Effekter av hypoxiskt andningsarbete

Andningsarbete. Andningsarbete innebär helt enkelt att medvetet manipulera andningen för att uppnå ett önskat resultat. Det finns många typer av andningsarbete för olika mål. Ett helt segment av yoga, kallat pranayama, utnyttjar kraften i andningsmanipulation för olika hälsofördelar. Den aktuella studien använder inte en specifik teknik från gamla traditioner utan kombinerar två grundläggande tekniker grundade i västerländsk litteratur: långsam andning och hypoxisk andningshållningsträning.

Andningsarbete: långsam andning. Studien av långsam andning (SPB) framkom från observationen att hjärtfrekvensen följer andningen: hjärtfrekvensen ökar under inandning och minskar under utandning. Flera fysiologiska processer kommer i linje när andningen hålls vid en konstant hastighet av cirka 0,1 Hz (6 andetag per minut). Eftersom långsammare andning kräver större tidalvolym, orsakar SPB rytmiska förändringar i blodtrycket, vilket utlöser baroreflexresponsen. Baroreflexen innebär kommunikation från kroppen till hjärnstammen och högre hjärncentra via vagala nervafferenter. Hjärnan projicerar tillbaka genom vagusnerven till hjärtat och frisätter acetylkolin, vilket orsakar tillfällig hjärtbromsning. Eftersom typiska andetag (i alla fall i vår kultur) vanligtvis är mycket snabbare och mindre regelbundna, uppnås inte denna resonans i det normala dagliga livet, vilket leder till minskad parasympatisk funktion. Att träna SPB kan hjälpa till att återställa hälsan genom att återställa korrekt autonom balans. Till exempel sänks blodtrycket akut under SPB, tillsammans med ökad baroreflexkänslighet. Systoliskt blodtryck sänktes hos hypertonipatienter efter 8 och 12 veckors SPB-övning. Det kan också sänka blodtrycket och öka syreupptaget hos invånare vid havsnivån som utsätts för höga höjder.

Förutom hjärnstamsmål från vagala afferenter, visar dorsala pons, periaqueductal grå substans, lillhjärnan, hypotalamus, thalamus och laterala och främre insulära cortex också aktivitet på funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) under SPB (Critchley et al., 2015) . En regelbunden användning av SPB under 8 veckor har också visat sig öka den funktionella anslutningen mellan den ventromediala prefrontala cortexen och insula, amygdala, mellersta cingulat och lateral prefrontal cortex jämfört med kontroller (Schumann et al., 2021).

Andningsarbete: håll andan. Olika forskningsvägar har visat de överraskande fördelarna med intermittent låg syrehalt. Genom tiderna har olika kulturer haft en viss grad av medvetenhet om att andas mindre eller flytta till höjd av hälsoskäl. Specifika studier började utföras när människor började aktiviteter på hög höjd som luftballong och bergsklättring och därifrån har många upptäckter gjorts om fördelarna med låg syrehalt. Att leva på hög höjd för idrottare ger till exempel fördelar för träning och tävling på havsnivå, och yogimästare har lärt ut pranayama (andningstekniker) som begränsar syreexponering för olika fördelar som att minska stress eller rensa sinnet. Men dessa är bara de mest uppenbara följderna av sänkt syre. Mer överraskande är att hypoxisk förkonditionering skyddar mot efterföljande ischemisk utmaning som normalt skulle resultera i neuronal död. Reducerat syre har också visat sig öka tillväxtfaktorer, öka neurogenes, förbättra blodflödet till hjärnan och öka antioxidantaktiviteten. Mekanismen för sådana fördelar tros mest involvera hypoxi-inducerbara faktorer (HIF), vilket leder till nedströms effektorer såsom heme-oxygenas-1, värmechockproteiner, tillväxtfaktorer, erytropoietin och mer. Så kontraintuitivt som det kan tyckas, är begränsning av syre, antingen genom minskade syrgasblandningar, höjd över havet eller att hålla andan, ett effektivt sätt att stimulera kroppens naturliga förmåga att öka hälsofrämjande faktorer.

EEG hjärnavbildning av andningsarbete. I den här studien kommer vi att använda en 128-kanals EEG-kåpa för att registrera helhuvudets EEG som möjliggör nedbrytning till kortikal källaktivitet med hjälp av oberoende komponentanalys (ICA). Denna teknik har fördelen av att separera aktiviteter som kommer från olika delar av hjärnan (istället för hårbottenplatser) och sedan observera deras övergående interaktioner under specifika uppgifter. I denna studie kommer vi att undersöka källaktivitet under guidad rytmisk andning och andningshållningssekvenser för att observera frekvenskraften och koherenserna som kännetecknar dessa tillstånd. Effekten av hypoxi på EEG har inte studerats i detalj, och de preliminära rapporterna varierar, delvis på grund av olika tekniker för att framkalla hypoxi. Till exempel har hypobar hypoxi visat sig öka i alfa- (~8-12 Hz) och theta-frekvenser (~4-7 Hz) i en studie, men minska alfa i två andra studier, även om dessa båda fann en konsekvent ökning av theta kraft. Normobarisk andningshållning har också visat sig minska alfaaktiviteten. Dessutom har hyperkapni, eller ökad koldioxid (CO2) (som också inträffar under andningsstopp), också noterats minska alfa, såväl som beta (~13-30 Hz) och låg gamma (~30-50 Hz) med hjälp av magnetoencefalografi .

SPB har även en liten litteratur som visar spektrala förändringar under och efter kontrollerad andning. En studie av en specifik pranayamateknik visade en theta-ökning under SPB som sjunker under efterföljande meditation, medan alfakraften minskade under SPB och minskade ytterligare under meditation. Med hjälp av en annan experimentell design visade en annan studie progressiva ökningar av total effekt och alla spektrala band (theta, alfa, beta) när försökspersoner utförde snabb andning, normal andning och SPB. En annan studie fann dock minskad låg betaeffekt under SPB jämfört med snabb andning. SPB har också visat sig synkronisera långsamma kortikala potentialer och hjärtfrekvensvariabilitet (HRV), vilket leder till ett subjektivt avslappnande tillstånd för försökspersoner.

Även om dessa rapporter visar tydliga bevis för EEG-förändringar under frivillig andningsmanipulation, är deras resultat både inkonsekventa och använder endast de mest grundläggande analysteknikerna. I den aktuella studien avser vi att utöka dessa fynd genom att bryta ned EEG-data med hög densitet i oberoende komponenter med hjälp av ICA och undersöka koherensen och orsakssambandet hos EEG-aktiviteten för att visa nivån av hjärnanslutning och informationsflödets riktningar under dessa tillstånd av förändrat medvetande.

Fysiologi, biokemi och molekylärbiologi. Inga studier har genomförts för att integrera de fysiologiska, biokemiska och molekylärbiologiska reaktionerna av andningsarbete hos människor. Studier har bedömt transkriptomförändringar under yoga som visar huvudsakliga effekter på immunmodulering, men dessa kompliceras av processer som inkluderar andningsarbete utöver andra manipulationer. Vår kommer att vara den första studien som integrerar flera fysiologiska och biologiska multiomiska slutpunkter för att studera effekten av andningsträning.