Atmung kann neuronale Reaktionen im gesamten Gehirn messbar modulieren

Zusammenfassung: 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 identifizierten Forscher des Penn State College of Engineering einen möglichen Zusammenhang zwischen Atmung und Veränderungen der neuralen Aktivität bei Ratten.

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

„Es gibt ungefähr eine Million Artikel, die über fMRI veröffentlicht wurden – ein nicht-invasives Bildgebungsverfahren, mit dem Forscher die Gehirnaktivität in Echtzeit untersuchen können“, sagte Nanyin Zhang, Gründungsdirektor des Penn State Center for Neurotechnology in Mental Health Research und Professor für Biomedizin Ingenieurwesen.

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

Durch das Scannen der Gehirnwellen von Nagetieren im Ruhezustand unter Anästhesie mit fMRT enthüllten die Forscher ein Netzwerk von Gehirnregionen, die an der Atmung beteiligt sind.

„Atmen ist ein Bedürfnis, das fast alle lebenden Tiere haben“, sagte Zhang. „Wir wissen, dass die Atmung von einer Region im Hirnstamm gesteuert wird. Aber wir hatten kein vollständiges Bild davon, wie andere Regionen im Gehirn durch die Atmung beeinflusst werden.“

Zusammen mit fMRT verwendeten die Forscher die neuronale Elektrophysiologie, die elektrische Eigenschaften und Signale im Nervensystem misst, um die Atmung mit der neuralen Aktivität im cingulären Kortex zu verknüpfen – einer Gehirnregion im Zentrum der zerebralen Hemisphäre, die mit emotionaler Reaktion und Regulation verbunden ist.

Die gleichzeitige Verwendung von fMRI und Elektrophysiologie ermöglichte es den Forschern, nicht-neuronale fMRI-Signaländerungen während der Datenerfassung herauszuarbeiten, wie z. B. Bewegung und Kohlendioxidausatmung.

Die Ergebnisse geben Aufschluss darüber, wie neuronale Aktivität und fMRI-Signale im Ruhezustand miteinander verbunden sind, sagte Zhang, was die zukünftige Bildgebungsforschung informieren könnte, um zu verstehen, wie sich neurovaskuläre Signale im Ruhezustand verändern.

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

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

„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. Das sind Anzeichen dafür, dass die Atmung unsere Gehirnfunktion beeinträchtigen kann. Die Atmung ermöglicht es uns, unsere Emotionen zu kontrollieren, zum Beispiel wenn wir unsere Gehirnfunktion verändern müssen. Unsere Ergebnisse unterstützen diese Idee.“

Zukünftige Studien könnten sich darauf konzentrieren, das Gehirn von Menschen zu beobachten, während sie meditieren, um den direkteren Zusammenhang zwischen langsamer, absichtlicher Atmung und neuronaler Aktivität zu analysieren, so Zhang.

„Unser Verständnis dessen, was im Gehirn passiert, ist immer noch oberflächlich“, sagte Zhang. „Wenn 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 – Penn State
Bild: Das Bild ist gemeinfrei

Siehe auch

Ursprüngliche Forschung: Uneingeschränkter Zugang.
„Neuronale Untermauerung eines respirationsassoziierten fMRI-Netzwerks im Ruhezustand“ von Wenyu Tu et al. eLife

Abstrakt

Neuronale Untermauerung eines atemassoziierten fMRI-Netzwerks im Ruhezustand

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

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

Unsere Daten zeigen, dass die Atmung tatsächlich mit Veränderungen der neuralen Aktivität verbunden ist, was durch eine Phasenverriegelungsbeziehung zwischen langsamen Atmungsvariationen und der Gammabandleistung des elektrophysiologischen Signals, das im anterioren cingulären Kortex aufgezeichnet wird, belegt wird.

Interessanterweise sind langsame Atmungsvariationen 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 einem isoelektrischen Zustand zum Schweigen gebracht 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 untermauert wird, was eine neue Komponente in der Beziehung zwischen Atmung und rsfMRT darstellt, die sich von atmungsbezogenen rsfMRT-Artefakten unterscheidet. Es eröffnet einen neuen Weg zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Atmung, neuronaler Aktivität und Gehirnnetzwerken im Ruhezustand sowohl unter gesunden als auch unter kranken Bedingungen.