества и позволяют мозгу различать запахи.

Но эти нейроны способны реагировать и на механическое воздействие воздушного потока.

Каждый вдох поэтому создает не только газообмен в легких. Он еще и ритмически стимулирует сенсорные клетки носа.

Исследователи из Фуданьского университета и других научных центров решили выяснить, может ли частота таких сигналов сама по себе влиять на тревожное поведение.

Для этого они использовали несколько методов одновременно: контролируемый поток воздуха через нос, оптогенетику — управление определенными нейронами с помощью света, регистрацию электрической активности мозга, измерение активности клеток, химическое выключение отдельных участков нейронной цепи и стандартные тесты тревожного поведения у мышей.

Так удалось не просто обнаружить связь между дыханием и поведением, а проследить маршрут сигнала.

Сигнал проходит от носа почти до центра страха

Цепочка начинается с обонятельных сенсорных нейронов в носовой полости.

Оттуда сигнал поступает к митральным клеткам обонятельной луковицы — одной из первых станций обработки информации, приходящей из носа.

Дальше исследователи обнаружили особенно интересный участок маршрута: сигнал направляется к парвальбумин-позитивным нейронам периринальной коры.

Название сложное, но принцип достаточно прост.

Периринальная кора — область мозга, расположенная рядом с височной долей и связанная с несколькими системами обработки сенсорной информации, памяти и эмоций. Парвальбумин-позитивные нейроны — особый класс преимущественно тормозных нервных клеток, способных очень быстро координировать активность нейронных сетей.

Из периринальной коры обнаруженная цепь продолжается к задней части базолатеральной амигдалы — миндалевидного тела.

Амигдала играет важную роль в обработке угрозы, страха и тревоги.

Получается маршрут:

нос → обонятельная луковица → периринальная кора → амигдала.

Но главным открытием оказался даже не сам маршрут.

Мозг различал медленный и быстрый ритм

Исследователи стимулировали сенсорные нейроны носа с разной частотой.

При низкой частоте — 2 Гц в основных экспериментах — мыши демонстрировали меньше тревожного поведения. При высокой, 7 Гц, происходило обратное.

Дополнительные эксперименты расширили диапазон: стимуляция с частотой 1–2 Гц уменьшала тревожное поведение, тогда как 7–10 Гц его усиливала по сравнению с промежуточными частотами 3,5–4 Гц.

Ученые отдельно проверили, не объясняется ли результат просто количеством или интенсивностью стимуляции. Изменение продолжительности импульсов и выравнивание общей интенсивности воздействия не устраняли эффект.

Это важный момент: нервная система, по-видимому, воспринимала не просто факт движения воздуха через нос, а его ритм.

Вот где дыхание превращается в сигнал для эмоций

При медленной стимуляции исследователи увидели увеличение высокочастотной гамма-активности в периринальной коре.

Гамма-ритмы — это быстрые синхронные колебания электрической активности нейронных сетей. Они не являются отдельной «частотой спокойствия»: гамма-активность участвует во множестве процессов мозга. Но именно в обнаруженной цепи ее изменение оказалось связано с поведением животных.

Низкочастотная стимуляция носа активировала парвальбумин-позитивные нейроны периринальной коры и усиливала высокочастотную гамма-активность. Чем выраженнее была эта активность, тем меньше тревожного поведения наблюдалось у животных.

При высокой частоте происходило противоположное.

Именно здесь появляется главный момент исследования.

Медленное носовое дыхание потенциально может воздействовать на эмоциональные системы мозга не только «сверху вниз» — когда человек сознательно контролирует дыхание и тем самым меняет свое состояние.

Существует и путь «снизу вверх»: движение воздуха → сенсорные клетки носа → мозг.

То есть тело может сообщать мозгу собственный ритм.

Ученые проверили, действительно ли эта цепь необходима

Одной корреляции было бы недостаточно.

Если одновременно меняются ритм носовой стимуляции, активность мозга и поведение, это еще не означает, что найденная цепь действительно вызывает эффект.

Поэтому исследователи начали вмешиваться непосредственно в нее.

Когда они химически подавляли передачу сигнала от обонятельной луковицы к парвальбумин-позитивным нейронам периринальной коры, зависимое от частоты изменение тревожного поведения исчезало.

Затем ученые отдельно активировали и тормозили элементы обнаруженной цепи.

Результаты снова менялись в противоположных направлениях: активация воспроизводила эффект низкочастотной стимуляции, а подавление — эффект высокой.

Это значительно усиливает аргумент в пользу причинной связи.

Речь уже не просто о том, что медленная стимуляция носа сопровождается спокойным поведением. Эксперимент позволил показать конкретную нейронную цепь, необходимую для этого эффекта у мышей.

Две недели изменили не только поведение

Исследователи пошли еще дальше и использовали модель повышенной тревожности.

Животные получали низкочастотную стимуляцию — 2 Гц — ежедневно по два часа в течение 14 дней.

К концу эксперимента показатели тревожного поведения приблизились к уровням, наблюдавшимся до создания модели тревожности. Одновременно восстанавливалась сниженная ранее высокочастотная гамма-активность периринальной коры.

А затем обнаружился еще один интересный результат.

Через неделю после прекращения двухнедельного курса исследователи снова проверили животных. Существенного ухудшения достигнутого эффекта за этот период они не обнаружили.

Это уже намекает не только на кратковременную реакцию мозга на поток воздуха, но и на возможность более длительной перестройки работы соответствующей сети.

Однако именно здесь особенно важно не переносить результат непосредственно на человека.

Это не означает, что человеку нужно дышать с частотой 2 Гц

Цифры из эксперимента нельзя превращать в дыхательную инструкцию.

Исследователи стимулировали сенсорную систему мышей с заданными частотами. Физиология дыхания мыши существенно отличается от человеческой, а 2 Гц означает два цикла стимуляции в секунду — это совсем не тот ритм, который человек должен пытаться воспроизводить дыханием.

Авторы сами описывают низкую частоту относительно нормального дыхательного ритма мышей.

Поэтому главный вывод исследования не «дышите с частотой X».

Он гораздо интереснее: частота сенсорного сигнала, создаваемого движением воздуха через нос, сама способна менять работу нейронной цепи, регулирующей тревожное поведение.

Почему медленное дыхание может работать сразу несколькими путями

До этого исследования уже существовало несколько объяснений успокаивающего действия медленного дыхания.

Сознательный контроль дыхания вовлекает корковые структуры мозга и связи с дыхательными центрами ствола. Изменение дыхательного ритма влияет на автономную нервную систему, сердечный ритм и множество других физиологических процессов.

Новая работа не отменяет эти механизмы.

Она добавляет еще один.

Нос может быть самостоятельным сенсорным каналом, через который ритм дыхания синхронизирует активность определенных мозговых сетей.

Поэтому привычное противопоставление «тревога заставляет человека чаще дышать» может быть неполным.

Возможна двусторонняя связь.

Тревога ускоряет дыхание — но изменившийся ритм сигналов от носа, в свою очередь, потенциально способен поддерживать состояние тревоги.

По крайней мере, именно такую петлю обратной связи предполагают результаты экспериментов на мышах.

Самое важное ограничение скрыто в двух словах — «на мышах»

Работа подробно исследует механизм, но пока остается доклинической.

Эксперименты проводились на мышах, причем использовались только самцы. Авторы прямо называют это ограничением и отмечают необходимость будущих исследований на самках.

Часть экспериментов выполнялась с помощью оптогенетики и хемогенетики — методов, позволяющих чрезвычайно точно управлять определенными клетками мозга, но не являющихся эквивалентом обычного человеческого дыхания.

Даже механически контролируемый поток воздуха через нос экспериментального животного отличается от ситуации, когда человек самостоятельно медленно дышит.

Наконец, тревожное поведение мыши — модель определенных компонентов человеческой тревоги, а не человеческое тревожное расстройство во всей его сложности.

Поэтому исследование не доказывает, что обнаруженная цепь работает у человека точно таким же образом, и тем более не превращает дыхательные упражнения в замену психотерапии или лекарственной терапии тревожных расстройств.

Но простая дыхательная практика стала биологически интереснее

На протяжении веков различные традиции использовали медленное дыхание как способ влиять на состояние сознания, не имея представления о парвальбумин-позитивных нейронах, гамма-ритмах или связях периринальной коры с амигдалой.

Современная нейробиология постепенно начинает разбирать этот феномен на отдельные механизмы.

Новая работа особенно интересна тем, что переносит внимание с легких на нос.

Если результаты подтвердятся у людей, движение воздуха через нос окажется не просто частью дыхательной механики. Оно может быть сенсорным сигналом, который мозг постоянно использует для настройки эмоциональных сетей.

И тогда фраза «подышите медленнее» перестает выглядеть исключительно психологическим советом.

За ней может стоять вполне конкретная нейронная физиология.