Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 39. «Серый кардинал» возбуждения: как дыхание управляет мозгом?

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.

preview16 (1)

Илл: StockVault

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.

 

breathing-tranquility-neurosciencneews

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

science

Breathing control center neurons that promote arousal in mice by Kevin Yackle, Lindsay A. Schwarz, Kaiwen Kam, Jordan M. Sorokin, John R. Huguenard, Jack L. Feldman, Liqun Luo, and Mark A. Krasnow in Science. Published online March 2017

doi:10.1126/science.aai7984

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *