מדענים מאוניברסיטת סטנפורד זיהו קבוצה קטנה של נוירונים (תאי עצב), אשר מעבירה את המתרחש במרכז בקרת הנשימה של המוח למבנה שאחראי ליצירת עוררות בכל המוח.
עד כה המדע לא הצליח לענות על השאלה מדוע כשנושמים לאט ובשלווה נוצרת בגוף תחושת רוגע מתמשכת ואילו כאשר נושמים במהירות ובאופן לא סדיר, נבנה מתח.
במחקר חדש בעכברים, חוקרים ועמיתים בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת סטנפורד, ארה"ב, זיהו קומץ נוירונים בגזע המוח המחברים נשימה למצבים נפשיים. הממצאים פורסמו בכתב העת Science , מרץ 2017.
רופאים לעיתים קרובות מנחים את המטופלים שלהם שסובלים מהפרעות דחק לבצע תרגילי נשימה והרפייה ואף להצטרף לחוגי יוגה על מנת לתרגל 'פראניאמה' – כלומר, תרגילי נשימה – כדי ללמוד כיצד להעביר את התודעה ממצבי עירור וריגוש למצבים מדיטטיביים יותר, המתאפיינים ברוגע וריכוז.
"מחקר זה מסקרן משום שהוא מספק הבנה ברמה תאית ומולקולרית של איך זה יכול לפעול", אמר ד"ר מארק קראסנו (Mark Krasnow), פרופסור לביוכימיה והמחבר הבכיר של המחקר.
אשכול זעיר של נוירונים
האשכול הזעיר של נוירונים המקשר נשימה לרוגע, קשב, עירור, התרגשות וחרדה נמצא עמוק בתוך גזע המוח. אשכול זה הממוקם באזור אותו קראסנו מכנה, 'קוצב הלב של הנשימה', התגלה בעכברים על ידי החוקר ד"ר ג'ק פלדמן, פרופסור לנוירוביולוגיה באוניברסיטת UCLA, שפרסם את ממצאיו בשנת 1991. מבנה דומה זוהה מאז גם בבני אדם.
"במובנים מסוימים לקוצב הנשימה במוח יש עבודה קשה יותר מאשר עמיתו בלב", אמר קראסנו, המאייש משרת חוקר גם במכון הרפואי הווארד יוז. "שלא כמו הרצף המתמשך האיטי-מהיר, החד-ממדי של הלב, ישנם סוגי נשימות רבים ומגוונים: נשימה סדירה, נרגשת, נאנחת, מתנשמת, וכן נשימות יחודיות לפיהוק, שינה, צחוק ובכי. תהינו אם תת-סוגים שונים של נוירונים בתוך מרכז בקרת הנשימה עשויים להיות אחראים להפקת סוגי הנשימה השונים הללו".
על סמך התחושה הזו, חיפש ד"ר קווין יאקל (Kevin Yackle), המחבר הראשי של המחקר, בוגר סטנפורד וכעת מרצה באוניברסיטת קליפורניה, סן פרנסיסקו, במסדי נתונים ציבוריים כדי להרכיב רשימת גנים המופעלים באופן מועדף במרכז בקרת הנשימה בגזע המוח של עכבר. המונח הטכני של המרכז הוא מכלול קדם-בוטזינגר (pre-Bötzinger Complex), או preBötC.
יאקל איתר מספר גנים כאלה, שאפשרו לחוקרים לזהות יותר מ-60 תת-טיפוסים עצביים נפרדים, נבדלים זה מזה מבחינה פיזית על-ידי חתימות ההפעלה הגנטית שלהם, אך מתמזגים אל preBötC. המדענים הצליחו להשתמש בגנים אלה ובתוצרי החלבון שלהם, כסמנים המאפשרים להם להתביית על תת הסוגים השונים של הנוירונים.
לשבש נוירונים
[הערה: עכבר נוקאאוט (knockout mouse) הוא עכבר שעבר שינוי בהנדסה גנטית, שבו חוקרים גורמים לגן קיים (או קבוצת גנים מסוימים) להפסיק לפעול על-ידי שיבושו או החלפתו. עכברי נוקאאוט משמשים לחקר תפקיד הגנים שהוצאו בהשוואה לעכברים נורמלים].
החוקרים יכלו כעת להעריך באופן שיטתי את התפקיד של כל תת-אוכלוסיה עצבית בעכברי נוקאאוט. בעזרת טכנולוגיות מתקדמות, הם יכלו להרוס באופן סלקטיבי כל אחד מתת-סוגים עצביים אלה – ורק אותו תת-סוג – על סמך החתימה הייחודית של הגנים הפעילים. לאחר מכן יכלו לראות כיצד אובדן תת-סוג מסוים זה השפיע על נשימתם של העכברים. בשנת 2016, בשיתוף עם פלדמן, הם הצליחו לבודד תת-אוכלוסייה של נוירונים באזור PreBötC, אשר שולטת במפורש בסוג אחד של נשימה: אנחה. שיבוש הנוירונים הללו ביטל אנחה אך לא פגע בצורות אחרות של נשימה. התגלית פורסמה בכתב העת Nature.
קראסנו ויאקל פנו לאחר מכן לגלות את תפקוד הנשימה של תת-אוכלוסיה אחרת של כ 175 נוירונים מאזור preBötC שנבדלו על ידי הביטוי המשותף שלהם באמצעות שני סמנים גנטיים בשם Cdh9 וDbx1. הם הנדסו עכברים באופן גנטי כך שיכלו למחוק, בכל עת, את הנוירונים הנושאים את שני הסמנים.
אבל לאחר שמכרסמים אלה חסרו את הנוירונים Cdh9/Dbx1, שלא כמו אחיהם שנמנעו מאנחותיהם, לא היתה שום לקונה בסוגי הנשימה האחרים שלהם.
"בהתחלה הייתי מאוכזב", אמר יאקל.
אבל כמה ימים לאחר מכן הוא הבחין במשהו: יחסית לעכברים, החיות הללו היו רגועות להפליא. "אם תשים אותם בסביבה חדשה, שבדרך כלל מעוררת הרבה רחרוח וחיפוש", אמר יאקל, "הם פשוט יושבים שם ומתעסקים בטיפוח עצמי" – עדות למה שמתרחש אצל עכבר במצב רגוע.
התרשים מתאר את המסלול (בירוק) המחבר ישירות את מרכז הנשימה במוח עם מרכז העוררות ועם כל יתר האזורים במוח. (התרשים באדיבות מעבדת קראסנו. Courtesy of the Krasnow lab).
להרגע
ניתוח נוסף הראה כי בעוד שעכברים אלה עדיין הציג את התפקוד המלא של סוגי נשימה – מאנחות ועד לרחרוח, הפרופורציות היחסיות של סוגים אלה השתנו. היו פחות נשימות מהירות ומהירות יותר של רחרוח, ויותר נשימות איטיות הקשורות ברוגע.
החוקרים שיערו כי במקום להסדיר את הנשימה, נוירונים אלה "ריגלו" אחריה ו"דיווחו" על ממצאם למבנה אחר בגזע המוח. מבנה זה, הלוקוס קורולאוס (locus coeruleus), בעברית, 'האתר התכול' הוא גרעין קטן של נוירונים הממוקם בגזע המוח, מהווה את המקור העיקרי לנואדרנלין במוח הקדמי, ונחשב אזור קריטי לערות וערנות. הלוקוס קורולאוס שולח מסרים כמעט לכל חלק במוח ומניע עוררות: מעיר אותנו משינה, שומר על הערנות שלנו, ואם בהגזמה, מעורר חרדה ומצוקה. ידוע שנוירונים בלוקוס קורולאוס מציגים התנהגות קצבית שהעיתוי שלה מתואם עם זה של הנשימה. בסדרת ניסויים הוכיחו החוקרים מסטנפורד כי הנוירונים ב PreBötC המבטאים את Cadh9 ו- Dbx1 לא רק מעבירים מסרים ללוקוס קורולאוס – מה שנחשב ממצא חדש – אלא מפעילים את התשדורות שלו לאזורים מרוחקים ובכך מקדמים עוררות ברחבי המוח.
"אם משהו מפריע לנשימה שלך או מאיץ אותה, אתה צריך לדעת מיד", אמר קראסנו. "אלה אותם 175 נוירונים אשר "מספרים" ליתר המוח מה קורה, הם קריטיים לחלוטין".
"נראה כי ה- PreBötC משחק תפקיד מפתח בהשפעות הנשימה על ערנות והתרגשות, כפי שניתן לראות במהלך מדיטציה", אמר פלדמן. "אנו מקווים שהבנת תפקוד מרכז בקרת הנשימה הזה במוח תוביל לטיפולים במצבי עקה, דיכאון ורגשות שליליים אחרים".
מקור:
http://www.scholarpedia.org/article/Locus_coeruleus
תמונות: Krasnow lab, pixabay
