Сеть нейронов создает уникальный ритм для каждого вздоха

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.

Сеть нейронов создает уникальный ритм для каждого вздоха

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