Nat Neurosci最新研究：大脑如何通过特定神经回路调节呼吸与情绪
Nat Neurosci最新研究：大脑如何通过特定神经回路调节呼吸与情绪
呼吸与情绪之间存在密切联系。人在紧张、焦虑时往往会出现呼吸加快的现象，而深呼吸则常被用来缓解负面情绪。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，揭示了大脑如何通过特定神经回路调节呼吸频率，进而影响情绪状态。
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），并通过光遗传学激活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）为研究目标。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。
为了研究dACC→PnC神经元在呼吸控制中的作用，研究团队使用工具病毒特异激活dACC→PnC神经元同时记录小鼠呼吸频率变化。在轻度麻醉下，基线呼吸频率为~200次/分钟，而dACC→PnC神经元的光激活使呼吸频率平均低于170 BPM。
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，同时下游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，小鼠在暴露区域时呼吸频率增加，而在“逃脱”事件（从暴露区域移动到闭合臂）时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，观察到持续的dACC→PnC活性增加，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
研究团队通过光遗传学激活dACC→PnC神经元，发现这可以减轻对厌恶刺激的焦虑样反应，而不会改变效价。同时，PnCGABA神经元的下游投射涉及多个与呼吸和情绪调节相关的脑区。
dACC→PnC环路协调呼吸和行为
抑制dACC→PnC回路会影响小鼠的饮水行为和焦虑相关行为。在禁水实验中，光抑制dACC→PnC回路时，实验组小鼠饮水成功率显著降低，同时表现出更短的呼吸周期。在明暗穿梭箱范式中，抑制dACC→PnC回路会导致小鼠在明亮区域停留时间减少，并表现出较少的慢呼吸周期。
总结
这项研究揭示了一个从前额叶到脑桥的神经回路，该回路通过调节呼吸频率来影响情绪状态。dACC→PnC回路与下游PnCGABA神经元一起，促进缓慢的呼吸周期，并对饮水等行为做出反应，产生缓慢/呼吸暂停的呼吸周期。这一发现为理解呼吸与情绪调节之间的神经机制提供了新的视角。