2016年3月22日

揭示大脑呼吸的秘密

Jacqueline Pumphrey，牛津科学博客牛津大学

“呼吸变得非常困难……但我必须记住要保持冷静。”

你可能会想，这听起来像是电视屏幕上越来越无处不在的北欧黑色戏剧中的一个不幸的受害者——所以你可能会惊讶地发现，这是牛津大学最近一项研究中的一名受试者的经历!牛津大学大脑功能性磁共振成像中心(位于纳菲尔德临床神经科学系)的奥利维亚·福尔(Olivia Faull)和同事们设计了一个实验，观察当我们快要喘不过气来时，大脑中发生了什么。研究结果具有惊人的分支，将帮助我们更好地理解哮喘和其他慢性呼吸系统疾病，并最终可能导致新的治疗方法。

哮喘每年花费NHS 10亿英镑，由于病假，经济又花费20亿英镑(Asthma UK)。长期以来，人们一直怀疑一些哮喘病例可能会因压力和担忧而恶化。有时呼吸困难与肺部实际发生的生理变化是不成比例的。对一些人来说，焦虑或担忧甚至会导致哮喘发作。牛津大学的研究人员开始对这种反应发生时大脑的哪个部位发生了什么感兴趣。

科学家们早就知道，大脑中有一小部分叫做导水管周围灰质(简称PAG)，在我们如何感知威胁方面发挥着重要作用。动物研究表明，脑干中的这束细胞是自动过程(如呼吸和心跳)与意识之间的界面。PAG是一组直径小于5mm的细胞(“灰质”)。从历史上看，在人类身上进行研究非常困难，因为它太小，埋得太深。但牛津大学的研究小组用最先进的技术成功分离出了PAG磁共振成像(MRI)具有超精细分辨率。

奥利维亚和同事们用超高场特斯拉核磁共振扫描仪扫描了一组健康的志愿者。志愿者们戴着一个类似于通气管的呼吸系统，当受试者吸气时，它可以被改变以产生阻力(就像通过非常窄的吸管呼吸一样)。在扫描过程中，受试者在不同的时间看着屏幕上显示的三个不同的符号。最终，受试者学会了这些符号的含义——例如，三角形意味着什么都不会发生，他们可以正常呼吸，而星星意味着他们的空气肯定会受到限制，他们会喘不过气来。

因此，志愿者们知道他们什么时候可能会感到呼吸困难。奥利维亚能够观察当人们认为他们可能会呼吸困难时，以及在呼吸困难时，PAG中发生了什么。奥利维亚想知道当人们预期呼吸困难时会发生什么，以便更好地理解加剧呼吸困难的压力和焦虑。研究发现，在所有参与者中，PAG的一个特定细分(称为腹外侧柱)在人们预计他们可能会呼吸困难时变得活跃，而另一个细分(称为外侧柱)在他们实际上呼吸困难时变得活跃。这意味着在整个呼吸困难过程中，PAG内不同的细胞细分在做不同的事情。

PAG功能正常显然是件好事。我们需要知道什么时候我们处于危险之中，是来自我们可以逃跑的东西——比如饥饿的狮子——还是来自我们无法逃脱但可以忍受的东西，比如气喘吁吁。但如果出了问题怎么办?这可能是因为那些对威胁高度敏感的人，PAG的功能或它与大脑其他部分的通信发生了改变。例如，一些哮喘患者如果找不到他们的吸入器，可能会感到非常紧张，这甚至可能导致发作:也许PAG告诉他们，他们有呼吸困难的危险(即使在生理上，他们当时呼吸正常)。

现在，这项开创性的核磁共振实验已经使研究人员知道在哪里以及如何观察PAG，他们可以进行进一步的研究，以发现更多关于哮喘和其他生理上与感知不匹配的疾病，如慢性疼痛或恐慌症。这项工作可能会导致新的治疗方法的发展，看看它们是否对大脑中这个迄今为止无法触及的微小部分有任何影响。这些可能是新的药物或新的行为干预，如正念或认知行为疗法，或两者的组合。