Rola oddychania w koordynacji dynamiki procesów korowych

W niniejszej pracy opisuję dowody eksperymentalne zjawiska oscylacji oddechowych (rytmu respiracyjnego-RR), analizując ich wpływ, jaki wywierają na dynamikę procesów korowych, biorących udział w procesach kognitywnych i przetwarzaniu emocji. RR jest odrębną falą mózgową o częstotliwości w granicach 0.8-5 Hz (u ludzi), która jest wykrywalna w wielu obszarach kory mózgowej i strukturach podkorowych. Badania EEG, iEEG oraz fMRI wykazały, że bezpośrednio bierze ona udział w wyższych procesach korowych dzięki jej szczególnym cechom aktywności, takim jak modulowanie amplitudy szybszych częstotliwości- między innymi pasma gamma2 (γ2; 80-120 Hz) przez mechanizm sprzężenia fazy i amplitudy (phase-amplitude coupling) oraz sprzężenie z falami delta i wrzecionami hipokampalnymi. RR odpowiada również za globalne sprzężenie rytmów mózgowia podczas stanu nieruchomego czuwania, co toruje przepływ informacji w komunikacji różnych obszarów mózgowych. Naukowcy przez dekady nie wykryli oscylacji oddechowych z wielu przyczyn. Jedną z nich, która do dzisiaj utrudnia obserwację RR jest jego częstotliwość, która jest niekiedy identyczna z innymi pasmami, jak np. falami theta. Mechanizm sprzężenia RR-γ jest podobny do ogólnie przyjętej i szeroko przebadanej interakcji γ-theta(θ). Okazuje się, że wiele właściwości tej interakcji przypisywano pasmu theta, kiedy w rzeczywistości odpowiadały za to fale oddechowe. Badania w tym kierunku narzucają weryfikację zjawiska sprzężenie fal gamma-theta w przednich obszarach mózgowia. Dowiedziono, że podczas aktywnej eksploracji terenu, kiedy obecne są fale zarówno theta, jak i oddechowe, tworzą się dwa wzorce eferentnego sprzęgania. Struktury takie, jak opuszka węchowa oraz środkowa kora przedczołowa, podlegają wyłącznemu wpływowi interakcji RR-γ2, natomiast w pozostałych strukturach obecne jest sprzężenie γ- θ. Może to świadczyć o przetwarzaniu różnych od siebie rodzajów informacji, w tym samym czasie bez powstawania żadnych wzajemnych interferencji. Oddychanie jest czynnością odruchową, jak i podlegającą świadomej kontroli. Wykorzystanie tej wyjątkowej właściwości przez zastosowanie technik oddechowych, może służyć jako niefarmakologiczna terapia w leczeniu chorób psychicznych, poprzez przywrócenie zachwianego balansu lub mocy aktywności fal gamma, delta czy alfa. Wiadome już jest, że zastosowanie technik oddechowych, przynosi efekty jedynie podczas oddychania przez nos, ponieważ tylko tą drogą sygnał nerwowy dociera do obszarów korowych. Poszczególne fazy oddechu w różny sposób wpływają na aktywność układu nerwowego. Najważniejszym czynnikiem (poza nosowym sposobem oddychania) wpływającym na aktywność nerwową jest stosunek długości wdechu do wydechu. Uczenie się to proces składający się z pięciu głównych części: przetwarzanie zmysłowe, kierowanie uwagi, kodowanie informacji, konsolidacja oraz odpamiętywanie. Zaobserwowano, że na każdy z etapów uczenia się przypada odpowiedni moment fazy oddechowej, którym towarzyszą poszczególne wzorce oscylacyjnej aktywności korowej. Konsekwentne oraz odpowiednio długie czasowo oddychanie w wyznaczony sposób - szybko lub wolno z określonym stosunkiem wdechu do wydechu, istotnie wpływa na dany proces kognitywny lub regulację emocji - przetwarzając je, co przejawia się poprawą nastroju lub trafniejszą jego ocenę. Przytoczone dowody przedstawiają bezpośrednie mechanizmy wpływu oscylacji oddechowych na dynamikę procesów korowych oraz zasadniczą rolę oddychania w przebiegu funkcji kognitywnych i afektywnych.

My dissertation describes a phenomenon of respiratory rhythm (RR), a distinct and separate brain wave that follows the nasal breathing of the frequency 0.8Hz to 5Hz (in humans). Cortical respiratory potentials are present across cortical and subcortical regions. Respiratory system’s unique characteristic is that it is under both reflexive and voluntary control. RR originates in the brainstem respiratory centres, the main one is preBötzinger Complex (preBötC), and in the motor cortex when breathing is induced voluntarily. Locus coeruleus(LC) is thought to modulate the arousal state and is too influenced by the respiratory signal from preBötC. RR was not detected in cortical regions until the last decade due to several limitations, not measuring respiration during physiological recordings, performing experiments on anaesthetized animals only and not discerning RR from other bands as the frequency at times overlaps (with theta and delta). The latter is a remaining challenge during the spectral analysis. RR attunes global brain rhythm at the awake immobile state and was found to entrain to gamma2 band (80-120Hz) under the cross-frequency phase-amplitude coupling regime. That underlies breathing oscillations role in cognitive and affective processes. Such an effect is possible only during the nasal breathing as the neural pathways exclusively then reach the high-ordered brain areas. Phases of breathing display the autonomic nervous system’s balance between the sympathetic system- activated during inhalation and parasympathetic system- activated during exhalation. This is indirectly influenced by the vagus nerve stimulation. Thus, when extracting the prime factors of breathing techniques- inhalation and exhalation, turns out, the most important one is the ratio of inhalation to exhalation upon which the cognitive effect will be reached. Induced more frequent and/or prolonged inhalation leads to better memory acquisition and reaction time improvement whereas extending the exhalation helps with memory consolidation. Breathing techniques could be used as a non-pharmaceutical treatment of neuropsychiatric disorders that originate from disrupted and reduced power of frequency bands such as gamma, alpha or delta. More research is needed to further prove breathing techniques effects on brain dynamics and their practical application.