Как дыхание управляет размером зрачков: неожиданное открытие учёных

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Мы привыкли не задумываться о дыхании — этот процесс, подобный биению сердца, воспринимается как нечто само собой разумеющееся. И действительно, дыхание — базовая функция организма, без которой жизнь невозможна. Но дыхание — это нечто гораздо большее, чем просто механизм насыщения организма кислородом. Новейшие исследования показывают, что дыхание тесно связано с работой мозга и способно оказывать влияние на самые разные функции организма, в том числе и на изменение размера зрачков.

Долгое время в научной среде господствовало мнение, что зрачки расширяются на вдохе и сужаются на выдохе. Однако эта, на первый взгляд, логичная гипотеза, не нашла подтверждения в ходе строгих научных экспериментов.

Миф о расширении зрачков на вдохе

Откуда же взялась эта теория? Её истоки лежат в исследованиях середины XX века, проведённых на кошках. Учёные действительно наблюдали синхронизацию дыхательных движений и колебаний зрачков у животных. Вот только эффект этот был зафиксирован исключительно у кошек, находящихся в состоянии лёгкой анестезии. У бодрствующих животных, так же как и у животных под глубоким наркозом, никакой связи между дыханием и зрачками не наблюдалось.

Глаз, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

К сожалению, результаты этого исследования были неверно интерпретированы и представлены как доказательство универсального физиологического механизма. На долгие годы утверждение о том, что зрачки расширяются на вдохе, проникло в учебники и научные труды.

Новые горизонты

Лишь недавно шведские учёные решили тщательно изучить связь между дыханием и размером зрачков у человека. В ходе трёх экспериментов, проведённых с соблюдением всех стандартов научной строгости, было установлено, что зрачки достигают своего максимального размера не на вдохе, а на выдохе. Это явление получило название респираторно-зрачковый фазовый эффект (РЗФЭ).

Детали эксперимента

В экспериментах приняли участие более 100 добровольцев. В ходе первой серии испытуемые просто сидели в удобном кресле, глядя на экран с изображением креста, и дышали, то носом, то ртом. Вторая серия была посвящена выполнению зрительных тестов. Всё это время специальное оборудование с высокой точностью фиксировало изменения размера зрачков и параметров дыхания (частота, глубина, фазы вдоха и выдоха).

Размер зрачка в состоянии покоя (время записи 5 минут). A) Полярные графики размера зрачка участников в течение дыхательного цикла. 0° (Inh) обозначает начало вдоха, а 180° (Exh) - начало выдоха. Отдельные темно-зеленые/темно-синие линии показывают нормализованные значения размера зрачка отдельных испытуемых во время носового и ротового дыхания соответственно. Внутренний черный круг обозначает Z-score размера зрачка, равный -0,5, а внешний черный круг - Z-score размера зрачка, равный 0,5. Светло-зеленый/светло-голубой оттенок указывает на фазовый бином, который значительно отличается от результатов перестановочного тестирования, полученных путем случайной выборки значений размера зрачка из всего дыхательного цикла. Заштрихованная область за пределами внешнего черного круга указывает на более крупные зрачки, а заштрихованная область внутри внешнего черного круга указывает на меньшие зрачки, чем можно было бы ожидать по результатам перестановочного тестирования. Полярная гистограмма (темно-зеленые/темно-синие бины) на внешней стороне полярного графика показывает долю средних круговых направлений, направленных к определенному бину фазы дыхания (бины гистограммы в сумме дают 1). B) Линейный график показывает средний нормализованный размер зрачка для каждого фазового бина. Ноль градусов на оси x соответствует началу вдоха, а 180° - началу выдоха. Ось y показывает размер зрачка в Z-баллах. Горизонтальная нулевая линия представляет собой средний размер зрачка для каждого человека. Размер зрачка при носовом дыхании показан зелеными кругами, соединенными сплошной линией, а размер зрачка при ротовом дыхании показан синими квадратами, соединенными пунктирной линией. Заштрихованные области представляют собой 95 % доверительные интервалы. — Размер зрачка в состоянии покоя (время записи 5 минут). A) Полярные графики размера зрачка участников в течение дыхательного цикла. 0° (Inh) обозначает начало вдоха, а 180° (Exh) — начало выдоха. Отдельные темно-зеленые/темно-синие линии показывают нормализованные значения размера зрачка отдельных испытуемых во время носового и ротового дыхания соответственно. Внутренний черный круг обозначает Z-score размера зрачка, равный -0,5, а внешний черный круг — Z-score размера зрачка, равный 0,5. Светло-зеленый/светло-голубой оттенок указывает на фазовый бином, который значительно отличается от результатов перестановочного тестирования, полученных путем случайной выборки значений размера зрачка из всего дыхательного цикла. Заштрихованная область за пределами внешнего черного круга указывает на более крупные зрачки, а заштрихованная область внутри внешнего черного круга указывает на меньшие зрачки, чем можно было бы ожидать по результатам перестановочного тестирования. Полярная гистограмма (темно-зеленые/темно-синие бины) на внешней стороне полярного графика показывает долю средних круговых направлений, направленных к определенному бину фазы дыхания (бины гистограммы в сумме дают 1). B) Линейный график показывает средний нормализованный размер зрачка для каждого фазового бина. Ноль градусов на оси x соответствует началу вдоха, а 180° - началу выдоха. Ось y показывает размер зрачка в Z-баллах. Горизонтальная нулевая линия представляет собой средний размер зрачка для каждого человека. Размер зрачка при носовом дыхании показан зелеными кругами, соединенными сплошной линией, а размер зрачка при ротовом дыхании показан синими квадратами, соединенными пунктирной линией. Заштрихованные области представляют собой 95 % доверительные интервалы.

Полученные результаты опровергли устоявшийся миф: наименьший размер зрачков наблюдался в начале вдоха, а наибольший — ближе к окончанию выдоха. Причем тип дыхания (носом или ртом) никак не влиял на проявление РЗФЭ. Наиболее ярко эффект проявлялся во время выполнения зрительных тестов.

В поисках объяснения

Причины возникновения РЗФЭ пока не до конца ясны. Учёные предполагают, что этот эффект может быть связан с активностью дыхательного центра, расположенного в стволе мозга.

Дирижёр дыхания

Этот центр, известный как пре-Бетцингеровский комплекс, генерирует нервные импульсы, задающие ритм дыхания. Возможно, эти же импульсы оказывают опосредованное воздействие на мышцы, отвечающие за расширение зрачков.

Норадреналин и расширение зрачков

Ещё одна гипотеза связывает РЗФЭ с работой голубого пятна — области мозга, вырабатывающей норадреналин — гормон стресса, внимания и бодрствования. Известно, что норадреналин может вызывать расширение зрачков. Не исключено, что существует некая взаимосвязь между дыхательными ритмами, активностью голубого пятна и выбросом норадреналина, что и лежит в основе РЗФЭ.