Nat Neurosci最新研究揭示：大脑如何通过调节呼吸来缓解焦虑
Nat Neurosci最新研究揭示：大脑如何通过调节呼吸来缓解焦虑
人在紧张、焦虑时往往会出现呼吸加快现象，而深呼吸则常被用来缓解紧张焦虑等负面情绪。美国索尔克生物研究所Sung Han研究团队在Nature Neuroscience杂志发表最新研究，揭示了大脑中控制呼吸与情绪调节的神经机制，为理解呼吸与情绪的关系提供了新的科学依据。
2024年11月19日，美国索尔克生物研究所Sung Han研究团队在Nature Neuroscience杂志发表题为《A top-down slow breathing circuit that alleviates negative affect in mice》的文章。研究团队发现，背侧前扣带皮层（dACC）中的神经元投射到脑桥网状核尾部（PnC）并起到调控呼吸频率的作用。通过光遗传学技术激活dACC→PnC神经元可以减慢呼吸并减轻与负面情绪相关的行为。此外，PnC内接收来自dACC神经元的直接输入的GABA能抑制神经元通过投射到脑桥延髓呼吸中心来降低呼吸频率。
解析减慢呼吸的自上而下的神经元回路
研究团队通过筛选符合以下条件的脑区：接收来自前额叶皮层的输入、投射到脑桥延髓呼吸中心、富含抑制细胞类型的标志物，确定了脑桥网状核尾核（PnC）为目标核团。使用霍乱毒素B（CTB）进行逆行追踪显示，大多数标记细胞位于背侧前扣带皮层（dACC）和次级运动皮层。通过工具病毒特异性激活dACC→PnC神经元并记录小鼠呼吸频率变化，发现光激活显著降低呼吸频率。
研究还发现，dACC神经元主要投射到PnC中的抑制性神经元。激活这群GABA能神经元可使呼吸频率显著降低，而抑制则使呼吸频率增加，表明PnCGABA神经元是呼吸节律的抑制调节因子。
神经元活动与目的行为期间的呼吸变化相关
研究发现，小鼠在自主饮水时呼吸减慢，dACC→PnC神经元被激活，下游PnCGABA神经元活性也显著增加。在游泳和嗅闻行为中也观察到类似规律：呼吸加快时，dACC→PnC神经元活动降低；呼吸减慢时，dACC→PnC神经元活动增加。
dACC→PnC活性与情绪诱发的呼吸变化相关
在高架十字迷宫实验中，小鼠在暴露区域呼吸频率增加，而在“逃脱”事件（从暴露区域移动到闭合臂）期间观察到缓慢的呼吸周期和dACC→PnC神经元活动增加。当小鼠克服焦虑条件充分探索环境时，神经元活动持续增加，表明增加的dACC→PnC激活有助于缓解焦虑。
dACC→PnC环路可缓解焦虑样行为
通过实时位置偏好实验（RTPP）验证光刺激不会引起小鼠偏好或厌恶效价的改变。在厌恶环境（与狐狸肛门生殖器气味配对）中，ChR2组小鼠的躲避行为被dACC→PnC光刺激消除。在明暗穿梭箱范式中，抑制dACC→PnC回路使小鼠在明亮区域停留时间减少，呼吸周期变短，表明该回路对缓解焦虑至关重要。
dACC→PnC环路协调呼吸和行为
抑制dACC→PnC回路后，小鼠在禁水后的饮水成功率显著降低，同时表现出更短的呼吸周期。这表明该回路对协调缓慢呼吸周期和自主饮水行为是必需的。
总结
研究揭示了一个从前额叶到脑桥抑制神经元的神经回路，该回路通过调节呼吸频率来缓解焦虑情绪。这一发现不仅增进了对呼吸与情绪关系的理解，也为开发新的情绪调节方法提供了理论基础。