Практикующие психическое здоровье и гуру медитации уже давно приписывают преднамеренному дыханию способность вызывать внутреннее спокойствие, но ученые не до конца понимают, как мозг участвует в этом процессе. Используя функциональную магнитно-резонансную томографию (ФМРТ) и электрофизиологию, исследователи из инженерного колледжа штата Пенсильвания выявили потенциальную связь между дыханием и изменениями нервной активности у крыс.

Их результаты были доступны онлайн перед публикацией в eLife. Исследователи использовали одновременные мультимодальные методы, чтобы устранить шум, обычно связанный с визуализацией мозга, и точно определить, где дыхание регулирует нервную активность.

"Существует около миллиона опубликованных работ по ФМРТ — неинвазивному методу визуализации, который позволяет исследователям изучать активность мозга в режиме реального времени", - сказал Наньинь Чжан, директор-основатель Центра нейротехнологий в области исследований психического здоровья штата Пенсильвания и профессор биомедицинской инженерии.

"Исследователи визуализации привыкли считать, что дыхание - это не нейронный физиологический артефакт, такой как сердцебиение или движение тела, при ФМРТ-визуализации. Наша статья вводит идею о том, что дыхание имеет нейронный компонент: оно влияет на сигнал ФМРТ, модулируя нейронную активность."

Сканируя мозговые волны грызунов в состоянии покоя под наркозом с помощью ФМРТ, исследователи выявили сеть областей мозга, участвующих в дыхании.

"Дыхание - это потребность, общая почти для всех живых животных", - сказал Чжан. "Мы знаем, что дыхание контролируется областью в стволе мозга. Но у нас не было полной картины того, как дыхание влияет на другие области мозга".

В тандеме с ФМРТ исследователи использовали нейронную электрофизиологию, которая измеряет электрические свойства и сигналы в нервной системе, чтобы связать дыхание с нервной активностью в поясной извилине коры головного мозга — области мозга в центре полушария головного мозга, связанной с эмоциональной реакцией и регуляцией. Одновременное использование ФМРТ и электрофизиологии позволило исследователям выявить изменения сигнала ФМРТ, не связанные с нервными процессами, во время сбора данных, такие как движение и выдох углекислого газа.

По словам Чжана, полученные результаты дают представление о том, как нейронная активность и сигналы ФМРТ связаны в состоянии покоя, что может послужить основой для будущих исследований визуализации, направленных на понимание того, как изменяются сосудисто-нервные сигналы в состоянии покоя.

"Когда животные дышали, мы измерили, как их мозговая активность колебалась в зависимости от ритма дыхания", - сказал Чжан. "Если распространить этот подход на людей, он может дать механистическое представление о том, как контроль дыхания, характерный для медитативных практик, может помочь уменьшить стресс и беспокойство".

По словам Чжана, корреляция между нервной активностью в поясной извилине коры головного мозга и ритмом дыхания может указывать на то, что ритмы дыхания могут влиять на эмоциональное состояние.

"Когда мы находимся в тревожном состоянии, часто наше дыхание учащается", - сказал Чжан. "В ответ мы иногда делаем глубокий вдох. Или когда мы сосредотачиваемся, мы склонны задерживать дыхание. Это признаки того, что дыхание может влиять на работу нашего мозга. Дыхание позволяет нам контролировать наши эмоции, например, когда нам нужно изменить работу нашего мозга. Наши результаты подтверждают эту идею".

По словам Чжана, будущие исследования могут быть сосредоточены на наблюдении за мозгом людей во время медитации, чтобы проанализировать более прямую связь между медленным, преднамеренным дыханием и нервной активностью.

"Наше понимание того, что происходит в мозге, все еще поверхностно", - сказал Чжан. "Если исследователи повторят исследование на людях, используя те же методы, они могли бы объяснить, как медитация модулирует нервную активность в мозге".