On each side of the brain stem, a florescent-green marker illuminates the 200 neurons that control the sighing reflex.
Credit: Stanford/Krasnow lab
"You must remember this: a kiss is just a kiss, a sigh is just a sigh."
Contrary to the words immortalized by the piano singer in "Casablanca," a sigh is far more than a sigh. Heaving an unconscious sigh is a life-sustaining reflex that helps preserve lung function.
Now a new study by researchers UCLA and Stanford has pinpointed two tiny clusters of neurons in the brain stem that are responsible for transforming normal breaths into sighs. Published in the Feb. 8 advance online edition of Nature, the discovery may one day allow physicians to treat patients who cannot breathe deeply on their own -- or who suffer from disorders in which frequent sighing becomes debilitating.
"Sighing appears to be regulated by the fewest number of neurons we have seen linked to a fundamental human behavior," explained Jack Feldman, a professor of neurobiology at the David Geffen School of Medicine at UCLA and a member of the UCLA Brain Research Institute. "One of the holy grails in neuroscience is figuring out how the brain controls behavior. Our finding gives us insights into mechanisms that may underlie much more complex behaviors."
According to Mark Krasnow, a professor of biochemistry and Howard Hughes Medical Institute Investigator at the Stanford University School of Medicine, the new findings shed light on the network of cells in the brain stem that generates breathing rhythm.
"Unlike a pacemaker that regulates only how fast we breathe, the brain's breathing center also controls the type of breath we take," Krasnow said. "It's made up of small numbers of different kinds of neurons. Each functions like a button that turns on a different type of breath. One button programs regular breaths, another sighs, and the others could be for yawns, sniffs, coughs and maybe even laughs and cries."
Using a mouse model, Krasnow and his colleagues screened more than 19,000 gene-expression patterns in the animals' brain cells. They found roughly 200 neurons in the brain stem that manufacture and release one of two neuropeptides, which enable brain cells to talk to each other. Still, the scientists did not know which brain cells these neurons communicated with or why.
Conversely, Feldman knew that the same family of peptides, also found in humans, was highly active in a part of the brain that influences breathing and plays an important role in sighing. What he had not identified were the genes or neurons that controlled them.
By joining forces, Krasnow's and Feldman's labs discovered that the peptides triggered a second set of 200 neurons. These cells activate the mouse's breathing muscles to produce a sigh -- roughly 40 times an hour.
The researchers found that blocking one of the peptides cut the animals' sighing rate in half. Silencing both peptides halted the mice's ability to sigh completely.
"These molecular pathways are critical regulators of sighing, and define the core of a sigh-control circuit," Krasnow said. "It may now be possible to find drugs that target these pathways to control sighing."
Sighing is vital to lung function, and thus to life, Feldman emphasized.
"A sigh is a deep breath, but not a voluntary deep breath," he said. "It starts out as a normal breath, but before you exhale, you take a second breath on top of it."
On average, a person sighs every five minutes, which translates into 12 sighs per hour.
The purpose of sighing is to inflate the alveoli, the half-billion, tiny, delicate, balloon-like sacs in the lungs where oxygen enters and carbon dioxide leaves the bloodstream. Sometimes, though, individual sacs collapse.
"When alveoli collapse, they compromise the ability of the lung to exchange oxygen and carbon dioxide," Feldman said. "The only way to pop them open again is to sigh, which brings in twice the volume of a normal breath. If you don't sigh, your lungs will fail over time."
Turning on sighing would be useful in people who cannot breathe deeply on their own. Early artificial breathing devices did not regularly give patients a deep breath, and many patients died. Current ventilators regularly deliver a large inflation of air that mimics a sigh.
"If you don't sigh every five minutes of so, the alveoli will slowly collapse, causing lung failure," Feldman said. "That's why patients in early iron lungs had such problems, because they never sighed."
The ability to limit the sighing reflex could prove useful in anxiety disorders and other psychiatric conditions where sighing grows debilitating.
The mechanism behind the emotional roots of conscious sighing remains a mystery.
"There is certainly a component of sighing that relates to an emotional state. When you are stressed, for example, you sigh more," Feldman said. "It may be that neurons in the brain areas that process emotion are triggering the release of the sigh neuropeptides -- but we don
ในแต่ละด้านของก้านสมอง , เครื่องหมายสีเขียวเรืองแสงส่องสว่าง 200 ประสาทที่ควบคุมการหายใจสะท้อนเครดิต : Stanford / krasnow แล็บ" คุณต้องจำนี้ : จูบก็แค่จูบ ถอนหายใจก็ถอนหายใจ " .ตรงกันข้ามกับคำพูด immortalized โดยเปียโนนักร้อง " คาซาบลังกา " ถอนหายใจอยู่ไกลมากกว่า เฮ้อ ส่งสัญญาณเป็นถอนหายใจหมดสติเป็นชีวิต sustaining รีเฟล็กซ์ที่ช่วยรักษาปอด .ตอนนี้การศึกษาใหม่โดยนักวิจัยที่ UCLA และ สแตนฟอร์ด ได้ค้นพบสองเล็กกลุ่มเซลล์ประสาทในก้านสมองที่รับผิดชอบเปลี่ยนลมหายใจปกติเป็น . . . . . . ตีพิมพ์ในกุมภาพันธ์ 8 รุ่นออนไลน์ล่วงหน้าของธรรมชาติ การค้นพบ วันหนึ่งอาจช่วยให้แพทย์รักษาผู้ป่วยไม่สามารถหายใจด้วยตนเอง -- หรือผู้ที่ทุกข์ทรมานจากความผิดปกติของที่ถอนหายใจบ่อยจะทำให้สุขภาพทรุดโทรม" ถอนหายใจดูเหมือนจะถูกควบคุมโดยจำนวนน้อยที่สุดของกลุ่มเราได้เห็นการเชื่อมโยงกับพฤติกรรมพื้นฐานของมนุษย์ , " อธิบายแจ็ค เฟลด์แมน ศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาที่เดวิด เกฟเฟน ของโรงเรียนแพทย์ที่ UCLA และเป็นสมาชิกของ UCLA สถาบันวิจัยสมอง” หนึ่งใน Grails บริสุทธิ์ในแผนกนี้คือการหาวิธีที่สมองควบคุมพฤติกรรม ค้นหาของเราจะช่วยให้เราเข้าใจในกลไกที่อาจรองรับพฤติกรรมที่ซับซ้อนมาก "ตามเครื่องหมาย krasnow ศาสตราจารย์ด้านชีวเคมีและโฮเวิร์ด ฮิวจ์ส สถาบันการแพทย์ นักสืบที่ Stanford University School of Medicine , ค้นพบใหม่หลั่งแสงในเครือข่ายของเซลล์ในก้านสมอง ที่สร้างจังหวะการหายใจ ." ซึ่งแตกต่างจากเครื่องที่ควบคุมเพียงวิธีการที่รวดเร็วเราหายใจ ศูนย์ควบคุมการหายใจของสมองชนิดของลมหายใจ เราใช้ " krasnow กล่าว มันสร้างขึ้นจากจำนวนของชนิดที่แตกต่างของเซลล์ประสาท แต่ละฟังก์ชันเช่นปุ่มที่เปลี่ยนในประเภทที่แตกต่างกันของลมหายใจ โปรแกรมปุ่มปกติๆ อีก . . . . . และคนอื่น ๆอาจจะหาว , สูดอากาศ ไอ และ อาจจะหัวเราะและร้องไห้ "ใช้เมาส์รุ่น krasnow และเพื่อนร่วมงานของเขาฉายมากกว่า 19 , 000 ยีน ในรูปแบบของสัตว์ เซลล์สมอง พวกเขาพบประมาณ 200 เซลล์ในก้านสมอง ที่ผลิตและปล่อยหนึ่งในสองนิวโรเพ็พไทด์ ซึ่งช่วยให้สมองที่จะพูดคุยกับแต่ละอื่น ๆ แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่ทราบว่าเซลล์สมองเซลล์ประสาทเหล่านี้สื่อสารด้วยหรือไมในทางกลับกัน เฟลด์แมนรู้ว่าครอบครัวเดียวกันของเปปไทด์ , ยังพบในมนุษย์ ถูกใช้งานอย่างมากในส่วนของสมองที่มีผลต่อการหายใจ และมีบทบาทสำคัญในถอนใจ สิ่งที่เขาไม่ระบุเป็นยีนหรือประสาทที่ควบคุมพวกเขาโดยการร่วมมือ krasnow , และผลของห้องปฏิบัติการ พบว่าเปปไทด์กระตุ้น 2 ชุด 200 เซลล์ประสาท เซลล์เหล่านี้เปิดใช้งานเมาส์ของกล้ามเนื้อหายใจผลิตถอนหายใจ -- ประมาณ 40 ครั้งต่อชั่วโมงนักวิจัยพบว่า บล็อกหนึ่งของเปปไทด์ตัดสัตว์ถอนหายใจคะแนนครึ่ง เงียบทั้งเปปหยุดหนูสามารถถอนหายใจได้อย่างสมบูรณ์" แนวทางการควบคุมของโมเลกุลเหล่านี้จะถอนหายใจและกำหนดหลักของวงจรควบคุมถอนหายใจ " krasnow กล่าว มันอาจจะตอนนี้จะเป็นไปได้ที่จะหายาเสพติดที่มีเป้าหมาย แนวทางเหล่านี้เพื่อควบคุมถอนหายใจ " .ถอนหายใจเป็นสําคัญ การทำงานของปอด และทำให้ชีวิตหลังโรงเรียน" เฮ้อ คือ หายใจเข้าลึกๆ แต่ไม่ใช่ โดยหายใจเข้าลึก ๆ " เขากล่าว มันเริ่มจากหายใจปกติ แต่ก่อนที่คุณจะออก ให้คุณสูดลมหายใจที่สองด้านบนของมัน .โดยเฉลี่ยแล้ว คน . . . . . ทุก 5 นาที ซึ่งแปลเป็น 12 . . . . . ต่อ ชม.วัตถุประสงค์ของถอนหายใจเป็นพอง ถุงลม , ครึ่งพันล้าน , เล็ก , ที่ละเอียดอ่อน , ลูกโป่งเหมือนถุงในที่ออกซิเจนเข้าสู่ปอดและคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากเลือด บางครั้งแม้ว่าแต่ละถุงยุบ" เมื่อถุงลมยุบพวกเขาประนีประนอมความสามารถของปอดที่จะแลกเปลี่ยนออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ เฟลด์แมนกล่าวว่า " . " วิธีเดียวที่จะ pop พวกเขาเปิดอีกครั้ง ถอนหายใจ ซึ่งนำในสองครั้ง ปริมาตรของลมหายใจเป็นปกติ ถ้าคุณไม่ถอนหายใจ ปอดของคุณจะล้มเหลวตลอดเวลา "เปิดถอนหายใจจะเป็นประโยชน์ในผู้ที่ไม่สามารถหายใจได้ด้วยตนเอง อุปกรณ์การหายใจเทียมต้นไม่สม่ำเสมอให้ผู้ป่วยหายใจเข้าลึกๆ และผู้ป่วยหลายคนตาย เครื่องช่วยหายใจในปัจจุบันเป็นประจำส่งขนาดใหญ่ อัตราเงินเฟ้อของอากาศที่เลียนแบบถอนหายใจ" ถ้าคุณไม่ถอนทุกห้านาทีแล้ว ถุงลมจะค่อยๆ ยุบตัวลง ทำให้ปอดล้มเหลว " เฟลด์แมนกล่าว นั่นคือเหตุผลที่ผู้ป่วยปอดเหล็ก ช่วงแรกมีปัญหา เพราะพวกเขาไม่เคยถอนหายใจ " .ความสามารถในการ จำกัด ถอนใจสะท้อนสามารถพิสูจน์เป็นประโยชน์ในความผิดปกติของความวิตกกังวลและเงื่อนไขอื่น ๆทางจิตที่ถอนหายใจจะทำให้สุขภาพทรุดโทรมกลไกเบื้องหลังรากอารมณ์สติถอนหายใจยังคงลึกลับ ." นี่จะเป็นส่วนประกอบของถอนหายใจที่เกี่ยวข้องกับสภาพอารมณ์ . เมื่อคุณเครียด ตัวอย่างเช่น เธอถอนหายใจมากขึ้น " เฟลด์แมนกล่าว มันอาจเป็นได้ว่า เซลล์ประสาทในสมองด้านอารมณ์ที่กระบวนการที่เรียกการเปิดตัวของนิวโรเพ็พไทด์ . . . แต่เราก็ถอนหายใจ
การแปล กรุณารอสักครู่..