呼吸新鲜空气:科学家揭示了大脑是如何产生呼吸节奏的

为肺部提供稳定的新鲜空气似乎是一项简单的任务，但呼吸却是大脑和身体精心编排的过程。

Rett综合征、中枢性睡眠呼吸暂停和先天性中枢性低通气综合征等疾病的特点是呼吸可能由大脑呼吸中枢功能障碍引起的困难。现在，德雷塞尔大学的科学家们提出了一个关于大脑如何参与这一基本功能的新概念，为我们提供了新的见解呼吸疾病将来可以治疗。

连接大脑和脊髓的脑干产生呼吸节奏，并根据身体的需求控制呼吸速率。虽然这个过程通常是自动发生的，但我们也可以主动控制呼吸，比如说话或吃饭的时候。

25年前，一群神经元脑干内被称为pre-Bötzinger复合体(pre-BötC)的区域被确定为有节奏的吸入的可能来源。在这一突破之后，研究人员花了数年时间试图了解pre-BötC是如何运行的。

“对于任何周期性的生物过程，都需要某种机制来产生节奏，然后这种节奏被转化为运动模式。生物医学工程、科学和卫生系统学院的研究人员、医学院的MD学生巴塞洛缪·巴克博士说:“pre-BötC到底是如何产生这种节律的仍然是一个谜。”

在发现pre-BötC的二十年后，科学家们假设，大脑中有两个不同的系统相互作用来启动呼吸:一个是由高频神经元组成的“节奏生成”层，另一个是“模式形成”层，它向膈肌发出收缩信号，向肺发出充气信号。

利用一系列计算模型，Drexel理论与计算神经科学实验室的研究人员在Ilya Rybak博士的领导下，首次挑战了这一范式。

他们的研究最近发表在杂志上eLife的研究表明，pre-BötC-or有规律的来回运动中的混合模式振荡是许多具有不同兴奋性水平的神经元同步的结果。兴奋性低的神经元有较低的爆发频率，但产生强烈的活动，并吸收其他神经元，最终产生引起呼吸的大振幅爆发。

这一发现可能会对我们理解大脑对呼吸的控制产生重要影响。这些发现可能最终会影响科学家研究和临床医生治疗呼吸系统疾病的方式。

神经系统的许多其他部分也包含具有不同兴奋性的神经元网络。未来研究的一个挑战是，研究与pre-BötC复合物中的网络相似的网络是否会产生控制其他重复性动作的节奏，如走路和咀嚼。