За возбуждение мозга во время бодрствования отвечают весьма определённые структуры, на которые, как оказалось, повлиять совсем несложно. Таким образом, секрет дыхательных практик раскрыт! Стэнфордские учёные обнаружили небольшое скопление клеток, которое расположено в центре управления дыханием ствола мозга и напрямую контактирует с областями, отвечающими за генерацию возбуждения. Результаты опубликованы в журнале Science.
Проведите эксперимент. Сядьте удобно, дышите медленно и плавно. Чувствуете, как вас одолевает всепроникающее чувство спокойствия? А теперь задышите быстро и шумно. Организм приходит в напряжение. Почему так происходит? Это был один из тех вопросов, на который наука не знала ответа. До недавнего времени.
«Это исследование интригует, поскольку обеспечивает клеточное и молекулярное понимание того, как срабатывает вся эта система», – говорит главный автор работы Марк Красноу (Mark Krasnow), профессор кафедры биохимии Стэнфорда.
Людям со стрессовыми расстройствами врачи иногда назначают упражнения на дыхание. Аналогично устроена практика пранаямы – дыхательного контроля, с помощью которого можно «сдвинуть» сознание с возбуждённого или даже судорожного состояние в более медитативное. К слову, это – основной компонент практически всех разновидностей йоги.
Горстка нейронов
Крошечное скопление нервных клеток, связывающих дыхание с расслаблением, вниманием и тревогой, находится в глубине мозга. Этот конгломерат, который Красноу назвал дыхательным «кардиостимулятором», обнаружен у мышей соавтором исследования Джеком Фельдманом, профессор нейробиологии Калифорнийского университета, ещё в 1991 году. Аналогичная структура с тех пор идентифицировалась и у людей.
«Дыхательный стимулятор имеет, в некоторых смыслах работает даже жёстче, чем его сердечный «коллега». В отличие от сердца, деятельность которого как бы двунаправлена (бьётся либо быстрее, либо медленнее), дыхание бывает совершенно различных типов: обычное, взволнованное, вздохи, зевки, рывки, если человек задыхается, смех, рыдания. Мы задавались вопросом, что, возможно, если и разные подтипы нейронов, которые за эти виды отвечают», – говорит Красноу.
Учёные прошлись по общедоступным базам данных, чтобы собрать список генов, которые преимущественно активизируются в той части мозга мыши, где находится дыхательный центр. Это центр называется комплексом пре-бётцингер (pre-Bötzinger или preBötC). Кстати, любопытный факт: комплексы бётцингер и пре-бётцингер получили свое название не в честь учёного, а в честь… вина. Профессор Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе назвал их так в честь бутылки вина бётцингер, которую ему подарили на конференции в Германии в 1978 году.
В итоге нашёлся ряд генов, позволивших исследователям определить более чем 60 отдельных нейронных подтипов, отличающихся друг от друга по их генактивирующей «подписи», но сочетающихся с preBötC наподобие хорошо смешанных друг с другом нитей спагетти. Учёные смогли использовать их в качестве маркёров, позволяющих сосредоточиться на различных подтипах нейронов.
«Расстрелять» и изучить
Таким образом, появилась возможность оценить роль каждой субпопуляции. Исследователи выборочно разрушали любой из них согласно генетической подписи и наблюдали, как их потери влияют на дыхание животных. В 2016 году совместно с Фельдманом им удалось выделить субпопуляцию клеток в preBötC, которая явно отвечала за вздохи. После «выбивания» только этих нейронов вздохи исчезали, но все остальные виды дыхания оставались нетронутыми. Открытие публиковали в Nature в 2016 году — кратко о нём вы можете прочитать на нашем сайте.
После этого Красноу и его коллега Кевин Якл (Kevin Yackle) из Калифорнийского университета в Сан-Франциско стали изучать дыхательную роль другой субпопуляции, которая включила около 175 нейронов зоны preBötC, отличающихся по двум генетическим маркёрам Cdh9 и Dbx1. Биоинженерным путём они создали мышей, в которых могли по желанию «выбивать» только те нейроны, которые несли в себе эти подписи.
Однако после самого эксперимента с животными не случилось ровно ничего. По сравнению со своими «обычными» сородичами у них не наблюдалось никаких отклонений.
На схеме изображен путь (зелёным), напрямую связывающий дыхательный центр, центр возбуждения и остальные части мозга. Источник: Krasnow lab.
Но после нескольких дней разочарование сменилось воодушевлением. Учёные заметили кое-что странное: для мышей животные стали необычайно спокойными. Когда их размещали в новой среде, которая обычно стимулирует множество разведывательных рефлексов, эти животные просто сидели и совершенно спокойно облизывали свою шкурку.
«Серый кардинал» возбуждения
Дальнейший анализ показал, что при эти мыши по-прежнему могут воспроизводить всё «палитру» дыхания. Однако, стало гораздо меньше быстрых «активных нюхательных» движений и гораздо больше медленных вдохов, связанных с расслаблением и спокойствием животных.
Учёные предположили, что вместо того, чтобы регулировать дыхание, эти нейроны переключились на связь с другой структурой в продолговатом мозге. Эта структура, называемая голубым пятном, имеет связь практически с каждой зоной мозга и приводит его в возбуждение: будит нас ото сна, поддерживает наше внимание, а также при необходимости вызывает беспокойство и чувство страха.
Известно, что нейроны голубого пятна также настраивают ритмичное поведение, соотнося его с дыханием. В серии экспериментов исследователи доказали, что нейроны зоны preBötC, экспрессирующие Cadh9 и Dbx1 – не единственная проекция этого участка в голубое пятно. Но именно они способны осуществить его длительную активацию, распространяя широкую волну возбуждения по мозгу. То есть фактически, через дыхание мозгом управляют какие-то 175 нейронов!
«Зона preBötC, по-видимому, играет ключевую роль в воздействии дыхания на возбуждение и эмоции, например, во время медитации. Мы надеемся, что понимание функций этого центра приведёт к созданию эффективной терапии при стрессах, депрессиях и других эмоциональных расстройств с негативной окраской», — отмечают учёные.
Текст: Анна Хоружая http://neuronovosti.ru
