54-2021
Neuroscience · 31 de março de 2017
Os pesquisadores identificaram um grupo de neurônios que retransmitem informações do sistema respiratório do cérebro para áreas do cérebro associadas à geração de excitação.
Fonte: Stanford.
Os cientistas de Stanford identificaram um pequeno grupo de neurônios que comunica as atividades no centro de controle respiratório do cérebro para a estrutura responsável por gerar a excitação em todo o cérebro.
Tente. Respire lenta e suavemente. Uma sensação generalizada de calma desce. Agora respire rápida e freneticamente. A tensão aumenta. Porque?
É uma pergunta que nunca foi respondida pela ciência, até agora.
Em um novo estudo, pesquisadores da Escola de Medicina da Universidade de Stanford e seus colegas identificaram um punhado de células nervosas no tronco cerebral que conectam a respiração a estados mentais.
Um artigo descrevendo as descobertas foi publicado em 31 de março na revista Science. Mark Krasnow, MD, PhD, professor de bioquímica, é o autor sênior. O autor principal é o ex-aluno de graduação de Stanford Kevin Yackle, MD, PhD, agora um membro do corpo docente da University of California-San Francisco.
Os médicos às vezes prescrevem exercícios de controle da respiração para pessoas com transtornos de estresse. Da mesma forma, a prática de pranayama - controlar a respiração a fim de mudar a consciência de um estado de excitação ou mesmo frenético para um mais meditativo - é um componente central de praticamente todas as variedades de ioga.
“Este estudo é intrigante porque fornece uma compreensão celular e molecular de como isso pode funcionar”, disse Krasnow.
Pequeno aglomerado de neurônios
O minúsculo aglomerado de neurônios que liga a respiração ao relaxamento, atenção, excitação e ansiedade está localizado nas profundezas do tronco cerebral. Este aglomerado, localizado em uma área que Krasnow chama de marcapasso respiratório, foi descoberto em camundongos pelo co-autor do estudo Jack Feldman, PhD, professor de neurobiologia da UCLA, que publicou suas descobertas em 1991. Uma estrutura equivalente foi identificada desde então em humanos.
“O marcapasso respiratório tem, em alguns aspectos, uma função mais difícil do que sua contraparte no coração”, disse Krasnow, que também é investigador do Howard Hughes Medical Institute. “Ao contrário do continuum unidimensional lento a rápido do coração, existem muitos tipos distintos de respiração: regular, excitada, suspirando, bocejando, arfando, dormindo, rindo, soluçando. Ficamos imaginando se diferentes subtipos de neurônios dentro do centro de controle respiratório podem ser responsáveis por gerar esses diferentes tipos de respiração. ”
Com esse palpite, Yackle pesquisou bancos de dados públicos para reunir uma lista de genes que são ativados preferencialmente na parte do tronco cerebral do camundongo onde reside o centro de controle da respiração. O termo técnico deste centro é o complexo pré-Bötzinger, ou preBötC.
Ele identificou vários desses genes, permitindo aos investigadores identificar mais de 60 subtipos neuronais separados, fisicamente diferenciados uns dos outros por suas assinaturas de ativação do gene, mas se misturando no preBötC como fios de espaguete bem mexidos. Os cientistas foram capazes de usar esses genes, e os produtos de proteína para os quais eles são receitas, como marcadores que lhes permitem localizar os diferentes subtipos neuronais.
Nocauteando neurônios
Agora os cientistas podem avaliar sistematicamente o papel de cada subpopulação neuronal em ratos de laboratório. Com tecnologias avançadas, eles poderiam destruir seletivamente qualquer um desses subtipos neuronais - e apenas aquele subtipo - com base em sua assinatura única de genes ativos. Então, eles puderam observar como a perda desse subtipo em particular afetou a respiração dos animais. Em 2016, em colaboração com Feldman, eles conseguiram isolar uma subpopulação de neurônios no preBötC que controla explicitamente um tipo de respiração: o suspiro. Nocautear esses neurônios eliminou o suspiro, mas deixou outros modos de respiração inalterados. A descoberta foi publicada na Nature em 2016.
Krasnow e Yackle então começaram a descobrir o papel respiratório de outra subpopulação de cerca de 175 neurônios preBötC distinguidos por sua expressão compartilhada de dois marcadores genéticos chamados Cdh9 e Dbx1. Eles fizeram a bioengenharia de camundongos nos quais poderiam exterminar, à vontade, os neurônios que carregavam esses dois marcadores.
O diagrama descreve o caminho (em verde) que conecta diretamente o centro de respiração do cérebro ao centro de excitação e o resto do cérebro. A imagem da NeuroscienceNews.com é creditada ao laboratório Krasnow.
Mas, uma vez que esses roedores tiveram seus neurônios Cdh9 / Dbx1 eliminados, eles pareceram levar a perda no ritmo. Ao contrário de seus irmãos privados de suspiro, não havia lacuna no portfólio de variações respiratórias desses ratos.
“Fiquei inicialmente desapontado”, disse Yackle.
Mas, alguns dias depois, ele percebeu algo: para os ratos, os animais eram extraordinariamente calmos. “Se você colocá-los em um ambiente novo, que normalmente estimula muitas cheiradas e exploração”, disse Yackle, “eles apenas se sentariam se preparando” - evidência do que passa por suavidade quando você é um rato.
Descontraindo
Uma análise posterior mostrou que, embora esses ratos ainda exibissem uma paleta completa de variedades respiratórias, de suspiros a cheiradas, as proporções relativas dessas variedades haviam mudado. Havia menos respirações “ativas” rápidas e “cheirando” mais rápidas, e mais respirações lentas associadas ao relaxamento.
Os pesquisadores presumiram que, em vez de regular a respiração, esses neurônios o estavam espionando e relatando suas descobertas a outra estrutura no tronco cerebral. Essa estrutura, o locus coeruleus, envia projeções para praticamente todas as partes do cérebro e estimula a excitação: acordando-nos do sono, mantendo nosso estado de alerta e, se excessivo, desencadeando ansiedade e angústia. Sabe-se que os neurônios no locus coeruleus exibem um comportamento rítmico cujo tempo está correlacionado com o da respiração. Em uma série de experimentos, os pesquisadores de Stanford provaram que os neurônios preBötC que expressam Cadh9 e Dbx1 não apenas se projetam para o locus coeruleus - uma nova descoberta - mas ativam suas projeções de longa distância, promovendo a excitação de todo o cérebro.
“Se algo está prejudicando ou acelerando sua respiração, você precisa saber imediatamente”, disse Krasnow. “Esses 175 neurônios, que dizem ao resto do cérebro o que está acontecendo, são absolutamente essenciais.”
“O preBötC agora parece desempenhar um papel fundamental nos efeitos da respiração na excitação e na emoção, como visto durante a meditação”, disse Feldman. “Temos esperança de que a compreensão da função deste centro levará a terapias para estresse, depressão e outras emoções negativas.”
SOBRE ESTE ARTIGO DE PESQUISA EM PSICOLOGIA
Outros co-autores de Stanford são John Huguenard, PhD, professor de neurologia e ciências neurológicas; Liqun Luo, PhD, professor de biologia e um investigador HHMI; ex-bolsista de pós-doutorado Lindsay Schwarz, PhD; e o estudante de graduação Jordan Sorkin.
Um pesquisador da Chicago Medical School também foi coautor do estudo.
Krasnow também é diretor executivo do Wall Center for Pulmonary Vascular Disease, membro do Instituto de Neurociências de Stanford, Instituto Cardiovascular, Instituto do Câncer e Bio-X.
Financiamento: O estudo foi financiado pelo National Institutes of Health (concede HL70029 e HL40959) e HHMI.
O Departamento de Bioquímica de Stanford também apoiou o trabalho.
Fonte: Bruce Goldman- Stanford
Fonte da imagem: imagem NeuroscienceNews.com é creditada ao laboratório Krasnow.
Pesquisa original: Resumo para "Neurônios centrais de controle da respiração que promovem a excitação em ratos" por Kevin Yackle, Lindsay A. Schwarz, Kaiwen Kam, Jordan M. Sorokin, John R. Huguenard, Jack L. Feldman, Liqun Luo e Mark A. Krasnow in Science. Publicado online em 31 de março de 2017 doi: 10.1126 / science.aai7984
Resumo
Neurônios do centro de controle da respiração que promovem a excitação em camundongos
A respiração lenta e controlada tem sido usada há séculos para promover o acalmamento mental e é usada clinicamente para suprimir a excitação excessiva, como ataques de pânico.
No entanto, a base fisiológica e neural da relação entre a respiração e a atividade cerebral de ordem superior é desconhecida. Encontramos uma subpopulação neuronal no complexo preBötzinger do camundongo (preBötC), o gerador de ritmo respiratório primário, que regula o equilíbrio entre os comportamentos de calma e excitação. A ablação genética bilateral condicional dos neurônios preBötC duplo-positivos ~ 175 Cdh9 / Dbx1 em camundongos adultos deixou a respiração intacta, mas aumentou os comportamentos calmos e diminuiu o tempo em estados de excitação. Esses neurônios se projetam, fazem sinapses e regulam positivamente os neurônios noradrenérgicos no locus coeruleus, um centro do cérebro envolvido na atenção, excitação e pânico que se projeta por todo o cérebro.
“Neurônios do centro de controle da respiração que promovem a excitação em ratos” por Kevin Yackle, Lindsay A. Schwarz, Kaiwen Kam, Jordan M. Sorokin, John R. Huguenard, Jack L. Feldman, Liqun Luo e Mark A. Krasnow na Science. Publicado online em 31 de março de 2017 doi: 10.1126 / science.aai7984
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English Version
How Slow Breathing Induces Tranquility
Neuroscience ·March 31, 2017
Summary: Researchers have identified a group of neurons that relay information from the brain’s respiratory system to an areas of the brain associated with generating arousal.
Source: Stanford.
Stanford scientists have identified a small group of neurons that communicates goings-on in the brain’s respiratory control center to the structure responsible for generating arousal throughout the brain.
Try it. Breathe slowly and smoothly. A pervasive sense of calm descends. Now breathe rapidly and frenetically. Tension mounts. Why?
It’s a question that has never been answered by science, until now.
In a new study, researchers at the Stanford University School of Medicine and their colleagues have identified a handful of nerve cells in the brainstem that connect breathing to states of mind.
A paper describing the findings were published March 31 in Science. Mark Krasnow, MD, PhD, professor of biochemistry, is the senior author. The lead author is former Stanford graduate student Kevin Yackle, MD, PhD, now a faculty fellow at the University of California-San Francisco.
Medical practitioners sometimes prescribe breathing-control exercises for people with stress disorders. Similarly, the practice of pranayama — controlling breath in order to shift one’s consciousness from an aroused or even frantic state to a more meditative one — is a core component of virtually all varieties of yoga.
“This study is intriguing because it provides a cellular and molecular understanding of how that might work,” Krasnow said.
Tiny cluster of neurons
The tiny cluster of neurons linking respiration to relaxation, attention, excitement and anxiety is located deep in the brainstem. This cluster, located in an area Krasnow calls the pacemaker for breathing, was discovered in mice by study co-author Jack Feldman, PhD, a professor of neurobiology at UCLA, who published his findings in 1991. An equivalent structure has since been identified in humans.
“The respiratory pacemaker has, in some respects, a tougher job than its counterpart in the heart,” said Krasnow, who is also a Howard Hughes Medical Institute investigator. “Unlike the heart’s one-dimensional, slow-to-fast continuum, there are many distinct types of breaths: regular, excited, sighing, yawning, gasping, sleeping, laughing, sobbing. We wondered if different subtypes of neurons within the respiratory control center might be in charge of generating these different types of breath.”
On that hunch, Yackle searched through public databases to assemble a list of genes that are preferentially activated in the part of the mouse brainstem where the breathing-control center resides. This center’s technical term is the pre-Bötzinger complex, or preBötC.
He pinpointed a number of such genes, allowing the investigators to identify more than 60 separate neuronal subtypes, physically differentiated from one another by their gene-activation signatures but comingling in the preBötC like well-stirred spaghetti strands. The scientists were able to use these genes, and the protein products for which they are recipes, as markers allowing them to zero in on the different neuronal subtypes.
Knocking out neurons
Now the scientists could systematically assess the role of each neuronal subpopulation in laboratory mice. With advanced technologies, they could selectively destroy any one of these neuronal subtypes — and only that subtype — based on its unique signature of active genes. Then they could observe how this particular subtype’s loss affected the animals’ breathing. In 2016, in collaboration with Feldman, they succeeded in isolating a subpopulation of neurons in the preBötC that explicitly controls one type of breathing: sighing. Knocking out these neurons eliminated sighing but left other modes of breathing unaffected. The discovery was published in Nature in 2016.
Krasnow and Yackle then set out to discover the respiratory role of another subpopulation of about 175 preBötC neurons distinguished by their shared expression of two genetic markers called Cdh9 and Dbx1. They bioengineered mice in which they could wipe out, at will, the neurons bearing both of these markers.
But once these rodents had their Cdh9/Dbx1 neurons eliminated, they seemed to take the loss in stride. Unlike their sigh-deprived brethren, there was no lacuna in these mice’s portfolio of breathing variations.
“I was initially disappointed,” said Yackle.
But a few days afterward, he noticed something: For mice, the animals were extraordinarily calm. “If you put them in a novel environment, which normally stimulates lots of sniffing and exploration,” Yackle said, “they would just sit around grooming themselves” — evidence of what passes for mellowness when you’re a mouse.
Chilling out
Further analysis showed that while these mice still displayed the full palette of breathing varieties from sighs to sniffs, the relative proportions of those varieties had changed. There were fewer fast “active” and faster “sniffing” breaths, and more slow breaths associated with chilling out.
The investigators surmised that rather than regulating breathing, these neurons were spying on it instead and reporting their finding to another structure in the brainstem. This structure, the locus coeruleus, sends projections to practically every part of the brain and drives arousal: waking us from sleep, maintaining our alertness and, if excessive, triggering anxiety and distress. It’s known that neurons in the locus coeruleus exhibit rhythmic behavior whose timing is correlated with that of breathing. In a series of experiments, the Stanford researchers proved that the preBötC neurons that express Cadh9 and Dbx1 not only project to the locus coeruleus — a new finding — but activate its long-distance-projections, promoting brainwide arousal.
“If something’s impairing or accelerating your breathing, you need to know right away,” said Krasnow. “These 175 neurons, which tell the rest of the brain what’s going on, are absolutely critical.”
“The preBötC now appears to play a key role in the effects of breathing on arousal and emotion, such as seen during meditation,” said Feldman. “We’re hopeful that understanding this center’s function will lead to therapies for stress, depression and other negative emotions.”
ABOUT THIS PSYCHOLOGY RESEARCH ARTICLE
Other Stanford co-authors are John Huguenard, PhD, professor of neurology and neurological sciences; Liqun Luo, PhD, professor of biology and an HHMI investigator; former postdoctoral scholar Lindsay Schwarz, PhD; and graduate student Jordan Sorkin.
A researcher at the Chicago Medical School also co-authored the study.
Krasnow is also executive director of the Wall Center for Pulmonary Vascular Disease, a member of the Stanford’s Neurosciences Institute, Cardiovascular Institute, Cancer Institute and Bio-X.
Funding: The study was funded by the National Institutes of Health (grants HL70029 and HL40959) and HHMI.
Stanford’s Department of Biochemistry also supported the work.
Source: Bruce Goldman- Stanford
Image Source: NeuroscienceNews.com image is credited to Krasnow lab.
Original Research: Abstract for “Breathing control center neurons that promote arousal in mice” by Kevin Yackle, Lindsay A. Schwarz, Kaiwen Kam, Jordan M. Sorokin, John R. Huguenard, Jack L. Feldman, Liqun Luo, and Mark A. Krasnow in Science. Published online March 31 2017 doi:10.1126/science.aai7984
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[cbtabs][cbtab title=”MLA”]Stanford “How Slow Breathing Induces Tranquility.” NeuroscienceNews. NeuroscienceNews, 31 March 2017.
<https://neurosciencenews.com/tranquility-slow-breathing-6317/>.[/cbtab][cbtab title=”APA”]Stanford (2017, March 31). How Slow Breathing Induces Tranquility. NeuroscienceNew. Retrieved March 31, 2017 from https://neurosciencenews.com/tranquility-slow-breathing-6317/[/cbtab][cbtab title=”Chicago”]Stanford “How Slow Breathing Induces Tranquility.” https://neurosciencenews.com/tranquility-slow-breathing-6317/ (accessed March 31, 2017).[/cbtab][/cbtabs]
Abstract
Breathing control center neurons that promote arousal in mice
Slow, controlled breathing has been used for centuries to promote mental calming, and it is used clinically to suppress excessive arousal such as panic attacks. However, the physiological and neural basis of the relationship between breathing and higher-order brain activity is unknown. We found a neuronal subpopulation in the mouse preBötzinger complex (preBötC), the primary breathing rhythm generator, which regulates the balance between calm and arousal behaviors. Conditional, bilateral genetic ablation of the ~175 Cdh9/Dbx1 double-positive preBötC neurons in adult mice left breathing intact but increased calm behaviors and decreased time in aroused states. These neurons project to, synapse on, and positively regulate noradrenergic neurons in the locus coeruleus, a brain center implicated in attention, arousal, and panic that projects throughout the brain.
“Breathing control center neurons that promote arousal in mice” by Kevin Yackle, Lindsay A. Schwarz, Kaiwen Kam, Jordan M. Sorokin, John R. Huguenard, Jack L. Feldman, Liqun Luo, and Mark A. Krasnow in Science. Published online March 31 2017 doi:10.1126/science.aai7984
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