Пожалуй, нет более важной функции организма для человека и других млекопитающих, чем дыхание. С каждым вдохом мы наполняем наши тела воздухом, богатым кислородом, который поддерживает здоровье и правильную работу наших органов и тканей, а без кислорода мы можем прожить всего несколько минут.
Но иногда наше дыхание становится ограниченным, будь то из-за инфекции, аллергии, физических упражнений или по какой-либо другой причине, что вынуждает нас делать глубокие, задыхающиеся вдохи, чтобы быстро набрать больше воздуха.
Теперь исследователи из Гарвардской медицинской школы определили ранее неизвестный способ, с помощью которого организм противодействует ограниченному дыханию — новый рефлекс блуждающего нерва , который инициирует глубокое дыхание. Их работа опубликована 6 марта в журнале Nature .
Исследование, проведенное на мышах, выявило редкий и загадочный тип клеток в легких, который обнаруживает закрытие дыхательных путей и передает сигнал блуждающему нерву — информационной магистрали, которая соединяет мозг почти со всеми основными органами. После того, как сигнал достигает мозга, срабатывает дыхательный рефлекс, который помогает животному компенсировать нехватку воздуха.
«Наши ощущения в дыхательных путях являются одними из самых важных и мощных для выживания, но многие нервные пути в дыхательных путях плохо изучены. Мы нашли фундаментальный путь того, как организм контролирует открытость легких и эффективность дыхательной системы для контроля». дыхание», — сказал ведущий автор Майкл Шаппе, научный сотрудник в области нейробиологии в HMS.
Хотя исследования еще предстоит подтвердить на людях, эти результаты дают ценную информацию о том, как мозг и тело связаны, контролируя и модулируя дыхание, и могут стать отправной точкой для понимания того, что происходит, когда дыхание нарушается.
Тайна сиротских нейронов
Старший автор исследования Стивен Либерлес, профессор клеточной биологии в Институте Блаватника при HMS, широко интересуется тем, как мозг и тело работают вместе, контролируя различные физиологические функции, в том числе, как мозг обрабатывает информацию от внутренних органов , воспринимает инфекции, такие как грипп , и подавляет тошноту .
Когда Шаппе, Либерлес и их команда начали исследовать дыхательную систему, они поняли, что в легких существует множество различных типов нейронов, но мало что известно о том, что на самом деле делают некоторые из этих нейронов.
«Нас вдохновила идея о том, что эти загадочные «сиротские нейроны» могут участвовать в рефлексах тела и мозга, которые остаются скрытыми и неохарактеризованными», — сказал Либерлес.
В 1860-х годах учёные открыли рефлекс Геринга-Бройера, защищающий лёгкие от чрезмерного раздувания. Этот рефлекс возникает, когда нейроны в легких обнаруживают, что дыхательные пути растягиваются, и быстро подают сигнал организму выдыхать и дышать менее глубоко.
Исследователи подозревали, что может существовать второй, обратный дыхательный рефлекс, который возникает, когда нейроны чувствуют, что дыхательные пути сужаются, объем легких уменьшается и организму необходимо вдыхать больше воздуха. Возникающее в результате ощущение одышки или нехватки воздуха, по словам Либерлеса, может быть неприятным, однако мало что известно о том, как оно возникает.
Рефлекс защиты от голода воздуха
Чтобы проверить, существует ли такой рефлекс, Шаппе провел серию экспериментов на мышах, которые включали ограничение их дыхания и запись их физиологических реакций, а также реакции нейронов в их легких. Команда также использовала генетические инструменты для активации и деактивации нейронов легких, чтобы увидеть, как эта активность или бездействие влияет на дыхание.
Когда у мышей наблюдалось перекрытие дыхательных путей, они рефлекторно задыхались. Исследователи заметили, что определенная подгруппа сенсорных нейронов блуждающего нерва была более активной во время такого удушья. Когда исследователи деактивировали нейроны, мыши больше не хватали ртом воздух в ответ на закрытие дыхательных путей. Когда нейроны активировались, животные задыхались даже при отсутствии ограничения дыхательных путей.
Это открытие указывает на специальный рефлекс блуждающего нерва, который активируется при закрытии дыхательных путей и приводит к удушью, сказал Либерлес.
Затем исследователи изучили, как эти нейроны вызывают дыхательный рефлекс. Они заметили, что нейроны расположены в слизистой оболочке дыхательных путей и имеют отчетливую структуру в форме люстры. Каждая «ветвь» нейрона ведет к скоплению клеток, называемых нейроэпителиальными телами, или НЭБ, которые, по словам Либерлеса, «очень плохо изучены и остаются загадкой с тех пор, как они были впервые обнаружены в легких».
Дальнейшие эксперименты показали, что NEB необходимы для рефлекса дыхания и достаточны, чтобы его вызвать. Команда обнаружила, что NEB экспрессируют белок PIEZO2, чувствительный к силе, который также участвует в ощущении прикосновения к коже, и что отключение PIEZO2 устраняет рефлекс дыхания.
«Мы обнаружили рефлекс, активирующий закрытие дыхательных путей, который является спутником рефлекса Геринга-Бройера», — сказал Либерлес. «Этот новый рефлекс задействует совершенно другую структуру нейронов в легких и раскрывает давнюю загадку того, что делают NEB».
Впереди еще больше неизвестного
Клетки NEB связаны с некоторыми заболеваниями человека, которые вызывают снижение функции легких, но было неожиданно обнаружить связь между NEB и путем через блуждающий нерв, который ощущает уменьшение объема легких, сказал Шаппе.
Результаты, отметили исследователи, подчеркивают, как много еще предстоит узнать о НЭБ, включая их роль в заболеваниях.
Далее исследователи заинтересованы в разгадке еще одной загадки: классически известно, что PIEZO2 активируется при растяжении, а не при сжатии, поэтому они хотят знать, как закрытие дыхательных путей меняет силы легких вокруг NEB, активируя белок.
Команда также заинтересована в изучении оставшихся осиротевших нейронов в легких и дыхательных путях, чтобы понять, что они чувствуют и участвуют ли они в других необнаруженных дыхательных рефлексах.
Исследование твердо относится к области фундаментальных исследований, но оно обеспечивает важный первый шаг на пути к более полному пониманию дыхательной системы человека, у которого есть многие из тех же генов и типов клеток, включая сенсорные рецепторы, что и у мышей.
«Мы хотим понять функции этих нейронов и то, что они контролируют физиологически, чтобы в конечном итоге мы могли выяснить, как они преобразуются во внутренние ощущения, испытываемые людьми», — сказал Шаппе.