导语：呼吸不仅是生命维持的自动过程，其与行为和情绪的密切互动表明，大脑皮层对脑干呼吸网络存在自上而下的调控。然而，这一通路的具体解剖结构和功能机制长期未明。2024年11月19日，《自然·神经科学》在线发表了一项突破性研究（2024年第27卷2455–2465页），来自美国索尔克研究所和加州大学圣地亚哥分校的研究团队首次在小鼠脑中识别出一条从背侧前扣带回皮层（dACC）出发，经脑桥网状核GABA能抑制性神经元（PnCGABA），最终投射至延髓腹外侧区（VLM）的双突触通路。通过光遗传学技术激活该通路，研究人员发现可以同时减慢呼吸频率并抑制焦虑样行为，而抑制该通路则会加快呼吸并增加焦虑样行为。这项研究首次揭示了皮层-脑干环路如何协调慢呼吸与情绪调节，为“身心干预”（如瑜伽、冥想）的神经机制提供了直接的环路基础。
研究背景：呼吸与情绪的“身心连接”
呼吸是生命活动的基本功能之一，具有自主性和调控性双重特点：
- 自动呼吸：由脑干节律发生器（如preBötzinger复合体）驱动，无需意识参与。
- 行为/情绪相关的呼吸调节：
- 口面部行为（如说话、吞咽、嗅闻）需要呼吸与动作的精确协调。
- 在焦虑、恐惧或压力状态下，呼吸频率显著增加，可能导致换气过度。
- 慢呼吸技术（如瑜伽、冥想、太极）长期用于缓解焦虑和压力。
尽管已有研究表明前扣带回皮层（ACC）参与情绪和自主神经调控，但其如何影响呼吸仍是未解之谜。此外，慢呼吸的抗焦虑效应是否通过特定的神经环路介导也尚未明确。
核心发现之一：识别dACC→PnC→VLM双突触慢呼吸通路
研究团队利用Allen脑图谱数据库，设定了以下筛选标准以识别潜在的神经环路：
- 皮层脑区：投射至脑桥网状核（PnC，已知参与呼吸和行为协调）。
- PnC神经元：为GABA能抑制性（Vgat阳性），且投射至延髓呼吸中枢（VLM）。
- 皮层→PnC→VLM：形成双突触通路。
最终确定候选脑区为背侧前扣带回皮层（dACC），该区域已知与情绪和自主神经调控密切相关。
研究团队通过一系列实验验证了这一通路的存在：
| 验证方法 | 关键结果 |
|---|---|
| 顺向示踪（AAV-ChR2-eYFP注入dACC） | dACC轴突末梢密集分布于PnC，与VGAT阳性神经元形成突触接触。 |
| 逆向示踪（CTB-555注入dACC） | 未在PnC中观察到逆行标记，证实dACC→PnC为单突触投射。 |
| PnC→VLM投射（AAV-DIO-ChR2注入PnC-Vgat-Cre小鼠） | PnCGABA轴突末梢密集分布于VLM（呼吸节律发生器所在区域）。 |
| 双突触验证（狂犬病毒逆行示踪） | 从VLM逆行两级标记的神经元出现在dACC，证实dACC→PnCGABA→VLM双突触通路。 |
核心发现之二：dACC→PnC神经元的活动与慢呼吸和行为相关
研究进一步探讨了dACC→PnC通路的功能，发现其活动与慢呼吸及焦虑样行为的调节密切相关：
- 光遗传激活：通过ChR2（473 nm，10-20 Hz）刺激该通路，发现：
- 在麻醉小鼠中，呼吸频率降低约30-40%，吸气相和呼气相均延长。
- 在清醒小鼠中，呼吸频率显著降低，且效应强度与光刺激强度相关。
- 行为实验：激活该通路后，小鼠的焦虑样行为显著减少（图2b-d）。
这项研究揭示了皮层-脑干慢呼吸环路在情绪调节中的重要作用，为理解慢呼吸技术的神经机制提供了重要的科学依据。
参考文献：
- 《自然·神经科学》，2024年第27卷2455–2465页。