加州大學(xué)洛杉磯分校的神經(jīng)科學(xué)家杰克·費(fèi)爾德曼（Jack L. Feldman）表示：“呼吸承擔(dān)著很多工作。這非常復(fù)雜，因?yàn)槲覀儠?huì)不斷改變行為和新陳代謝，而且呼吸必須與其他全部行為相協(xié)調(diào)?！?/div>
費(fèi)爾德曼與人合著的一篇關(guān)于呼吸與情緒相互作用的綜述文章最近于《神經(jīng)科學(xué)年鑒》（Annual Review of Neuroscience）發(fā)表。
每次吸氣，肺部都會(huì)充滿富含氧的空氣，然后它們擴(kuò)散至血液，再遍布全身。一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)人類(lèi)肺包含大約5億個(gè)小囊泡，它們被稱(chēng)為肺泡，是肺部氣體交換的主要部位，氧氣從肺部彌散到血液的過(guò)程中，需經(jīng)過(guò)肺泡壁，后者的總表面積可達(dá)70平方米。
費(fèi)爾德曼指出：“哺乳動(dòng)物的非凡之處在于，肺部擁有巨大表面積，而越大的表面積意味著每秒交換越多的氣體?！?/div>
但肺是無(wú)法單獨(dú)完成呼吸的，因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上只是麻袋。用費(fèi)爾德曼的話說(shuō)，“要完整發(fā)揮作用，必須得像鼓動(dòng)風(fēng)箱一樣給肺部泵氣”，也就是吸氣。
每次吸氣，胸腔底部的橫膈肌收縮，向下移動(dòng)約1.3厘米，與此同時(shí)，位于肋骨之間的肋間肌將胸腔向上和向外移動(dòng)——這些過(guò)程能擴(kuò)張肺部并吸入空氣。
休息狀態(tài)下，上述肌肉只在吸氣時(shí)收縮。當(dāng)肌肉放松且肺部放氣時(shí)，呼氣會(huì)被動(dòng)發(fā)生。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不吸氣時(shí)肌肉也會(huì)收縮以主動(dòng)排氣并加快呼吸。
呼吸需要橫膈肌和肋間肌的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)這些肌肉收縮時(shí)，空氣被吸入肺部，通過(guò)數(shù)以億計(jì)微小肺泡所提供的表面，氧氣擴(kuò)散至血液，而代謝產(chǎn)生的二氧化碳則從血液向肺部輸送。每次呼氣時(shí)，橫膈肌和肋間肌都會(huì)放松，肺部氣體被迫排出
心臟的肌肉有起搏細(xì)胞，因而具備自律性，可自主設(shè)定節(jié)奏；相比之下，控制呼吸的肌肉接受來(lái)自大腦的指令。
鑒于這些指令之于生命的重要意義，人們?yōu)樽粉櫵鼈兌度氪罅繒r(shí)間。
最早思考其源頭的人之一是希臘醫(yī)生蓋倫（Galen），他發(fā)現(xiàn)角斗士脖子被折損到一定程度后，就無(wú)法正常呼吸了。后來(lái)的實(shí)驗(yàn)將目標(biāo)指向腦干。
1930年代，英國(guó)生理學(xué)家埃德加·阿德里安（Edgar Adrian）發(fā)現(xiàn)，解剖后的金魚(yú)腦干會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生有節(jié)奏的電活動(dòng)，這似乎是呼吸的模式生成信號(hào)。
不過(guò)直到1980年代后期，腦干呼吸模式發(fā)生器的確切位置才顯端倪。當(dāng)時(shí)費(fèi)爾德曼和同事將搜索范圍縮小到嚙齒動(dòng)物腦干里約含3000個(gè)神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)（人類(lèi)腦干里的這個(gè)網(wǎng)絡(luò)包含10000個(gè)神經(jīng)元）。
該網(wǎng)絡(luò)如今被稱(chēng)為“前包欽格復(fù)合體”（preB?tC），其中神經(jīng)元的電活動(dòng)呈節(jié)律性暴發(fā)，這些電活動(dòng)通過(guò)中間神經(jīng)元傳遞，指導(dǎo)控制呼吸的肌肉。
嘆氣節(jié)奏設(shè)定者
費(fèi)爾德曼的大量工作都旨在準(zhǔn)確了解preB?tC中的神經(jīng)元如何產(chǎn)生呼吸節(jié)律，其中包括非常有意思的“嘆氣研究”。
通過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的深呼吸，人類(lèi)能夠表達(dá)很多東西：悲傷、解脫、順從、向往、疲憊……可嘆氣又并非人類(lèi)的專(zhuān)屬，所有哺乳動(dòng)物都會(huì)。這可能是因?yàn)閲@氣不只表情達(dá)意，還具備重要的生物學(xué)功能。
人類(lèi)每隔幾分鐘就會(huì)嘆氣一次，每次嘆息都以吸氣開(kāi)始，吸入空氣量大約為正常呼吸的2倍。
科學(xué)家推測(cè)，這有助于打開(kāi)塌陷的肺泡，就像對(duì)乳膠手套吹氣從而打開(kāi)手指一樣。有些證據(jù)支持此觀點(diǎn)，例如，醫(yī)院呼吸機(jī)設(shè)定了周期性嘆氣功能，并被證明可改善肺功能和維持患者血氧水平。
根據(jù)2016年發(fā)表于《自然》的一份論文，費(fèi)爾德曼和同事確定了4個(gè)神經(jīng)元小群，它們似乎在嚙齒動(dòng)物腦中負(fù)責(zé)引發(fā)嘆氣的工作。其中2組神經(jīng)元位于preB?tC附近的腦干區(qū)域，另外2組則身處preB?tC內(nèi)部，前者向后者發(fā)送信號(hào)。
當(dāng)費(fèi)爾德曼等人采用高度選擇性毒素殺死這些preB?tC神經(jīng)元時(shí)，小鼠停止了嘆氣，不過(guò)呼吸仍然強(qiáng)勁。
另一方面，當(dāng)他們注射神經(jīng)肽以激活preB?tC神經(jīng)元時(shí)，小鼠嘆氣頻率增加了9倍。
研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)道，這4個(gè)神經(jīng)元小群形成了回路，能告知preB?tC中斷其常規(guī)的呼吸程序，而進(jìn)行更深地呼吸。
呼吸似乎對(duì)大腦有深遠(yuǎn)的影響，影響范圍包括認(rèn)知和情感相關(guān)腦區(qū)，如海馬體、杏仁核和前額葉皮層。這些影響可能源于腦干呼吸中心preB?tC產(chǎn)生的信號(hào)，通過(guò)迷走神經(jīng)或嗅覺(jué)系統(tǒng)的感覺(jué)輸入，或響應(yīng)血液中的氧氣和二氧化碳水平
呼吸竟也能設(shè)定大腦的節(jié)奏
近期一些研究表明，呼吸可以影響人的多種能力，例如感知微弱觸摸和區(qū)分三維物體的能力——我們知道很多人傾向于在開(kāi)展認(rèn)知任務(wù)前深吸氣，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這樣做的確能提高認(rèn)知表現(xiàn)。
有意思的是，似乎只有通過(guò)鼻子呼吸才可助能增益，用嘴呼吸沒(méi)效果。
關(guān)于上述現(xiàn)象背后的機(jī)制，可能要從腦電活動(dòng)的節(jié)律性振蕩中找答案。
過(guò)去幾十年間，神經(jīng)科學(xué)家借助頭皮電極測(cè)量腦電波，以此觀察大量神經(jīng)元的活動(dòng)。在他們看來(lái)，腦電活動(dòng)能反映遙遠(yuǎn)腦區(qū)之間的交流，而這種交流又構(gòu)成認(rèn)知的重要方面，例如聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)信息的各自處理與相互整合。（一部分科學(xué)家甚至提出，此類(lèi)同步活動(dòng)可能就是意識(shí)的基礎(chǔ)，但顯然這一點(diǎn)極難證明。）
越來(lái)越多證據(jù)支持這樣一種觀點(diǎn)，那就是呼吸可能為某些腦電振蕩設(shè)定了節(jié)奏。
針對(duì)嚙齒動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，呼吸節(jié)律影響著海馬體的腦電活動(dòng)節(jié)律。海馬體是學(xué)習(xí)和記憶的關(guān)鍵區(qū)域；清醒期間，海馬體內(nèi)神經(jīng)元的集體電活動(dòng)以一致的速度升降（通常在每秒6~10次之間）。學(xué)者稱(chēng)此現(xiàn)象為θ節(jié)律，發(fā)生于包括人類(lèi)在內(nèi)的諸多動(dòng)物身上。
巴西北里奧格蘭德聯(lián)邦大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家阿德里亞諾·托特（Adriano Tort）與同事在研究θ振蕩過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)測(cè)量電極也采集到了另一種較慢的節(jié)律，大約每秒3個(gè)峰值，與靜息狀態(tài)小鼠的呼吸頻率相同。
托特表示，起初他們懷疑這只是由電極不穩(wěn)定或動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)引起的，但更多實(shí)驗(yàn)讓他們相信，此慢節(jié)律活動(dòng)不僅真實(shí)存在，還與呼吸同步，如同節(jié)拍器般為海馬體內(nèi)更快的θ振蕩設(shè)定節(jié)奏。2016年，他們發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)。
大約同一時(shí)間，神經(jīng)科學(xué)家克里斯蒂娜·澤拉諾（Christina Zelano）等人報(bào)道了人類(lèi)身上的類(lèi)似情況。
研究人員在癲癇患者大腦上放置電極，通過(guò)電極的數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)他們的癲癇發(fā)病情況。結(jié)果顯示，自然呼吸會(huì)使得多個(gè)腦區(qū)的振蕩同步，這些腦區(qū)包括海馬體和杏仁核（情緒處理的重要區(qū)域）。
值得一提的，當(dāng)患者用嘴呼吸時(shí)，同步效應(yīng)就減弱了，這表明鼻腔氣流的感覺(jué)反饋發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
澤拉諾和同事發(fā)現(xiàn)，呼吸節(jié)律不僅能同步情緒和記憶相關(guān)腦區(qū)的活動(dòng)，還可影響個(gè)體開(kāi)展情緒和記憶相關(guān)任務(wù)的水平。
在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，他們監(jiān)測(cè)受試者呼吸，同時(shí)要求其識(shí)別照片（由心理學(xué)家制作）中人所表達(dá)的情緒，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比呼氣，人在吸氣時(shí)能更快識(shí)別出恐懼的面孔。
另一項(xiàng)測(cè)試顯示，人吸氣時(shí)更準(zhǔn)確地記住了此前看過(guò)的照片——同樣地，只有用鼻子呼吸才能實(shí)現(xiàn)最佳記憶效果。
除了同步“區(qū)內(nèi)”的活動(dòng)，呼吸節(jié)律還同步“區(qū)間”活動(dòng)。
在一項(xiàng)研究中，神經(jīng)科學(xué)家尼古拉斯·卡拉利斯（Nikolaos Karalis）和安東·西羅塔（Anton Sirota）發(fā)現(xiàn)，睡眠小鼠的呼吸節(jié)律使海馬體與前額葉皮層間的活動(dòng)得以同步，而這種同步似乎對(duì)于形成長(zhǎng)期記憶至關(guān)重要。
許多神經(jīng)科學(xué)家認(rèn)為，記憶最初于海馬體內(nèi)形成，然后在睡眠期間轉(zhuǎn)移至皮層以長(zhǎng)期存儲(chǔ)，這個(gè)過(guò)程離不開(kāi)兩片腦區(qū)間的同步活動(dòng)。
控制呼吸，冷靜頭腦？
幾千年來(lái)，瑜伽等古老冥想術(shù)的練習(xí)者都會(huì)控制呼吸，以此改善精神狀態(tài)。近些年，研究人員開(kāi)始探索冥想的呼吸之妙，其背后的生物學(xué)機(jī)制，以及應(yīng)用之法——如何用它幫助焦慮癥和情緒障礙患者。
加州大學(xué)洛杉磯分校的精神病學(xué)家海倫·拉夫列茨基（Helen Lavretsky）表示，要應(yīng)用呼吸之妙，就應(yīng)先將呼吸的影響與其他因素剝離，“冥想術(shù)對(duì)人體的影響很復(fù)雜，練習(xí)者會(huì)進(jìn)行伸展、運(yùn)動(dòng)、觀想和唱誦，你很難確定是什么因素發(fā)揮了何種效果。”
多年來(lái)，拉夫列茨基一直在研究“不同類(lèi)型的冥想如何影響大腦”，以及“壓力和免疫功能的生物標(biāo)志物”。
她發(fā)現(xiàn)，冥想本身（除去其他各種因素影響）可提高練習(xí)者在實(shí)驗(yàn)室記憶測(cè)試中的表現(xiàn)，并改變患輕度認(rèn)知障礙（阿爾茨海默病和其他類(lèi)型癡呆癥的潛在前兆）的老年人的大腦連接。
在最近的研究中，她開(kāi)始研究單獨(dú)的呼吸控制練習(xí)的作用。
身兼瑜伽教練的拉夫列茨基認(rèn)為呼吸練習(xí)對(duì)許多人來(lái)說(shuō)都是健康選擇。“盡管我是一名精神科醫(yī)生，但我的研究旨在避免處方藥使用。每個(gè)人都能呼吸，我們只需要學(xué)習(xí)如何使用這一工具?！?/div>
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