Ученые обнаружили удивительную связь между дыханием и памятью

Человеческий мозг никогда не работает в изоляции. Новое исследование, опубликованное в The Journal of Neuroscience, обнаруживает удивительную связь между, казалось бы, автономным процессом дыхания и способностью вспоминать. Ученые из Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене под руководством Томаса Шрайнера представили доказательства того, что фаза дыхания — вдох или выдох — выступает естественным «дирижером», организующим нейронную активность, необходимую для успешного извлечения воспоминаний.

Тело как часть когнитивного процесса

Долгое время исследования памяти фокусировались исключительно на механизмах внутри самого мозга. Однако растущий массив данных свидетельствует: ритмы тела, и в особенности дыхание, способны систематически влиять на мозговую активность. Предыдущие работы уже показывали, что люди точнее распознают эмоции на лицах или воспринимают тактильные стимулы именно на вдохе. Но вопрос о том, участвует ли дыхание в сложнейшем процессе сознательного восстановления ассоциативных связей в памяти, оставался открытым.

Команда Шрайнера поставила задачу выяснить, может ли дыхание служить своего рода метрономом, синхронизирующим нейронные ансамбли, которые отвечают за воспроизведение конкретной информации.

Дизайн эксперимента: от глагола к образу

В исследовании приняли участие 18 здоровых добровольцев (средний возраст — около 21 года). Эксперимент состоял из двух этапов, разделенных неделей. Сначала участники проходили обучение: им показывали пары, состоящие из глагола (например, «прыгать») и изображения (предмета или сцены). Задача состояла в создании мысленной ассоциации, связывающей слово и картинку. Так формировалась ассоциативная память.

На втором этапе проверялось запоминание. Участникам снова предъявляли глаголы, и они должны были вспомнить и описать связанное с ними изображение. На протяжении всего теста ученые вели одновременную запись двух параметров: электроэнцефалография (ЭЭГ) фиксировала электрическую активность мозга, а термодатчик отслеживал поток воздуха, регистрируя фазы дыхания. Это позволило с высокой точностью сопоставить моменты когнитивной активности с конкретным моментом респираторного цикла.

Вдох как сигнал, выдох как воспоминание

Анализ данных выявил четкую закономерность. Вероятность успешного припоминания образа была значительно выше, если ключевое слово появлялось в момент вдоха. Однако на этом роль вдоха не заканчивалась. Оптимальная последовательность для работы памяти выглядела так: вдох во время предъявления стимула, за которым следовал выдох в момент, когда мозг обрабатывал и извлекал воспоминание.

Ученые исследовали два ключевых нейронных маркера. Во-первых, они изучали осцилляции — ритмические колебания электрической активности мозга в диапазоне альфа- и бета-частот (примерно 8–20 Гц). В когнитивной нейронауке снижение мощности в этих диапазонах является признаком успешной обработки информации. Во-вторых, с помощью компьютерного моделирования они отслеживали «реактивацию памяти» — момент, когда мозг воссоздает уникальный нейронный паттерн, связанный с исходным изображением.

Результаты показали, что характерное снижение альфа- и бета-активности, сигнализирующее о включении механизмов памяти, было модулировано дыханием. Эти изменения становились наиболее выраженными в фазе выдоха. Более того, сама реактивация памяти — появление нейронного «слепка» образа — также синхронизировалась с выдохом.

Синхронность как залог успеха

Исследователи обнаружили прямую корреляцию между силой этой синхронизации и эффективностью запоминания. Участники, у которых связь между ритмом дыхания и паттернами реактивации мозга была наиболее тесной, показывали лучшие результаты в тестах на память. Это наблюдение подтверждает, что координация между дыханием и мозгом имеет функциональное значение, а не является случайным шумом.

«Нас поразило, насколько избирательно эти эффекты проявлялись именно во время успешного припоминания, а не в ситуациях, когда память подводила или в контрольных условиях, — комментирует Томас Шрайнер. — Это говорит о том, что дыхание влияет не просто на общий уровень бодрствования, а напрямую связано с нейронным восстановлением хранящейся информации».

Таким образом, вдыхаемый воздух служит не только источником кислорода, но и временным маркером. Вдох, по-видимому, создает оптимальные условия для восприятия стимула-подсказки, а выдох предоставляет «окно», в котором мозг наиболее эффективно разворачивает хранящийся в нейронных связях образ прошлого.

Ограничения и перспективы: от спонтанного дыхания к клинической практике

Авторы подчеркивают ряд важных ограничений своей работы. Во-первых, обнаруженный эффект, хотя и устойчивый, является умеренным по величине — что типично для физиологических влияний на сложные когнитивные процессы. Во-вторых, исследование устанавливает корреляцию, но не доказывает, что именно дыхание является прямой причиной изменений в мозговой активности. Теоретически, третий фактор, такой как общий уровень внимания, мог бы влиять и на дыхание, и на память одновременно.

Критически важное уточнение касается природы дыхания. Данные отражают естественное, бессознательное физиологическое взаимодействие. Исследование не доказывает, что осознанное управление дыханием, например, дыхательные упражнения, могут немедленно улучшить память. Этот вопрос, по словам Шрайнера, остается открытым для дальнейших исследований.

В будущем ученые планируют расширить эту линию исследований. Ранее та же группа показала, что дыхание играет ключевую роль в структурировании реактивации памяти во время сна. Теперь, установив аналогичный механизм для бодрствования, они намерены изучать, как стабильность или нарушения дыхания (например, при апноэ во сне) влияют на консолидацию памяти у пожилых людей и в клинических группах.

«В более широком смысле, мы надеемся, что эта работа внесет вклад в формирование представления о познании как о воплощенном процессе, в котором функция мозга непрерывно формируется физиологическими ритмами всего тела», — заключает Шрайнер.