Atmung kann neuronale Reaktionen im Gehirn messbar modulieren

Zusammenfassung: Die Studie zeigt einen möglichen Zusammenhang zwischen Atmung und Veränderungen der neuralen Aktivität in Tiermodellen.

Quelle: Pennsylvania

Therapeuten für psychische Gesundheit und Meditationsgurus schreiben der absichtlichen Atmung seit langem die Fähigkeit zu, innere Ruhe hervorzurufen, aber Wissenschaftler verstehen nicht vollständig, wie das Gehirn an diesem Prozess beteiligt ist.

Mithilfe von funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) und Elektrophysiologie haben Forscher am Penn State College of Engineering einen möglichen Zusammenhang zwischen der Atmung und Veränderungen der neuralen Aktivität bei Ratten identifiziert.

Ihre Ergebnisse wurden vor der Veröffentlichung in online gestellt eLife. Die Forscher verwendeten simultane multimodale Techniken, um Rauschen zu eliminieren, das typischerweise mit der Bildgebung des Gehirns verbunden ist, und um zu identifizieren, wo die Atmung die neuronale Aktivität reguliert.

„Es gibt etwa eine Million veröffentlichte Artikel über fMRI, eine nicht-invasive Bildgebungstechnik, die es Forschern ermöglicht, die Gehirnaktivität in Echtzeit zu untersuchen“, sagte Nanyin Zhang, Gründungsdirektor des Penn State Center for Neurotechnology in Mental Health Research und Professor für Biomedizinische Wissenschaften . Ingenieurwesen.

„Imaging-Forscher glaubten, dass die Atmung in der fMRI-Bildgebung ein nicht-neuronales physiologisches Artefakt ist, wie ein Herzschlag oder eine Körperbewegung. Unser Artikel stellt die Idee vor, dass die Atmung eine neurale Komponente hat: Sie beeinflusst das fMRI-Signal, indem sie die neurale Aktivität moduliert. »

Durch das Scannen der Gehirnwellen von ruhenden Nagetieren unter Anästhesie mit fMRI entdeckten die Forscher ein Netzwerk von Gehirnregionen, die an der Atmung beteiligt sind.

„Atmen ist ein gemeinsames Bedürfnis für fast alle lebenden Tiere“, sagte Zhang. „Wir wissen, dass die Atmung von einer Region des Hirnstamms gesteuert wird. Aber wir hatten kein vollständiges Bild davon, wie andere Regionen des Gehirns durch die Atmung beeinflusst werden.

Zusammen mit der fMRI verwendeten die Forscher die neurale Elektrophysiologie, die elektrische Eigenschaften und Signale im Nervensystem misst, um die Atmung mit der neuralen Aktivität im cingulären Kortex zu verknüpfen, einer Region des Gehirns, die zentral in der zerebralen Hemisphäre liegt und mit emotionaler Reaktion und Regulation verbunden ist.

Die gleichzeitige Verwendung von fMRI und Elektrophysiologie ermöglichte es den Forschern, nicht mit Neuronen zusammenhängende fMRI-Signaländerungen während der Datenerfassung zu entwirren, wie z. B. Bewegungen und Kohlendioxidausatmungen.

Die Ergebnisse geben einen Einblick in die Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und fMRI-Signalen zum Ruhezustand, sagte Zhang, was die zukünftige Bildgebungsforschung informieren könnte, um zu verstehen, wie sich Signale im Ruhezustand neurovaskulär verändern.

Durch das Scannen der Gehirnwellen von ruhenden Nagetieren unter Anästhesie mit fMRI entdeckten die Forscher ein Netzwerk von Gehirnregionen, die an der Atmung beteiligt sind. Bild ist gemeinfrei

„Während die Tiere atmeten, haben wir gemessen, wie ihre Gehirnaktivität mit ihrer Atemfrequenz schwankte“, sagte Zhang. „Wenn dieser Ansatz auf den Menschen ausgedehnt wird, könnte er mechanistische Einblicke darüber liefern, wie die bei Meditationspraktiken übliche Atemkontrolle dazu beitragen kann, Stress und Angst zu reduzieren.“

Die Korrelation zwischen neuraler Aktivität im cingulären Kortex und Atemfrequenz könnte laut Zhang darauf hindeuten, dass der Atemrhythmus den emotionalen Zustand beeinflussen kann.

„Wenn wir uns in einem ängstlichen Zustand befinden, beschleunigt sich unsere Atmung oft“, sagte Zhang. „Als Reaktion darauf atmen wir manchmal tief durch. Oder wenn wir uns konzentrieren, neigen wir dazu, den Atem anzuhalten. Dies sind Anzeichen dafür, dass die Atmung unsere Gehirnfunktion beeinträchtigen könnte. Die Atmung ermöglicht es uns, unsere Emotionen zu kontrollieren, zum Beispiel wenn wir unsere Gehirnfunktion ändern müssen. Unsere Ergebnisse unterstützen diese Idee.

Zukünftige Studien könnten sich laut Zhang auf die Beobachtung des Gehirns bei Menschen konzentrieren, während sie meditieren, um die direktere Verbindung zwischen langsamer, absichtlicher Atmung und neuronaler Aktivität zu analysieren.

„Unser Verständnis dessen, was im Gehirn vor sich geht, ist noch oberflächlich“, sagte Zhang. „Wenn die Forscher die Studie mit denselben Techniken am Menschen replizieren, könnten sie möglicherweise erklären, wie Meditation die neuronale Aktivität im Gehirn moduliert.“

Über diese Neuigkeiten aus der neurowissenschaftlichen Forschung

Autor: Maria Chuprinski
Quelle: Pennsylvania
Kontakt: Mariah Chuprinski – Bundesstaat Pennsylvania
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Siehe auch

Es zeigt eine Wiederbelebung

Ursprüngliche Forschung: Den freien Zugang.
“Neuronale Unterstützung eines respirationsassoziierten fMRI-Netzwerks im Ruhezustand” von Wenyu Tu et al. eLife


Zusammenfassung

Neuronale Basis eines fMRI-Netzwerks im Ruhezustand, das mit der Atmung assoziiert ist

Die Atmung kann Bewegung und CO induzieren2 Schwankungen während fMRT-Scans im Ruhezustand (rsfMRI), die zu nicht-neuralen Artefakten im rsfMRI-Signal führen. Gleichzeitig kann die Atmung als entscheidender physiologischer Prozess direkt zu einer Veränderung der neuronalen Aktivität im Gehirn führen und somit das rsfMRI-Signal modulieren.

Dennoch ist diese potenzielle neurale Komponente in der Atmungs-fMRT-Beziehung weitgehend unerforscht. Um dieses Problem zu verdeutlichen, haben wir hier gleichzeitig Elektrophysiologie, rsfMRI und Atmungssignale bei Ratten aufgezeichnet.

Unsere Daten zeigen, dass die Atmung tatsächlich mit Veränderungen der neuralen Aktivität verbunden ist, was durch eine phasengekoppelte Beziehung zwischen langsamen Variationen der Atmung und der Gammaband-Leistung des elektrophysiologischen Signals, das im cingulären Kortex aufgezeichnet wird, belegt wird.

Interessanterweise sind die langsamen Variationen der Atmung auch mit einem charakteristischen rsfMRI-Netzwerk verbunden, das durch neuronale Gammaband-Aktivität vermittelt wird. Darüber hinaus verschwindet dieses atmungsbezogene Gehirnnetzwerk, wenn die hirnweite neurale Aktivität in einen isoelektrischen Zustand versetzt wird, während die Atmung aufrechterhalten wird, was die notwendige Rolle der neuralen Aktivität in diesem Netzwerk weiter bestätigt.

Zusammengenommen identifiziert diese Studie ein atmungsbezogenes Gehirnnetzwerk, das durch neurale Aktivität unterstützt wird, was eine neue Komponente in der Beziehung zwischen Atmung und rsfMRT darstellt, die sich von atmungsbezogenen rsfMRI-Artefakten unterscheidet. Dies eröffnet einen neuen Weg zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Atmung, neuronaler Aktivität und Gehirnnetzwerken im Ruhezustand unter gesunden und kranken Bedingungen.

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