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对于一个80岁人来说，他呼吸累计多达十亿次，吸入和呼出足够的空气来填充大约50个固特异飞艇或更多。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，并清除由于细胞代谢而积聚的二氧化碳。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。 这是一种如此自动的行为，以至于我们倾向于认为它是理所当然的。但呼吸是一个生理奇迹——既非常可靠，又非常灵活。我们的呼吸频率几乎可以立即改变，以响应压力或唤醒，甚至在体力活动增加之前。呼吸与其他行为（如吃饭、说话、大笑和叹气）如此无缝地协调，以至于您可能从未注意到您的呼吸是如何变化以适应它们的。呼吸也会影响你的心态，瑜伽和其他古老的冥想传统的控制呼吸练习证明了这一点。 近年来，研究人员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，该网络设定了呼吸的节奏。这一发现一直是研究大脑如何将呼吸与其他行为相结合的跳板。与此同时，研究人员一直在发现有证据表明，呼吸可能会影响大脑大片区域的活动，包括在情绪和认知中发挥重要作用的大脑。 每一次呼吸都是肺、肌肉、大脑的交响乐
每次吸气时，您的肺部都会充满富含氧气的空气，然后扩散到您的血液中，分布在您的全身。一对典型的人体肺包含大约500亿个称为肺泡的小囊，其壁是气体在气道和血液之间通过的地方。这个接口的总表面积约为69.67平方米 - 比典型的一居室还大。 “哺乳动物，包括人类，的非凡之处在于我们在肺有大量的表面积，”费尔德曼说。更大的表面积意味着每秒交换更多的气体。但肺不能单独完成。它们本质上是一袋软绵绵的组织。“为了做到这一点，肺部必须像风箱一样泵送，”费尔德曼说。每次吸气时，胸腔底部的横膈肌收缩，向下移动约半英寸。同时，肋骨之间的肋间肌肉将肋骨向上和向外移动 - 所有这些都使肺部扩张并吸入空气。（如果你曾经被风吹倒在胃部，你对横膈膜了如指掌;如果你吃过烤排骨，你就会遇到肋间肌肉。 休息时，这些肌肉仅在吸入时收缩。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，不同的肌肉收缩以主动排出空气并加快呼吸。
呼吸需要膈肌和肋间肌肉的协调运动。当这些肌肉收缩时，空气被吸入肺部，数以亿计的微小肺泡提供了一个表面，氧气可以扩散到血液中，二氧化碳可以扩散出去。每次呼气时，这些肌肉都会放松，空气被迫回流。
与心肌不同，心肌具有设定节奏的起搏器细胞，控制呼吸的肌肉从大脑中接受命令。鉴于这些大脑信号对生命的重要性，追踪它们花了令人惊讶的很长时间。第一个思考他们来源的人之一是希腊医生盖伦，他注意到脖子断裂超过一定水平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产生信号。 但脑干呼吸模式发生器的确切位置直到1980年代后期才被人所知，当时费尔德曼及其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 Complex（preBötC）。那里的神经元自发地表现出有节奏的电活动爆发，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，有些人认为伯辛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上的一次晚宴上突然出现的，他怀疑一位同事不恰当地将这一发现据为己有。费尔德曼碰了碰杯，提议敬酒，并建议以来自德国伯辛根周边地区的葡萄酒命名大脑区域。也许是被那杯酒润滑了，其他人同意了，这个名字就卡住了。“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开心。” 精确定位呼吸的节奏设定器
费尔德曼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、不甘、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这样做——这可能是因为叹息除了具有表达特性外，还具有重要的生物学功能。人类每隔几分钟就会叹息一次，每次叹息都以吸气开始，吸入的空气量大约是正常呼吸的两倍。科学家怀疑这有助于打开塌陷的肺泡，肺泡是肺部发生气体交换的微小腔室，就像吹入乳胶手套会弹出手指一样。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，费尔德曼及其同事确定了四个小群体的神经元，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。当研究人员用高度选择性的毒素杀死这些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。从本质上讲，研究人员得出结论，这四组神经元形成了一个回路，告诉preBötC中断其正常大小的呼吸的常规程序并命令深呼吸。 preBötC在协调其他行为与呼吸方面也有作用。费尔德曼在叹息论文上的合作者之一，神经科学家凯文·亚克尔（Kevin Yackle）及其同事最近使用小鼠来研究呼吸和发声之间的相互作用。当与巢穴分离时，新生小鼠会发出超声波哭声，声音太高，人类听不到。通常在一次呼吸中定期发出几声哭泣，这与人类语音中的音节没有什么不同，Yackle说，他现在在加州大学旧金山分校。“你有这种较慢的呼吸节奏，然后嵌套在其中，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，并沿着它们的连接回到脑干中的细胞簇，在他们命名为中间网状振荡器（iRO）的区域。使用各种技术，研究人员发现杀死或抑制iRO神经元会消除发声哭泣的能力，刺激它们会增加每次呼吸的哭声数量。 当研究人员用iRO神经元解剖出脑组织切片时，细胞以规则模式不断放电。“这些神经元产生的节奏与动物的叫声完全相同，它比preBötC呼吸节奏更快，但嵌套在preBötC呼吸节奏中，”Yackle说。
呼吸似乎对大脑有深远的影响，包括对认知和情感起作用的区域，如海马体、杏仁核和前额叶皮层。这些影响可能源于脑干呼吸中枢preBötC产生的信号;通过迷走神经或嗅觉系统的感觉输入;或对血液中氧气 （O2） 和二氧化碳 （CO2） 水平的反应。
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，从而帮助将发声与呼吸相结合 - 使一系列简短的哭声整齐地适合一次呼出的呼吸。也就是说，有节奏的哭泣不是由一系列呼气产生的，而是来自一次长时间的呼气和几次中断。 今年早些时候在《神经元》杂志上报道的研究结果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，也许这是由于需要协调发声和呼吸所施加的限制。 设定大脑的节奏
最近的研究表明，呼吸可以影响人们在令人惊讶的广泛实验室测试中的表现。某人处于吸气和呼气循环中会影响多种能力，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影响;用嘴呼吸不会。 关于这可能如何工作的一个新兴想法集中在大脑中电活动的有据可查的节律振荡上。这些波通常用头皮上的电极测量，捕获数千个神经元的累积活动，几十年来，一些神经科学家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单独处理的感官信息，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速度。在对啮齿动物的实验中，几个研究小组发现呼吸节律会影响海马体的活动波，海马体是学习和记忆的关键区域。在清醒期间，海马体中神经元的集体电活动以一致的速率上升和下降 - 通常在每秒10到<>次之间。这种θ节律，正如它所称的，发生在所有被研究过的动物身上，包括人类。 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及其同事开始研究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，每秒约三个峰值，与静止小鼠的呼吸速率大致相同。Tort说，起初他们担心这是人工制品，可能是由不稳定的电极或动物的运动引起的。但其他实验使他们确信，节律活动不仅是真实的，与呼吸同步，而且它就像节拍器一样，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。利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，研究人员发现自然呼吸同步了几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，这种同步效应减弱了，这表明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。与呼气时相比，当照片出现时，受试者在呼吸时更快地识别恐惧的面孔。在另一项测试中，受试者更准确地记住了他们以前是否看过一张照片，当他们吸气时呈现时。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内部同步，还可以在大脑区域之间同步活动。在一项研究中，神经科学家尼古拉斯·卡拉利斯（Nikolaos Karalis）和安东·西罗塔（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。这种同步可能在产生长期记忆方面发挥作用，Karalis和Sirota在今年早些时候发表在Nature Communications上的一篇论文中建议。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储存——这一过程被认为需要海马体和皮层之间的同步活动。 对于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，但他说需要做更多的工作来连接这些点。他说，呼吸影响大脑振荡的证据是强有力的。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，平静的头脑？
几千年来，瑜伽和其他古老冥想传统的练习者一直在练习控制呼吸作为影响他们心态的一种手段。近年来，研究人员对这些效应的生物学机制以及如何将它们应用于帮助焦虑和情绪障碍患者越来越感兴趣。 一个挑战是将呼吸的影响与这些实践的其他方面分开，加州大学洛杉矶分校的精神病学家海伦·拉夫列茨基说。“当你进行这种多成分干预时，真的很难区分什么是最有效的，其中有伸展、运动、可视化和吟唱，”她说。更不用说许多人对这种做法的文化和精神成分了。 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。她发现，除其他外，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，这是阿尔茨海默病和其他类型的痴呆的潜在前兆。在最近尚未发表的研究中，她开始研究单独的呼吸控制方法是否有帮助。 “尽管我是一名精神科医生，但我的研究是如何避免[开]药物，”拉夫列茨基说，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很好的选择，特别是随着更多关于哪种呼吸技巧最适合哪些条件以及如何为个人量身定制的研究。“我们都有这个工具，我们只需要学习如何使用它，”她说。 |
