Американские ученые обнаружили в продолговатом мозге мышей субпопуляцию из 175 нейронов, которая отвечает за баланс между режимами дыхания. Искусственно удалив эти нейроны, им удалось получить животных, которые дышат медленнее, чем собратья, и ведут себя гораздо спокойнее.
Людям давно известно, что размеренное и глубокое дыхание может помочь успокоиться, в том числе, во время панических атак. Дыхательные практики применяются как в йоге, так и в медицине, но до сих пор было не вполне понятно, как именно человек успокаивается и что происходит при смене ритмов дыхания.
Регуляцию дыхания обеспечивает дыхательный центр, который располагается в продолговатом мозге и состоит из нескольких частей. Объектом исследования ученых стал комплекс пре-Бётцингера (preBötC), располагающийся в вентролатеральной части продолговатого мозга и состоящий примерно из трех тысяч нейронов в каждой половине мозга. Известно, что его клетки способны задавать дыхательный ритм, а также инициировать начало дыхательного процесса и заставлять организм совершать важные для работы легких вздохи (об этом мы уже рассказывали недавно), воздействуя на моторные нейроны в живом организме и даже в пробирке.
Изучив экспрессию около 19 тысяч генов, взятых из базы данных по мышиным эмбрионам (Euroexpress embryonic day 14.5 mouse hindbrain database), ученые обратили внимание на ген кадгерин-9 (Cdh9), который продемонстрировал в этих нейронах повышенный уровень экспрессии. Выделив нейроны, которые экспрессируют его, с помощью метки mOrange, они разделили их по характеру экспрессии ряда транскрипционных факторов на семь групп. Особый интерес представляла самая большая группа — субпопуляция Cdh9/Dbx1, которая содержала около 175 нейронов в каждой половине мозга. Известно, что при удалении всех клеток, экспрессирующих Dbx1, происходит нарушение дыхательного ритма, что приводит к смерти мыши.
Работая со срезами preBötC, ученым удалось показать, что некоторые из этих нейронов активирутся во время инициации вдоха или непосредственно перед ней. Убедившись, что Cdh9/Dbx1 экспрессируются только в этих клетках, они удалили эту субпопуляцию нейронов из мозга мыши путем селективной абляции с помощью дифтерийного токсина. Несмотря на важность фактора Dbx1, подвергнутые этой процедуре мыши не умерли. Более того, даже спустя год у них не было замечено изменений во времени вдоха и выдоха во всех четырех стандартных режимах дыхания, и остался прежним характер дыхания во сне и при уменьшении или увеличении уровня кислорода в воздухе.
Изменилась, однако, частота смены самих режимов дыхания. Гораздо чаще мыши стали дышать медленно и спокойно. Они стали меньше заниматься исследованием новых территорий и больше — своей шерсткой. Они стали чаще сидеть на месте и реже беспокоиться, хотя сильный стресс по-прежнему мог влиять на них. Электрокортикографический анализ показал, что периоды активной работы мозга у них стали короче, а низковолновая активность (в том числе, дельта-волновая) увеличилась. Это напоминало изменения, происходящие при удалении клеток голубого пятна (locus coeruleus или LC), ответственного за стресс, возбуждение и переход между сном и бодрствованием. Выяснилось, что при введении меток в LC, они вскоре оказываются в нейронах субпопуляции Cdh9/Dbx1, и это происходит селективно — меток, введенных в соседние относительно LC локусы, там не появляется. После этого ученые убедились, что можно и выключать Cdh9/Dbx1 с помощью вирусных препаратов через LC, вновь добиваясь увеличения периодов спокойного дыхания и снижения активности мозга.
Ученые полагают, что субпопуляция нейронов Cdh9/Dbx1 служит связующим звеном между центром стресса и остальным мозгом, и ответственна за переходы от возбужденного дыхания к спокойному. Если ситуация стрессовая или необходима повышенная активность мозга, дыхание должно участиться, а когда настает время успокоиться, оно должно, наоборот, замедлиться. Это работает и в обратную сторону — если, например, при волнении начинать размеренно и ровно дышать, это позволит быстрее придти в себя; напротив, если начать дышать очень резко, то можно в некоторых случаях вызвать у себя паническую атаку. Авторы статьи называют описанный нейронный путь «пранаяма» (в йоге этим словом называют управление так называемой «жизненной энергией» с помощью дыхательных упражнений). Статья опубликована в Science.
Раньше мы уже рассказывали, как уровень тревожности у мышей уменьшали с помощью имитирования медитации. Новые данные, касающиеся работы дыхательного центра, могут помочь в разработках лекарственных средств и дыхательных методик для борьбы с тревожными расстройствами, паническими атаками и даже синдромом внезапной детской смерти, который, по некоторым гипотезам, связан с неправильной реакцией центров стресса на нехватку кислорода.
Автор: Анна Казнадзей