Ритмы нашего дыхания — и как они влияют на эмоции, память и ум

Если вам посчастливится дожить до 80 лет, то за свою жизнь вы сделаете около миллиарда вдохов и выдохов, пропустив через себя столько воздуха, что им можно было бы наполнить примерно 50 больших дирижаблей. Мы делаем около 20 000 вдохов в день, всасывая кислород для питания наших клеток и избавляя организм от углекислого газа, который накапливается в ходе метаболизма.

Дыхание происходит настолько автоматически, что мы не обращаем на него внимания. Хотя это физиологическое чудо — очень надежное и невероятно гибкое. Частота нашего дыхания может мгновенно измениться в ответ на стресс, возбуждение или увеличение физической активности. К тому же, дыхание настолько органично скоординировано с другими видами деятельности, такими как прием пищи, разговор или смех, что мы даже не замечаем, как оно меняется, чтобы приспособиться к ним.

В последние годы исследователи начали разгадывать некоторые из механизмов работы дыхания и принципы его влияния на наше тело и разум. Еще в конце 1980-х нейробиологи нашли сеть нейронов в стволе мозга, которая задает ритм дыхания. Это открытие стало трамплином для дальнейших изучений того, как мозг интегрирует дыхание с другими видами нашей активности. Например, исследователи обнаружили, что ритм дыхания напрямую влияет на области мозга, которые играют важную роль в эмоциях и усвоении знаний.

Недавно нейробиологи из Калифорнийского университета под руководством доктора Джека Фельдмана написали статью о взаимодействии дыхания и эмоций в журнале Neuroscience. Из неё можно узнать, как, казалось бы, самый простой и естественный для нас процесс определяет наш метаболизм, наши ощущения и, по итогам, нашу жизнь.

 

Симфония работы легких, мозга и мышц

Каждый вдох — это сложнейший процесс. Типичная пара легких содержит около 500 миллионов крошечных мешочков, альвеол, в стенках которых кислород и углекислый газ проходят между дыхательными путями и кровотоком. Общая площадь этих альвеол в человеке составляет около 70 квадратных метров — больше площади обычной двухкомнатной квартиры.

«Замечательная особенность млекопитающих, в том числе людей, заключается в том, что наша грудная клетка имеет огромную площадь поверхности», — говорит Фельдман. — «А чем больше площадь поверхности, тем больше газообмена в секунду».

Но легкие не могут делать это в одиночку. Они, по сути, просто вялые мешочки из ткани. Чтобы наше дыхание работало, легкие должны накачиваться, как мехи. Это делается с помощью межреберных мышц. Они сокращаются во время вдоха, а выдох обычно происходит пассивно, когда мышцы расслабляются. Если человек сильно дышит, скажем, во время занятий спортом, группы мышц начинают сокращаться, чтобы активно вытеснять воздух и таким образом ускорять дыхание.

Ученые давно знали, что, в отличие от сердечной мышцы, у которой есть «ведущие» клетки, задающие ритм всем остальным, мышцы, контролирующие дыхание, получают приказы от головного мозга. Учитывая жизненно важное значение этих сигналов, потребовалось на удивление много времени, чтобы их отследить и понять.

Одним из первых, кто задумался об их происхождении, был греческий врач Гален. Он заметил, что гладиаторы, чьи шеи были переломаны выше определенного уровня, не могли нормально дышать. Что довольно странно, ведь легкие находятся гораздо ниже. Более поздние эксперименты дополнительно сузили область и указали на ствол мозга. А в 1930-х годах британский физиолог Эдгар Адриан продемонстрировал, что рассеченный ствол мозга золотой рыбки производит ритмическую электрическую активность. Он решил, что это сигнал, генерирующим паттерн, лежащий в основе дыхания.

Но точное местонахождение генератора дыхательных паттернов в стволе мозга оставалось неизвестным до конца 1980-х годов. Тогда Фельдман и его коллеги смогли сузить его до сети примерно из 3000 нейронов в стволе мозга грызунов (у людей эта область содержит около 10 000 нейронов). В 1991 году Фельдман выпустил об этом работу и назвал этот район «комплексом преБетцингера» (pre-BötC). Нейроны в нём спонтанно демонстрируют ритмичные всплески электрической активности. А затем они, передаваясь через промежуточные нейроны, управляют мышцами, контролирующими дыхание. Так наконец-то мы нашли то, за счет чего неосознанно для себя дышим.

 

В ритме твоего дыхания

Большая часть последующих исследований Фельдмана сосредоточена на понимании того, как именно нейроны в preBötC генерируют ритм нашего дыхания. Эта работа также заложила основу для изучений того, как мозг управляет взаимодействием между дыханием и другими видами активности человека.

Скажем, один из интересных примеров — вздохи. Долгий, глубокий вдох может выражать многое: печаль, облегчение, покорность, усталость, тоску. Но мы, люди, не единственные, кто вздыхает! Сейчас считается, что вздыхают вообще все млекопитающие. Но почему? Разве у них есть настолько обширный спектр эмоций, который нужно кому-то передавать?

Лидирующая теория — вздох имеет важную биологическую функцию. А то, что он выразительный и может быть замечен другими — это уже вторично. Люди вздыхают каждые несколько минут, даже если никого рядом нет. Каждый вздох начинается с большого вдоха, который поглощает примерно в два раза больше воздуха, чем обычный. Затем, на выдохе, следует вздох. Ученые думают, что это помогает нам раскрыть коллапсированные альвеолы, то есть разблокировать те крошечные камеры в легких, в которых происходит газообмен. Примерно так, как сильный выдох в латексную перчатку раскрывает её пальцы.

Эту идею подтверждают несколько доказательств. Например, было показано, что больничные вентиляторы для пациентов в коме, запрограммированные на периодическое «вздыхание» раз в несколько минут, улучшают работу легких и лучше поддерживают уровень кислорода в крови пациентов.

В исследовании, опубликованном в 2016 году в журнале Nature, Фельдман и его коллеги определили четыре совсем небольшие популяции нейронов, которые, по-видимому, отвечают за вздохи у грызунов. Две из этих групп нейронов находятся в области ствола мозга рядом с preBötC и посылают сигналы двум другим группам, которые находятся внутри preBötC. Когда исследователи убили «внутренние» нейроны preBötC высокоселективным токсином, крысы перестали вздыхать, но их обычное дыхание осталось сильным. С другой стороны, когда ученые ввели в группу нейропептиды, активирующие нейроны, крысы стали вздыхать в 10 раз чаще. По сути, выходит, что четыре эти маленькие группы нейронов образуют цепь, которая отвечает за наши вдохи и вздохи.

В стволе мозга была также найдена цепочка нейронов, контролирующих гортань, а значит, и наш голос (её назвали iRO). Они тоже связаны с клетками в preBötC, и это позволяет нашей гортани и ритму вдохов-выдохов кооперировать. Скажем, нейроны iRO могут приказать preBötC делать крошечные вдохи, прерывающие выдох, позволяя серии коротких криков аккуратно вписываться в один выдох. Если вы когда-нибудь слышали крик обезьяны-ревуна, продолжительный, но прерывистый, теперь вы знаете, насколько сложный процесс для этого на самом деле происходит в его мозгу.

Похожие выводы, опубликованные коллегами и бывшими учениками Фельдмана в начале прошлого года в журнале Neuron, могут иметь значение для понимания того, как мы говорим. Ученые там пишут о том, что количество слогов в секунду в нашей речи оказывается очень похожим у всех человеческих языков. Возможно, это связано с ограничениями, накладываемыми необходимостью координировать нашу вокализацию с дыханием. Поскольку мы не можем одновременно дышать и говорить, нам нужно выделять время для вдоха, ритм нашей речи находится в строгом, очень узком диапазоне, которому следуют все, даже самые отдаленные племена.

 

Три лайфхака

Недавние исследования показали, что цикл дыхания может влиять на показатели людей в удивительно широком спектре разных тестов. Например, то, в каком ритме вдохов и выдохов находится человек, изменяет степень его восприимчивости к слабым прикосновениям. А также меняет то, насколько быстро и точно он различает трехмерные объекты.

Одно исследование показало, что люди, как правило, вдыхают непосредственно перед сложной когнитивной задачей, и это способствует повышению их производительности. Другие обнаружили, что такие эффекты возникают только при дыхании через нос: дыхание через рот на эффективность решения задач не влияет.

Одна из идей, почему это так странно работает, фокусируется на ритмических колебаниях электрической активности мозга. Эти волны легко измеряются электродами на голове и показывают кумулятивную активность тысяч наших нейронов. Уже десятилетия нейробиологи утверждают, что они отражают установление связи между отдаленными областями мозга. Например, то, как мозг связывает информацию из слуховой и зрительной части, чтобы создать полноценную картину происходящего в нашей голове. Некоторые ученые даже предполагают, что такая синхронизированная деятельность разных отделов мозга может лежать в основе самого сознания (хотя это очень трудно доказать).

Все больше данных свидетельствует о том, что именно дыхание задает темп для некоторых из этих общих колебаний, устанавливающих связи. Например, в экспериментах с грызунами несколько исследовательских групп обнаружили, что ритм дыхания влияет на волны активности в гиппокампе — области, важной для памяти и обучения. Возможно, дело в том, что мозг затрачивает много энергии для своей работы, и поэтому ему важно подстроиться так, чтобы во время самой интенсивной работы у него было максимальное количество кислорода. Как бы то ни было, этот так называемый «тета-ритм» встречается у всех изученных животных, включая людей. Обычно он немного быстрее ритма дыхания, примерно в два раза, но синхронизирован с ним.

В исследовании 2016 года нейробиолог Адриано Торт из Федерального университета Риу-Гранди-ду-Норти в Бразилии решил изучить эти тета-колебания. И заметил, что его электроды улавливают в мозгу мышей ещё и другой ритм, более медленный, с примерно тремя пиками в секунду (вместо десяти). Сначала они беспокоились, что это артефакт, возможно, вызванный плохим электродом или движениями животного. Но дополнительные эксперименты убедили их в том, что такая ритмическая активность не только реальна и синхронизирована с дыханием, но и действует как метроном, задавая точный темп другим, более быстрым тета-колебаниям в гиппокампе. То есть теперь у нас есть гарантированно установленная связь между дыханием и контактами разных отделов мозга между собой. Ритм дыхания обеспечивает ритм работы мозга.

Примерно в то же время нейробиолог Кристина Зелано и ее коллеги сообщили об обнаружении аналогичных результатов у людей. Используя данные электродов, помещенных хирургами в мозг пациентов с эпилепсией для наблюдения за их приступами, исследователи обнаружили, что естественное дыхание синхронизирует колебания в нескольких областях мозга, включая гиппокамп и миндалевидное тело, играющие важную роль в обработке эмоций.

Этот синхронизирующий эффект уменьшился, когда исследователи попросили испытуемых дышать через рот. Что довольно странно: казалось бы, воздух, вдыхаемый через рот, идет в трахею и бронхи точно так же, как и воздух из носа. Это позволило ученым предположить, что ключевую роль здесь играет сенсорный сигнал от носового потока. Который, видимо, транслируется в мозг и влияет на координацию работы разных его отделов. Тогда становится понятно, например, почему при приступе паники человеку рекомендуют немного подышать через рот: это в прямом смысле позволяет снизить влияние эмоций. Такой лайфхак можно использовать в любой ситуации, какими бы эти эмоции ни были. Если вы чувствуете, что вам нужно вернуться в нейтральное состояние, «перезарядить мозг» — просто полминуты подышите ртом.

Кристина Зелано с её коллегами также обнаружили, что ритм дыхания не только синхронизирует активность в областях мозга, связанных с эмоциями и памятью, но ещё и может влиять на качество выполнения людьми задач, связанных с эмоциями и памятью. Например, в одном эксперименте они следили за дыханием испытуемых и быстро показывали им фотографии. И просили их идентифицировать эмоции, выражаемые людьми на фото. Испытуемые гораздо быстрее определяли испуганные лица, когда фотография появлялась во время их вдоха, а не во время выдоха.

В другом тесте оказалось, что испытуемые точнее помнили, видели ли они фотографию раньше, если её показывали им во время вдоха. И, опять же, эффекты были более сильными, когда испытуемые дышали через нос. Так что, видимо, принимать важные решения и совершать ключевые действия на вдохе, а не на выдохе — неплохая идея. Вот лайфхак номер два.

Работа, выпущенная в 2022 году, говорит о том, что наш дыхательный ритм синхронизует активность не только внутри, но и между областями мозга. В этом исследовании нейробиологи Николаос Каралис и Антон Сирота обнаружили, что частота дыхания синхронизирует активность между гиппокампом и префронтальной корой у спящих мышей. Эта синхронизация, по мнению ученых, играет роль в создании долговременных воспоминаний.

Как наука знала уже давно, воспоминания изначально формируются в гиппокампе, а затем во время сна передаются в кору мозга для долговременного хранения. Этот процесс, очевидно, требует синхронизированной активности между гиппокампом и корой: нужно, чтобы нейроны активировались в строго определенной последовательности. Координировать этот процесс, как ни странно, помогает наш нос.

Другими словами, правильный ритм дыхания = лучшая память. А вот храп и беспокойный сон, как и прерывистое дыхание в течение дня, могут этому навредить. Вот вам лайфхак номер три: хотите перестать забывать, где положили ключи, хотите лучше запоминать языки — следите за дыханием (и в том числе во время сна).

 

Контролируемое дыхание — спокойный ум

На протяжении тысячелетий о пользе управления своим дыханием твердили всем люди, практикующие йогу и другие древние практики медитации. Они говорили, что правильное дыхание способно воздействовать на состояние ума. И вот в последние годы это нашло своё подтверждение. Теперь исследователи все больше интересуются биологическими механизмами этих эффектов и тем, как их можно применять для помощи людям с тревогой, депрессией и различными ментальными расстройствами.

Одной из проблем для исследователей было отделить «эффект дыхания» от всех других аспектов этих практик. Очень трудно понять, что на самом деле дает результат, когда процедура включает в себя и растяжку, и определенные движения, и пение, и визуализацию. Не говоря уже о культурных и духовных компонентах, которые тоже могут эмоционально влиять на людей.

Но в итоге несколько лет назад ученые точно смогли определить, что медитация улучшает результаты лабораторных тестов памяти. И способна повышать интенсивность связей между разными отделами мозга у пожилых людей с легкими когнитивными нарушениями, начальной стадией болезни Альцгеймера и другими видами деменции.

Сейчас ученые считают, что дыхательные упражнения являются хорошей альтернативой для многих людей, особенно тех, которым сложно упражняться физически. К счастью, за тысячи лет своего развития человечество уже выработало немало различных дыхательных техник и даже определилось с тем, какие из них лучше всего работают, каким людям подходят и в каких условиях. У нас уже есть этот инструмент, остается только научиться им пользоваться, хотя бы на базовом уровне.

Так что вот вам еще одна бесплатная техника биохакинга: правильное дыхание. Через нос, на полную глубину, без напряжения мышц грудной клетки, с надуванием живота, короткими вдохами и более длинными выдохами. Простой способ улучшить свое самочувствие и успокоить нервную систему. Это и жизнь продлит, и мозговую активность усилит, и любые нежелательные эмоции позволит держать под контролем.