Wie der Atem die Aktivität des Großhirns beeinflusst

Die Ergebnisse der Forschung, die jetzt im international renommierten Fachmagazin „Nature Communications“ veröffentlicht wurden, können auch helfen, die Rolle des Atems in der menschlichen Gehirnaktivität besser zu verstehen.

Dr. Junji Ito, ein Neurowissenschaftler der von Prof. Sonja Grün geleiteten Arbeitsgruppe „Statistical Neuroscience“ am Institut für Neurowissenschaften und Medizin, hat in Zusammenarbeit mit amerikanischen Kollegen herausgefunden, dass es eine starke Wechselwirkung zwischen dem Atemrhythmus von Mäusen und der Aktivität des sogenannten Whisker Barrel Cortex gibt.

Das ist ein Areal im Gehirn von Mäusen, in dem die Signale ihrer Schnurrhaare verarbeitet werden. „Es war bereits bekannt, dass die Aktivität des Riechkolbens, also des für Gerüche zuständigen Gehirnareals, mit der Atmung korreliert. Da wir aber keinen Zusammenhang zwischen dem Whisker Barrel Cortex und der Atmung kannten, sind unsere Ergebnisse überraschend“, erklärt Ito. 

Beim Auswerten der Daten von Forschern der University of Tennessee entdeckte Ito, dass der Atemrhythmus mit der Deltafrequenz des lokalen Feldpotenzials zusammenhängt. Das Feldpotenzial entspricht der Summe der Aktivität der Synapsen in einem Kubikmillimeter Gehirn.

Deltawellen sind niederfrequente (0.5-4Hz) Gehirnströme, die bei Menschen wie auch bei Mäusen üblicherweise während des Schlafes auftreten – im Whisker Barrel Cortex von Mäusen jedoch auch im Wachzustand. 

„Die Ergebnisse sind eindeutig: Mäuse atmen vier Mal pro Sekunde ein und aus, und darauf abgestimmt bilden die Deltawellen in jeder Sekunde vier Gipfel und Täler“, erläutert der Jülicher Wissenschaftler. Der Zusammenhang beschränkt sich dabei nicht auf Deltawellen.

Ito und Kollegen konnten ebenfalls zeigen, dass im Whisker Barrel Cortex auch Gammawellen (> 30 Hz) auftreten, die gewöhnlich bei starker Konzentration oder bei Lernprozessen gemessen werden. Diese Gammawellen, so das Ergebnis der Untersuchungen, sind an die Deltawellen und an die Atmung gekoppelt. 

In weiteren Experimenten konnten die Forscher darüber hinaus zeigen, dass der Luftstrom durch die Nase die Wechselbeziehungen zwischen Atmung und neuronaler Aktivität im Barrel Cortex steuert. Inwieweit sich dies auch in weiteren Hirnarealen nachweisen lässt und ob dies auch beim Menschen auftritt, wird Gegenstand künftiger Forschungsprojekte sein.

Sonja Grün geht davon aus, auch beim Menschen Zusammenhänge zu finden: „Die Rolle der Atmung ist bei der Meditation schon lange bekannt. Wir hoffen, mehr darüber herauszufinden, wie der Atem auf das Denkvermögen wirkt.“ 

Originalveröffentlichung: J. Ito, S. Roy, Y. Liu, Y. Cao, M. Fletcher, L. Lu, J.D. Boughter, S. Grün & D.H. Heck: Whisker barrel cortex delta oscillations and gamma power in the awake mouse are linked to respiration. Nature Communications 5, 3572, DOI: 10.1038/ncomms4572 http://www.nature.com/ncomms/2014/140401/ncomms4572/full/ncomms4572.html 

Institut für Neurowissenschaften und Medizin, Bereich Computational and Systems Neuroscience (INM-6 /IAS-6): http://www.fz-juelich.de/inm/inm-6/EN/Home/home_node.html