Чего он вздыхает?

Истина заключается в том, что на планете был только один вид, более разумный, чем дельфины. Существа этого вида проводили много времени в научных лабораториях, бегая в колесах и производя пугающие своим мастерством и утонченностью опыты на человеке. Факт, что человек и в этом случае совершенно неверно истолковал суть этих отношений, полностью отвечал замыслу этих существ.

Дуглас Адамс. Автостопом по галактике

По непонятным причинам мыши вздыхают гораздо чаще, чем лаборанты. Исследователи из Стэнфорда и Лос-Анджелеса обнаружили нейропептиды, управляющие вздохами, и смогли заставить мышей вздыхать еще чаще.

Люди вздыхают от наплыва чувств — огорчения, желания, усталости или облегчения, — что в какой-то степени свойственно и грызунам. Например, частота вздохов крысы подскакивает в 20 раз от сигнала, сообщающего, что сегодня ее не будут бить током. Однако кроме вздохов, вызываемых эмоциями, происходит множество спонтанных вздохов — десятки в день у человека и сотни у грызунов. Считается, что вздохи расправляют альвеолы и улучшают вентиляцию легких, а повышение частоты вздохов спасает нас от недостатка кислорода и переизбытка углекислого газа. Согласно некоторым исследованиям, нарушение способности вздыхать является одной из причин синдрома внезапной детской смертности, а повышенная частота вздохов в нормальных условиях связана с перевозбуждением и паническими расстройствами [1].

Основную роль в поддержании ритма дыхания играет комплекс пре-Бётцингера, расположенный в продолговатом мозге. Регулярные импульсы активируют мотонейроны, управляющие сокращением диафрагмы и других дыхательных мышц, обеспечивая ритмичные дыхательные движения. Но иногда нейроны этого комплекса генерируют два последовательных импульса, порождая усиленный вдох, по объему вдвое больше обычного — это и есть вздох. До настоящего времени оставалось загадкой, какие структуры управляют частотой вздохов. Было обнаружено множество веществ, способных модулировать эту частоту, однако механизмы влияния также оставались неясны. Известным веществом-модулятором являлся, в частности, бомбезин — пептид, выделенный в 1971 году из кожи лягушки Bombina bombina (краснобрюхая жерлянка).

Части головоломки сложились совсем недавно в результате анализа экспрессии 19 тыс. генов в заднем мозге мыши [2]. Обнаружилось, что два гена–гомолога бомбезина — нейромедин B (Nmb) и гастрин-релизинг пептид (Grp) — специфично экспрессируются в ретротрапециевидных и парафациальных ядрах — структурах, связанных с регуляцией дыхания. Дальнейшее исследование показало, что аксоны нейронов, вырабатывающих NMB и GRP, идут как раз в комплекс пре-Бётцингера, генерирующий сигналы вдохов и вздохов, а на поверхности части нейронов комплекса находятся рецепторы к этим пептидам.

Авторы исследования доказали, что обнаруженная ими система играет ключевую роль в регуляции частоты вздохов, не влияя при этом на другие характеристики дыхания. При введении любого из пептидов в комплекс пре-Бётцингера частота вздохов увеличивается в 6–17 раз, в то время как частота обычных вдохов практически не изменяется. У мышей с испорченными рецепторами к любому из пептидов частота вздохов снижается наполовину, а при одновременном блокировании рецепторов обоих типов вздохи прекращаются вовсе — опять-таки при сохранении нормального дыхания. Если даже уничтожить нейроны, несущие любой из этих двух типов рецепторов, дыхание по-прежнему происходит нормально, при том что вздохи практически прекращаются.

NMB и GRP влияют не только на частоту вздохов в нормальном состоянии, но и обеспечивают ее увеличение в случае гипоксии. Мыши, лишенные нейронов с рецепторами к нейропептидам, не вздыхают даже при недостатке кислорода в воздухе, что в долгосрочной перспективе приводит к проблемам с дыханием.

Полученные результаты ставят массу новых вопросов. Например, зачем нужно целых два сигнальных вещества? Какие сигналы интегрируют нейроны, вырабатывающие каждый из пептидов? Выделяются ли оба нейропептида в ответ на одни и те же стимулы, или у них есть специализация, и в каких-то условиях мы вздыхаем из-за NMB, а в каких-то — из-за GRP? И почему другие вещества, не похожие на бомбезин, изменяют частоту вздохов?

Обнаружение основных «вздыхательных» путей мозга позволяет выйти на новый уровень в изучении вопроса, зачем вообще нужны вздохи. Многие исследователи предполагают, что вздохи выполняют не только физиологические, но также психологические и социальные функции [1]. Практическим следствием этого открытия могут стать препараты, повышающие частоту вздохов (такие лекарства могут помочь пациентам, лишенным способности самостоятельно глубоко дышать), а также новые подходы в лечении тревожных состояний.

Зоя Червонцева

1. Ramirez J. M. The integrative role of the sigh in psychology, physiology, pathology, and neurobiology. Prog Brain Res. 2014; 209: 91–129.

2. Li P., Janczewski W. A., Yackle K., et al. The peptidergic control circuit for sighing. 2016; 530 (7590): 293–7.