Die Atmung kann neuronale Reaktionen im gesamten Gehirn messbar modulieren

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

Quelle: Bundesstaat Pennsylvania

Therapeuten für psychische Gesundheit und Meditationsgurus schreiben der absichtlichen Atmung seit langem die Fähigkeit zu, innere Ruhe herbeizuführen, 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 Mäusen identifiziert.

Ihre Ergebnisse wurden online veröffentlicht, bevor sie in veröffentlicht wurden eLife. Die Forscher verwendeten gleichzeitig multimodale Techniken, um Geräusche zu entfernen, die typischerweise mit der Bildgebung des Gehirns verbunden sind, und um die Atmung zu lokalisieren, die die neurale Aktivität reguliert.

sagte Nanyin Zhang, Gründungsdirektor des Penn State Center for Neurotechnology in Mental Health Research und Professor für Biomedizintechnik.

Bildgebende Forscher betrachteten die Atmung in der fMRT früher als eine nicht-neurologische physiologische Aktion, wie z. B. einen Herzschlag oder eine Körperbewegung. Unser Artikel bringt die Idee voran, dass die Atmung eine neurale Komponente hat: Sie beeinflusst das fMRT-Signal, indem sie die neurale Aktivität moduliert.“

Durch das Scannen der Gehirnwellen von Nagetieren in Ruhe 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 im Hirnstamm gesteuert wird. Aber wir hatten kein vollständiges Bild davon, wie andere Bereiche des Gehirns durch die Atmung beeinflusst wurden.“

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Neben der funktionellen Magnetresonanztomographie verwendeten die Forscher die Neuroelektrophysiologie, die elektrische und signalgebende Eigenschaften 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, während der Datenerfassung Änderungen in relevanten nicht-neuronalen fMRI-Signalen hervorzurufen, wie z. B. Bewegung und Ausatmen von Kohlendioxid.

Die Ergebnisse liefern Einblicke in die Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und fMRI-Signalen im Ruhezustand, sagte Zhang, was die zukünftige Bildgebungsforschung informieren könnte, um zu verstehen, wie sich neurovaskuläre Signale im Ruhezustand verändern.

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

„Während die Tiere atmeten, haben wir gemessen, wie stark ihre Gehirnaktivität mit ihrem Atemrhythmus schwankte“, sagte Zhang. „Wenn dieser Ansatz auf den Menschen ausgedehnt wird, könnte er automatisierte Erkenntnisse darüber liefern, wie man die Atmung kontrollieren kann, die bei Meditationspraktiken üblich ist, was dazu beitragen kann, Stress und Angst abzubauen.“

Der Zusammenhang zwischen neuraler Aktivität im cingulären Kortex und Atemrhythmus könnte laut Chang darauf hindeuten, dass Atemrhythmen den emotionalen Zustand beeinflussen können.

„Wenn wir ängstlich sind, 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 das Atmen die Gehirnfunktion beeinträchtigen kann. Das Atmen ermöglicht es uns, unsere Emotionen zu kontrollieren, zum Beispiel wenn wir die Gehirnfunktion ändern müssen Unsere Ergebnisse unterstützen diese Idee.“

Zukünftige Studien könnten sich darauf konzentrieren, das Gehirn von Menschen zu beobachten, während sie meditieren, um die direkte Beziehung zwischen langsamer, bewusster Atmung und neuronaler Aktivität zu analysieren, so Chang.

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„Unser Verständnis dessen, was im Gehirn passiert, ist noch oberflächlich“, sagte Zhang. „Wenn Forscher die Studie beim Menschen mit den gleichen Techniken replizieren, können sie möglicherweise erklären, wie Meditation die neuronale Aktivität im Gehirn moduliert.“

Über diese Neuroscience Research News

Autor: Maria Chubrinsky
Quelle: Bundesstaat Pennsylvania
Kontakt: Maria Chubrinsky – Pennsylvania
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Das neuronale Gerüst des fMRI-Netzwerks, das mit der Atmung verbunden istGeschrieben von Wenyu Tu et al. eLife


Zusammenfassung

Das neuronale Gerüst des fMRI-Netzwerks, das mit der Atmung verbunden ist

Atmen kann zu Bewegung und Kohlendioxid führen2 Schwankungen während funktioneller Kernspinresonanzuntersuchungen (rsfMRT) im Ruhezustand, die zu nicht-neurologischen Effekten im rsfMRT-Signal führen würden. In der Zwischenzeit kann die Atmung als kritischer physiologischer Prozess die neuronale Aktivität im Gehirn direkt verändern und somit die rsfMRI-Signalübertragung modulieren.

Diese potenzielle neurale Komponente in der Beziehung zwischen Atmung und fMRI ist jedoch weitgehend unerforscht. Um dieses Problem zu veranschaulichen, haben wir hier gleichzeitig elektrophysiologische, rsfMRI- und Atmungssignale bei Mäusen aufgezeichnet.

Unsere Daten zeigen, dass die Atmung tatsächlich mit Veränderungen der neuralen Aktivität korreliert, wie durch die Phasenverriegelungsbeziehung zwischen langsamen Atmungsunterschieden und der Gammabandstärke des elektrophysiologischen Signals, das im anterioren cingulären Kortex aufgezeichnet wird, belegt wird.

Interessanterweise hängen Unterschiede in der langsamen Atmung auch mit dem ausgeprägten rsfMRI-Netzwerk zusammen, das durch die neurale Aktivität des Gammabands vermittelt wird. Darüber hinaus verschwindet das mit der Atmung verbundene Gehirnnetzwerk, wenn die neuronale Aktivität auf Gehirnebene in einem isoelektrischen Zustand zum Schweigen gebracht wird, während die Atmung erhalten bleibt, was die notwendige Rolle der neuronalen Aktivität in diesem Netzwerk bestätigt.

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Zusammengenommen identifiziert diese Studie ein atmungsbezogenes Gehirnnetzwerk, das durch neurale Aktivität unterstützt wird, was eine neue Komponente in der Beziehung zwischen Atmung und fMRT darstellt, die sich von den Artefakten unterscheidet, die mit der Atmung in der fMRT verbunden sind. 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.

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