Neuer Gehirnkreis entdeckt, der Atmung und Emotionen am Salk-Institut verbindet

LA JOLLA (19. November 2024) - Ein tiefes Einatmen, langsames Ausatmen... Ist es nicht seltsam, dass wir uns selbst beruhigen können, indem wir unsere Atmung verlangsamen? Menschen haben schon lange langsame Atmung genutzt, um ihre Emotionen zu regulieren, und Praktiken wie Yoga und Achtsamkeit haben sogar formelle Techniken wie Boxatmung populär gemacht. Dennoch gab es wenig wissenschaftliches Verständnis darüber, wie das Gehirn unsere Atmung bewusst steuert und ob dies tatsächlich einen direkten Einfluss auf unsere Angst und unser emotionales Befinden hat.

Neurowissenschaftler am Salk-Institut haben nun zum ersten Mal einen spezifischen Gehirnkreis identifiziert, der die Atmung freiwillig reguliert. Mithilfe von Mäusen identifizierten die Forscher eine Gruppe von Gehirnzellen im Frontalkortex, die mit dem Hirnstamm verbunden ist, wo lebenswichtige Funktionen wie die Atmung gesteuert werden. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Verbindung zwischen den komplexeren Teilen des Gehirns und dem Atemzentrum des unteren Hirnstamms es uns ermöglicht, unsere Atmung mit unseren aktuellen Verhaltensweisen und emotionalen Zuständen zu koordinieren.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Neuroscience am 19. November 2024, beschreiben eine neue Gruppe von Gehirnzellen und Molekülen, die mit therapeutischen Mitteln angesteuert werden könnten, um Hyperventilation zu verhindern und Angst, Panik oder posttraumatische Belastungsstörungen zu regulieren.

„Der Körper reguliert sich natürlich mit tiefen Atemzügen, sodass es uns fast intuitiv erscheint, unsere Atmung mit unseren Emotionen in Einklang zu bringen - aber wir wussten nicht wirklich, wie das im Gehirn funktioniert“, sagt der Hauptautor Sung Han, außerordentlicher Professor und Pioneer Fund Developmental Chair am Salk. „Durch die Entdeckung eines spezifischen Gehirnmechanismus, der für das Verlangsamen der Atmung verantwortlich ist, könnte unsere Entdeckung eine wissenschaftliche Erklärung für die positiven Effekte von Praktiken wie Yoga und Achtsamkeit auf die Linderung negativer Emotionen bieten und sie weiter in der Wissenschaft verankern.“

Atemmuster und emotionaler Zustand sind schwer zu entwirren - wenn die Angst zunimmt oder abnimmt, ändert sich auch die Atemfrequenz. Trotz dieser scheinbar offensichtlichen Verbindung zwischen emotionaler Regulierung und Atmung hatten frühere Studien nur die unbewussten Atemmechanismen im Hirnstamm gründlich untersucht. Und während neuere Studien begonnen hatten, bewusste Top-Down-Mechanismen zu beschreiben, wurde bis zu dem Zeitpunkt, als das Salk-Team sich der Sache annahm, kein spezifischer Gehirnkreis entdeckt.

Die Forscher gingen davon aus, dass der Frontalkortex des Gehirns, der komplexe Gedanken und Verhaltensweisen orchestriert, irgendwie mit einer Hirnstammregion namens Medulla kommunizierte, die die automatische Atmung steuert. Um dies zu testen, konsultierten sie zunächst eine neuronale Verbindungsdatenbank und führten dann Experimente durch, um die Verbindungen zwischen diesen verschiedenen Gehirnbereichen zu verfolgen.

Diese ersten Experimente zeigten einen potenziellen neuen Atemkreis: Neuronen in einer frontalen Region, die als anteriorer cingulärer Kortex bekannt ist, waren mit einem intermediären Hirnstammgebiet im Pons verbunden, das dann mit der Medulla direkt darunter verbunden war.

Über die physischen Verbindungen dieser Gehirnbereiche hinaus war es auch wichtig zu berücksichtigen, welche Arten von Nachrichten sie sich gegenseitig senden könnten. Wenn die Medulla aktiv ist, initiiert sie die Atmung. Nachrichten, die vom Pons kommen, hemmen jedoch tatsächlich die Aktivität in der Medulla, was dazu führt, dass die Atemfrequenzen langsamer werden. Hans Team stellte die Hypothese auf, dass bestimmte Emotionen oder Verhaltensweisen die kortikalen Neuronen aktivieren könnten, die dann die Aktivität in der Medulla verringern, was zu einer langsameren Atmung führt.

Um dies zu testen, zeichneten die Forscher die Gehirnaktivität von Mäusen während Verhaltensweisen auf, die die Atmung verändern, wie Schnüffeln, Schwimmen und Trinken, sowie während Bedingungen, die Angst und Angst auslösen. Sie verwendeten auch eine Technik namens Optogenetik, um Teile dieses Gehirnkreises in verschiedenen emotionalen und Verhaltenskontexten ein- oder auszuschalten, während sie die Atmung und das Verhalten der Tiere maßen.

Ihre Ergebnisse bestätigten, dass, wenn die Verbindung zwischen dem Kortex und dem Pons aktiviert wurde, die Mäuse ruhiger waren und langsamer atmeten, während in angstinduzierenden Situationen diese Kommunikation abnahm und die Atemfrequenzen anstiegen. Darüber hinaus, als die Forscher diesen Kortex-Pons-Medulla-Kreis künstlich aktivierten, verlangsamte sich die Atmung der Tiere und sie zeigten weniger Anzeichen von Angst. Wenn die Forscher diesen Kreis jedoch ausschalteten, stiegen die Atemfrequenzen an und die Mäuse wurden ängstlicher.

Insgesamt unterstützte dieser anterior cingulärer Kortex-Pons-Medulla-Kreis die freiwillige Koordination der Atemfrequenzen mit den Verhaltens- und emotionalen Zuständen.

„Meine Ergebnisse haben mich zum Nachdenken gebracht: Könnten wir Medikamente entwickeln, um diese Neuronen zu aktivieren und unsere Atmung manuell zu verlangsamen oder Hyperventilation bei Panikstörungen zu verhindern?“, sagt Jinho Jhang, der Erstautor der Studie und ein leitender Forschungsmitarbeiter im Labor von Han. „Meine Schwester, die drei Jahre jünger ist als ich, leidet seit vielen Jahren unter einer Panikstörung. Sie inspiriert weiterhin meine Forschungsfragen und mein Engagement, sie zu beantworten.“

Die Forscher werden weiterhin den Kreis analysieren, um festzustellen, ob Medikamente ihn aktivieren könnten, um die Atmung auf Befehl zu verlangsamen. Darüber hinaus arbeitet das Team daran, das Gegenteil dieses Kreises zu finden - einen schnellen Atmungs-Kreis, von dem sie glauben, dass er ebenfalls wahrscheinlich mit Emotionen verbunden ist. Sie hoffen, dass ihre Ergebnisse langfristige Lösungen für Menschen mit Angstzuständen, Stress und Panikstörungen bieten, die ihre Entdeckung und Hingabe inspirieren.

„Ich möchte diese Ergebnisse nutzen, um eine Yoga-Pille zu entwerfen“, sagt Han. „Es mag albern erscheinen, und die Umsetzung unserer Arbeit in ein marktfähiges Medikament wird Jahre in Anspruch nehmen, aber wir haben jetzt einen potenziell anvisierbaren Gehirnkreis für die Entwicklung von Therapeutika, die die Atmung sofort verlangsamen und einen friedlichen, meditativen Zustand einleiten könnten.“