Исследования показывают, что небольшая сеть нейронов постоянно регулирует наше дыхание.

Пожалуй, нет ничего важнее, чем человек должен дышать.

Дыхание происходит в большинстве случаев без необходимости думать об этом, и это тоже хорошо — это поддерживает нас в живых.

Можно ожидать, что какие-то мощные неврологические часы регулируют наше дыхание. Однако исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) обнаружили, что это не так просто.

За нашим дыханием стоит механизм, который гораздо более импровизационный, чем предполагали эксперты.

Для каждого отдельного вдоха ответственные нейроны запускаются в несинхронизированном хаосе, прежде чем в конечном итоге объединиться в единый связный сигнал, который побуждает моторные нейроны производить ингаляцию.

Исследование появляется в журнале Нейрон.

Как хор

«Мы были удивлены, узнав, что наши мозговые клетки работают вместе, чтобы генерировать ритм дыхания, каждый раз, когда мы делаем вдох», — говорит старший автор Джек Фельдман.

Удивительно сложное взаимодействие и переговоры, которые предшествуют каждому дыханию, напоминают первому автору Суфьяну Ашхаду о хоре:

«Кажется, что каждый нейрон прочищает горло и репетирует свою мелодию, поэтому их коллективный звук не имеет смысла. Однако, когда нейроны взаимодействуют, они быстро синхронизируются, чтобы петь в гармонии, превращая их индивидуальные соло из какофонии в гармонию ».

«Каждое дыхание, — говорит Фельдман, — похоже на новую песню с таким же ритмом».

Предыдущее исследование Фельдмана выявило небольшую сеть нейронов, которую он назвал комплексом preBötzinger, как регулятор нашего дыхания.

Однако, идентифицируя нейроны, он столкнулся с загадкой, которую пытается решить его новое исследование: активность в комплексе была на удивительно низком уровне и, тем не менее, достаточно мощной, чтобы справиться с генерацией ритма дыхания.

Открытие в новом исследовании заключается в том, что именно сумма нейронов Комплекса — когда они наконец становятся организованными и срабатывают вместе — обеспечивает сигнал, достаточный для генерации ингаляции.

Фельдман говорит: «Учитывая надежность дыхания, мы были ошеломлены, обнаружив, что движение этих нейронов для синхронизации и генерации ритма отличается в каждом дыхательном цикле».

Гибкая система

Чтобы услышать о взаимодействии нейронов preBötzinger Complex, исследователи изолировали нейроны от ствола мозга образца ткани мозга мыши.

Поместив их в лабораторную посуду, исследователи смогли записать электрическую активность нейронов, подслушивая их настройку метафорического хора и в конечном итоге петь вместе в гармонии.

Период, в течение которого нейроны практикуют и взаимодействуют друг с другом до формирования связного сигнала, может быть средством адаптации.

«Ритм дыхания постоянно меняется — от того, когда вы поднимаетесь с места на место и выходите из дома. Если бы ваш мозг не мог автоматически адаптироваться, вы бы потеряли сознание от недостатка кислорода, прежде чем выйти на улицу », — отмечает Фельдман.

Наблюдения исследователей предполагают, что «импровизации» отдельных нейронов на самом деле являются их индивидуальными реакциями на текущие условия и дыхательные потребности.

Таким образом, синхронизированный сигнал представляет собой сумму ответов его членов, адаптирующих его к текущим условиям. Этот сигнал заставляет диафрагму и грудную клетку сокращаться до соответствующей степени для текущих потребностей организма. Это сокращение расширяет грудь и втягивает только необходимое количество воздуха.

Учитывая фундаментальную важность дыхания, Фельдман надеется, что его исследование в конечном итоге может привести к новым способам лечения расстройств дыхания, таких как апноэ во сне, а также проблем с дыханием, распространенных у аутичных детей.

Он также может представлять собой более эффективное средство управления потенциально смертельным подавлением дыхания, которое сопровождает употребление опиоидов.

«Наша основная идея заключается в том, что важно изучать влияние нейронов на коллективном уровне, а не только в отдельных клетках. Мы надеемся, что это открытие откроет новые направления для исследований и решит вопрос, который сохранялся веками».

— Суфьян Ашхад