編譯：James
來源：醫(yī)之道
相信很多人小時候都有這樣的經(jīng)歷：參加考試或比賽的時候很緊張，老師說做一下深呼吸，你試著做了深呼吸以后，就會覺得不那么緊張了。
不過這只是經(jīng)驗而已，至于為什么有這個作用，老師也沒有解釋過。最近，發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上的一項研究破解了這個秘密。
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在這項研究中，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一小簇神經(jīng)元將腦部呼吸控制中心的活動與負(fù)責(zé)生成全腦喚醒信號的結(jié)構(gòu)連接起來。這項研究的通訊作者為生物化學(xué)教授Mark Krasnow, MD, PhD；第一作者是原斯坦福大學(xué)研究生Kevin Yackle, MD, PhD，現(xiàn)為加州大學(xué)舊金山分校教師。
一小撮神經(jīng)元
將呼吸與放松、注意、興奮和焦慮連接起來的小簇神經(jīng)元位于腦干深處。這簇神經(jīng)元所在的區(qū)域被Krasnow稱為呼吸起搏點，由本研究共同作者、加州大學(xué)洛杉磯分校神經(jīng)生物學(xué)教授Jack Feldman博士在小鼠中發(fā)現(xiàn)，他在1991年發(fā)表了他的研究結(jié)果。此后在人類中發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
該圖描繪了將腦部呼吸中樞直接連接到覺醒中樞和腦部其他區(qū)域的通路（綠色）。（圖片來源：斯坦福大學(xué)）
“在某些方面，呼吸起搏點的任務(wù)要比心臟相應(yīng)部分更艱巨?！盞rasnow說道，“與心臟起搏點只負(fù)責(zé)快慢的一維任務(wù)相比，呼吸有許多不同的類型：普通、興奮、嘆氣、打呵欠、喘粗氣、睡眠、大笑、抽泣。我們想知道是否呼吸控制中樞內(nèi)不同亞型的神經(jīng)元可能負(fù)責(zé)產(chǎn)生這些不同類型的呼吸?！?/p>
在這種預(yù)感的驅(qū)動下，Yackle通過公共數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索，匯集了一系列基因，這些基因在小鼠腦干中呼吸控制中樞所在的部分被優(yōu)先活化。這個中樞用技術(shù)術(shù)語來說，叫做前B?tzinger復(fù)合體或前B?tzingerC。
他指出了一些這樣的基因，使得研究人員能夠確認(rèn)60多種不同的神經(jīng)元亞型，它們彼此之間可以通過本身的基因活化簽名進(jìn)行物理區(qū)分，但在前B?tzingerC中就像攪拌好的意大利面一樣混合在一起?？茖W(xué)家們能夠利用這些基因和它們編碼的蛋白質(zhì)產(chǎn)物作為標(biāo)志物，使他們能夠瞄準(zhǔn)不同的神經(jīng)元亞型。
敲除神經(jīng)元
現(xiàn)在科學(xué)家們能系統(tǒng)性地評估實驗室小鼠中每個神經(jīng)元亞群的作用。利用先進(jìn)的技術(shù)，他們可以根據(jù)活化基因的獨特簽名，有選擇地破壞這些神經(jīng)元亞型中的任意一種，并且只破壞該亞型。然后他們可以觀察這種特定亞型的缺失如何影響動物的呼吸。2016年，他們與Feldman合作，在前B?tzingerC成功分離了一個神經(jīng)元亞群，這個亞群明確控制呼吸的一種類型：嘆氣。敲除這些神經(jīng)元就消除了嘆氣，但呼吸的其他模式不受影響。這一結(jié)果發(fā)表在2016年發(fā)表于《自然》雜志。
接著，在175個前B?tzingerC神經(jīng)元中，Krasnow和Yackle著手去發(fā)現(xiàn)另一個共同表達(dá)Cdh9和Dbx1這兩個遺傳標(biāo)志物的亞群在呼吸中所起的作用。他們通過生物工程技術(shù)將小鼠中攜帶Cdh9/Dbx1標(biāo)志物的神經(jīng)元敲除，但出乎意外的是，這些小鼠似乎絲毫不受影響。與那些被剝奪了嘆氣模式的小鼠弟兄們不同，這些小鼠的呼吸變化組合沒有出現(xiàn)缺失。
“最初我感到失望?！盰ackle說。
但幾天之后，他發(fā)現(xiàn)了一些情況：作為小鼠，這些動物出奇地安靜?！叭绻惆阉鼈兎旁谝粋€新環(huán)境中，通常小鼠會受新環(huán)境刺激而做很多嗅探和探索。”Yackle說，“但它們只會坐著梳理自己身上的毛”——這被認(rèn)為是小鼠成熟的證據(jù)。
冷靜下來
進(jìn)一步的分析表明，雖然這些小鼠仍顯示了呼吸的各種模式，從嘆息到嗅探，但這些模式的相對比例發(fā)生了變化?？焖俚摹胺e極”呼吸和更快的“嗅探”式呼吸減少了，與冷靜相關(guān)的緩慢呼吸增多了。
研究人員推測，這些神經(jīng)元并非調(diào)節(jié)呼吸，而是監(jiān)測呼吸，并將結(jié)果報告給腦干中的另一種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)叫做藍(lán)斑，能向大腦幾乎每一個部分發(fā)出投射，并促使覺醒：從睡眠中醒來；保持我們的警覺；如果過度，則會引發(fā)焦慮和窘迫。已知藍(lán)斑神經(jīng)元表現(xiàn)出時相與呼吸相關(guān)的節(jié)律行為。斯坦福大學(xué)研究人員在一系列實驗中，不僅證明表達(dá)Cadh9和Dbx1的前B?tzingerC神經(jīng)元投射到藍(lán)斑核（新發(fā)現(xiàn)），而且能激活其長距離投射，促使全腦覺醒。
“如果你的呼吸受到損害或加速，你需要馬上知道。”Krasnow說，“這175個神經(jīng)元負(fù)責(zé)把發(fā)生的事情告訴腦部其他部分，所以它們絕對是非常關(guān)鍵?！?/p>
“前B?tzingerC在呼吸對覺醒和情緒的作用中起重要作用，比如在冥想時所看到的情況?！盕eldman說，“我們希望對該中樞功能的了解會幫助開發(fā)出對壓力、抑郁和其他負(fù)面情緒的治療?！?/p>
參考文獻(xiàn)：
Kevin Yackle, et al. Breathing control center neurons that promote arousal in mice. SCIENCE31 MAR 2017 : 1411-1415
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