Каждый вдох оставляет свой след в мозге

Ученые обнаружили, что мозг связан не только с ритмом дыхания, но и с формой каждого отдельного вдоха и выдоха

Мы привыкли считать вдохи. Мозг, похоже, получает гораздо больше информации

Когда врачи или исследователи оценивают дыхание, один из самых очевидных показателей — его частота. Например, человек делает определенное количество дыхательных движений в минуту.

Но два человека с одинаковой частотой дыхания могут дышать совершенно по-разному. Более того, даже у одного человека соседние вдохи не идентичны.

Один вдох чуть глубже. Другой длиннее. Выдох может быть быстрым или растянутым. Между ними может появиться короткая пауза. Поток воздуха ускоряется и замедляется не одинаково.

Именно на эти различия обратили внимание исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего и нескольких других научных центров.

Они решили посмотреть на дыхание не просто как на ритм, а как на последовательность волн, каждая из которых имеет собственную форму.

А затем задали необычный вопрос: связана ли форма каждой такой волны с формой электрической активности мозга в тот же момент?

Оказалось — связана.

Как увидеть, что происходит в мозге во время одного вдоха

Обычно электрическую активность мозга человека регистрируют с поверхности головы. Но у такого метода есть ограничения: между электродами и нервной тканью находятся череп и другие ткани.

В новом исследовании использовалась гораздо более редкая возможность.

В нем участвовали 16 человек с эпилепсией, которым по медицинским показаниям уже проводили инвазивный мониторинг мозга. Электроды находились внутри черепа, что позволяло регистрировать локальную электрическую активность мозга значительно точнее.

Исследователи одновременно измеряли дыхание. Для этого использовали данные о потоке воздуха через нос, а также движения грудной клетки и живота.

Но вместо того чтобы усреднить сотни вдохов и получить один типичный дыхательный цикл, ученые анализировали их по отдельности.

Для каждого цикла оценивали характеристики его формы: продолжительность вдоха и выдоха, их соотношение, интенсивность воздушного потока и другие параметры.

Похожим образом анализировали и форму соответствующих нейронных колебаний.

Получилось своеобразное сопоставление: один дыхательный цикл — один фрагмент активности мозга.

Каждый вдох оказался немного другим — и мозговая волна тоже

Исследователи обнаружили связь между изменениями формы дыхательного цикла и изменениями формы нейронных колебаний.

Причем она наблюдалась в разных областях переднего мозга, включая участки, участвующие в когнитивных процессах, эмоциях и памяти.

Это принципиально отличается от уже известного факта, что электрическая активность мозга может синхронизироваться с ритмом дыхания.

Представьте метроном. Если он делает один удар каждую секунду, можно сказать, что другой процесс синхронизирован с ним, если тоже повторяется раз в секунду.

Но форма каждого отдельного сигнала при этом может быть совершенно разной.

Новое исследование показывает более тонкий уровень связи.

Важно оказалось не только когда происходит вдох или выдох, но и как именно выглядит конкретный дыхательный цикл.

Вот где дыхание перестает быть простым метрономом

Это, пожалуй, самый интересный момент исследования.

Дыхание удобно представлять как периодический сигнал: вдох — выдох — вдох — выдох. Мозг при таком представлении может синхронизировать часть своей активности с этим ритмом.

Но настоящее дыхание не похоже на идеальную синусоиду.

Мы разговариваем, вздыхаем, задерживаем дыхание, делаем глубокий вдох, медленно выдыхаем. Даже в покое длительность и интенсивность соседних дыхательных циклов немного различаются.

Нейронные колебания тоже не являются идеальными симметричными волнами.

Авторы исследования обнаружили, что эта вариабельность двух систем связана: особенности формы отдельного дыхательного цикла соответствовали особенностям формы нейронного колебания.

Иными словами, связь дыхания и мозга проявляется не только на уровне общего ритма. Она прослеживается буквально от вдоха к вдоху.

Причем связь с формой нейронных колебаний была заметно сильнее для данных о потоке воздуха через нос, чем для измерений движения грудной клетки и живота.

Почему форма мозговой волны вообще имеет значение

Нейронная осцилляция — это ритмическое изменение электрической активности больших групп нервных клеток.

Такие колебания не просто появляются на записи ЭЭГ. Их характеристики связаны с тем, как синхронизируются нейроны и когда возникают временные окна, в которых нервные клетки с большей или меньшей вероятностью могут передавать сигналы.

Поэтому форма волны потенциально несет информацию о работе нейронной сети.

Если изменения дыхания действительно связаны с изменениями этой формы от цикла к циклу, дыхание оказывается встроено в динамику мозга гораздо глубже, чем предполагает простая модель «частота дыхания — частота мозгового ритма».

Но здесь нужна важная оговорка.

Исследование обнаруживает тесную связь, а не доказывает причинность. По этим данным нельзя утверждать, что изменение формы вдоха само по себе вызывает конкретное изменение работы мозга.

Дыхание и мозг были связаны и раньше — теперь разрешение стало выше

Сам принцип связи дыхания с мозговой активностью не нов.

В 2016 году исследователи показали, что естественное носовое дыхание синхронизирует электрическую активность в нескольких структурах мозга, включая миндалевидное тело и гиппокамп.

В экспериментах с участием здоровых людей фаза дыхания также была связана с выполнением некоторых задач на распознавание эмоциональных стимулов и извлечение информации из памяти.

Новое исследование не отменяет эти результаты, а увеличивает разрешение наблюдения.

Раньше вопрос во многом звучал так: «Связан ли ритм дыхания с ритмами мозга?»

Теперь появляется следующий: «Связаны ли индивидуальные особенности каждого отдельного вдоха с индивидуальными особенностями соответствующего цикла мозговой активности?»

Ответ исследователей — да, такая связь обнаруживается.

Это не доказательство пользы дыхательных упражнений

Здесь особенно легко сделать вывод, которого исследование не позволяет.

Если дыхание так тесно связано с мозгом, можно предположить, что определенный способ вдохов и выдохов должен автоматически улучшать память, снижать тревогу или каким-либо другим образом «настраивать» мозг.

Новая работа этого не проверяла.

В ней не сравнивали дыхательные упражнения, не определяли «оптимальную» продолжительность вдоха и выдоха и не показывали, что сознательное изменение формы дыхания приводит к конкретному когнитивному или лечебному эффекту.

Поэтому превращать результат в инструкцию вроде «дышите по такой схеме, чтобы изменить мозговые волны» было бы преждевременно.

Ценность исследования в другом: оно показывает физиологическую связь тела и мозга с гораздо более высоким временным разрешением.

Неожиданное применение может оказаться совсем не в медитации

У работы есть еще одно направление, потенциально гораздо более серьезное.

Один из авторов исследования, нейрохирург Брайан Длоухи из Университета Айовы, изучает SUDEP — внезапную неожиданную смерть при эпилепсии. В некоторых случаях после приступа могут возникать опасные нарушения дыхания.

Авторы предполагают, что теперь можно исследовать, нарушается ли обнаруженная связь между дыхательным циклом и активностью мозга перед подобными событиями.

Аналогичный вопрос они ставят применительно к синдрому внезапной детской смерти — SIDS.

Но именно вопрос, а не готовый диагностический метод.

Исследование не показало, что по дыханию можно заранее предсказывать SUDEP или SIDS. Оно не обнаружило надежный предупреждающий сигнал и не предлагает систему мониторинга пациентов или младенцев.

Теперь появилась основа, с помощью которой такую гипотезу можно проверять.

Если в нормальном состоянии форма дыхания и форма нейронных колебаний тесно связаны, исследователи смогут спросить: что происходит с этой связью перед опасным нарушением дыхания?

Главные ограничения скрываются в самих условиях эксперимента

Шестнадцать участников — небольшая выборка.

Кроме того, это были не случайно выбранные здоровые добровольцы. Все участники проходили инвазивный мониторинг по поводу трудно поддающейся лечению эпилепсии.

Именно благодаря этому исследователи получили уникально точные записи из мозга человека. Но это одновременно ограничивает возможность автоматически переносить результаты на всю популяцию.

Есть и еще более фундаментальное ограничение: связь двух сигналов сама по себе не устанавливает направление воздействия.

Дыхание может влиять на мозговую активность. Мозг управляет дыханием. На обе системы одновременно влияют уровень бодрствования, движения, эмоции и другие физиологические процессы.

Реальная система, вероятнее всего, представляет собой двустороннее взаимодействие.

Поэтому следующий этап — не поиск «правильного вдоха», а выяснение того, какие части обнаруженной связи являются причинными, через какие физиологические пути они возникают и меняются ли они при заболеваниях.