Como nossos cérebros criam um ritmo respiratório, que é único em todas as respirações.

Atualizado: 18 de mar. de 2021

27-2020


Cada respiração começa com centenas de neurônios individuais disparando aleatoriamente em níveis baixos e sincronizando rapidamente.

A sincronização solicita atividade que sinaliza a contração dos músculos do diafragma e do peito, causando expansão e inalação. À medida que o sinal diminui, a expiração ocorre.



Fonte: Neuroscience

3 de março de 2020

Fonte: UCLA


A respiração impulsiona tudo o que fazemos, então seu ritmo deve ser cuidadosamente organizado pelas células do cérebro, certo?

Errado. Cada respiração que tomamos surge de um grupo desordenado de neurônios - cada um como um solista cantando sua música antes de se unir como um coro para harmonizar uma nova melodia. Ou, neste caso, um hálito fresco.


Essa é a essência de um novo estudo da UCLA publicado na edição on-line desta semana do Neuron.


"Ficamos surpresos ao saber que como nossas células cerebrais trabalham juntas para gerar ritmo respiratório é diferente toda vez que respiramos", explicou o autor sênior Jack Feldman, professor de neurobiologia da David Geffen School of Medicine da UCLA e membro da Instituto de Pesquisa Cerebral da UCLA. "Cada respiração é como uma música nova com a mesma batida."


Feldman e seus colegas estudaram uma pequena rede de neurônios chamada Complexo preBötzinger. No início de sua carreira, ele nomeou a região depois de sugerir que era o principal motor do ritmo da respiração no cérebro.


Em 2015, o laboratório de Feldman descobriu que níveis surpreendentemente baixos de atividade no complexo preBötzinger estavam impulsionando o ritmo da respiração. A descoberta deixou um enigma em seu rastro: como essas pistas menores geravam um ritmo respiratório infalível - cujo fracasso significa morte?


Para responder a esse enigma, a equipe da UCLA estudou fatias de tecido cerebral de ratos e isolou meticulosamente os neurônios do complexo pré-Bötzinger do tronco cerebral.


Ao registrar a atividade elétrica das células em um prato, a equipe pode escutar as conversas dos neurônios com os vizinhos da rede.


Segundo o primeiro autor Sufyan Ashhad, a atividade dos neurônios se assemelhava a um coral cujos membros estão praticando e cantando um sobre o outro sem o benefício de um condutor.




"É como se cada neurônio estivesse pigarreando e ensaiando sua melodia para que seu som coletivo não fizesse sentido", disse Ashhad, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Feldman. “Enquanto os neurônios interagem, eles rapidamente se sincronizam para cantar em sintonia, transformando seus solos individuais de cacofonia em harmonia.”


Cada respiração começa quando centenas de neurônios individuais disparam aleatoriamente em níveis baixos e depois são sincronizados rapidamente. O esforço sincronizado solicita uma explosão de atividade que sinaliza a contração dos músculos do diafragma e do tórax, causando a expansão do tórax. O ar entra e enche os pulmões para inalação.


À medida que o sinal diminui, o peito empurra o ar para fora dos pulmões para a expiração. O ciclo se repete, gerando o ritmo da respiração.


"Dada a confiabilidade da respiração, ficamos surpresos ao descobrir que como esses neurônios se movem para sincronizar e gerar ritmo que é diferente em cada ciclo respiratório", disse Feldman.



Este mapa de calor mostra neurônios individuais cantando seus 'solos' sobrepostos. A imagem é creditada ao laboratório da UCLA / Feldman.


Por que isso é importante? Considere todos os momentos em que sua respiração se ajusta. Acelera quando você está ansioso ou se exercita, e diminui à medida que cai no sono.


"O ritmo da respiração muda constantemente - de quando você passa de sentado para de pé e sai de casa", disse Feldman. "Se seu cérebro não conseguir se adaptar automaticamente, você desmaiará por falta de oxigênio antes de chegar à rua."


A respiração é subjacente a todos os aspectos da função cerebral, acrescentou. Os resultados da UCLA podem sugerir novas abordagens para o tratamento de distúrbios respiratórios em crianças autistas e apneia do sono.



Compreender como o ritmo da respiração é gerado também pode ajudar os cientistas a combater o aumento da taxa de mortalidade pelo uso de opióides, o que suprime a capacidade do cérebro de regular a respiração.


"Nossa mensagem para levar para casa é que é importante estudar o efeito dos neurônios no nível coletivo, não apenas nas células individuais", disse Ashhad. "Estamos otimistas de que essa descoberta abrirá novas direções para a pesquisa e resolverá uma questão que persiste há séculos".


Financiamento: O Instituto Nacional do Coração, Pulmão e Sangue e Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e Derrame financiaram a pesquisa.




SOBRE ESTE ARTIGO DE PESQUISA EM NEUROCIÊNCIA

Fonte:

UCLA

Contatos de mídia:

Elaine Schmidt - UCLA

Fonte da imagem:

A imagem é creditada no laboratório da UCLA / Feldman.


Pesquisa original: Acesso fechado

“Elementos emergentes da ritogênese inspiratória: sincronização de rede e propagação de sincronia”. Sufyan Ashhad e Jack L. Feldman.

Neuron doi: 10.1016 / j.neuron.2020.02.005. Tradução: Maria Eugênia Anjos


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English Version


How our brains create breathing rhythm is unique to every breath


Summary: Each breath begins with hundreds of individual neurons haphazardly firing at low levels, then quickly synchronizing. The synchronization prompts activity that signals diaphragm and chest muscles to contract, causing expansion and inhalation. As the signal subsides, exhalation occurs.

Source: UCLA

Breathing propels everything we do, so its rhythm must be carefully organized by our brain cells, right? Wrong. Every breath we take arises from a disorderly group of neurons – each like a soloist belting out its song before uniting as a chorus to harmonize on a brand-new melody. Or, in this case, a fresh breath.

That’s the gist of a new UCLA study published in this week’s online edition of Neuron.

“We were surprised to learn that how our brain cells work together to generate breathing rhythm is different every time we take a breath,” explained senior author Jack Feldman, a professor of neurobiology at the David Geffen School of Medicine at UCLA and a member of the UCLA Brain Research Institute. “Each breath is a like a new song with the same beat.” Feldman and his colleagues studied a small network of neurons called the preBötzinger Complex. Early in his career, he’d named the region after suggesting it was the chief driver of breathing rhythm in the brain.

In 2015, Feldman’s lab found that surprisingly low levels of activity in the preBötzinger Complex were driving breathing rhythm. The discovery left a riddle in its wake: how could such minor cues generate a foolproof breathing rhythm – whose failure means death? To answer that puzzle, the UCLA team studied slices of brain tissue from mice and meticulously isolated preBötzinger Complex neurons from the brainstem. By recording the cells’ electrical activity in a dish, the team could eavesdrop on the neurons’ conversations with their network neighbors.

According to first author Sufyan Ashhad, the neurons’ activity resembled a choir whose members are practicing and singing over each other without benefit of a conductor. “It’s like each neuron is clearing its throat and rehearsing its tune off-key, so their collective sound does not make sense,” said Ashhad, a postdoctoral researcher in Feldman’s lab. “As the neurons interact, though, they quickly synchronize to sing in tune, transforming their individual solos from cacophony into harmony.” Each breath begins as hundreds of individual neurons haphazardly fire at low levels, then quickly synchronize. The synchronized effort prompts a burst of activity that signals muscles in the diaphragm and chest to contract, causing the chest to expand. Air rushes in and fills the lungs for inhalation.

As the signal subsides, the chest pushes air out of the lungs for exhalation. The cycle repeats, generating the rhythm of breathing.

“Given the reliability of breathing, we were stunned to discover that how these neurons move to synchronize and generate rhythm is different in every breathing cycle,” said Feldman. This heat map shows individual neurons singing their overlapping ‘solos.’ The image is credited to UCLA/Feldman lab.

Why is this important? Consider all the times your breathing adjusts. It quickens when you are anxious or exercising, and slows as you fall sleep.

“Breathing rhythm changes constantly–from when you rise from seated to standing and walk out of your house,” said Feldman. “If your brain couldn’t automatically adapt, you’d pass out from lack of oxygen before reaching the street.”

Breathing underlies all aspects of brain function, he added. The UCLA findings could suggest new approaches to treating breathing disorders in autistic children and sleep apnea. Understanding how breathing rhythm is generated may also help scientists combat the rising death rate from opioid use, which suppresses the brain’s ability to regulate breathing.

“Our take-home message is that it’s important to study neurons’ effect at the collective level, not just in individual cells,” said Ashhad. “We’re optimistic that this finding will open up new directions for research and resolve a question that’s persisted for centuries.”

Funding: The National Heart, Lung and Blood Institute and National Institute of Neurological Disorders and Stroke funded the research.

ABOUT THIS NEUROSCIENCE RESEARCH ARTICLE Source: UCLA Media Contacts:  Elaine Schmidt – UCLA Image Source: The image is credited to UCLA/Feldman lab. Original Research: Closed access “Emergent Elements of Inspiratory Rhythmogenesis: Network Synchronization and Synchrony Propagation”. Sufyan Ashhad and Jack L. Feldman. Neuron doi:10.1016/j.neuron.2020.02.005.


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