Ce qui se passe dans notre cerveau lorsque nous respirons

Si vous avez la chance de vivre jusqu'à 80 ans, vous prendrez jusqu'à un milliard de respirations au cours de votre vie, inspirant et expirant suffisamment d'air pour remplir au moins 50 dirigeables Goodyear. Nous respirons environ 20 000 fois par jour, aspirant de l'oxygène pour alimenter nos cellules et nos tissus, et éliminant le dioxyde de carbone qui s'accumule en raison du métabolisme cellulaire. La respiration est si essentielle à la vie que les gens meurent généralement en quelques minutes si elle s'arrête.

C'est un comportement si automatique que nous avons tendance à le considérer comme acquis. Mais la respiration est une merveille physiologique - à la fois extrêmement fiable et incroyablement flexible. Notre rythme respiratoire peut changer presque instantanément en réponse au stress ou à l'excitation, et même avant une augmentation de l'activité physique. Et la respiration est si bien coordonnée avec d'autres comportements comme manger, parler, rire et soupirer que vous n'avez peut-être même jamais remarqué comment votre respiration change pour s'y adapter. La respiration peut également influencer votre état d'esprit, comme le prouvent les pratiques de respiration contrôlée du yoga et d'autres traditions méditatives anciennes.

Ces dernières années, les chercheurs ont commencé à élucider certains des mécanismes neuronaux sous-jacents de la respiration et ses nombreuses influences sur le corps et l'esprit. À la fin des années 1980, les neuroscientifiques ont identifié un réseau de neurones dans le tronc cérébral qui fixe le rythme de la respiration. Cette découverte a servi de tremplin à des recherches sur la manière dont le cerveau intègre la respiration à d'autres comportements. Dans le même temps, les chercheurs ont trouvé des preuves que la respiration peut influencer l'activité de vastes zones du cerveau, y compris celles qui jouent un rôle important dans les émotions et la cognition.

"La respiration a de nombreuses fonctions", déclare Jack L. Feldman, neuroscientifique à l'université de Californie, Los Angeles, et coauteur d'un article récent sur l'interaction entre la respiration et l'émotion, publié dans l'Annual Review of Neuroscience. "C'est très compliqué car nous changeons constamment notre posture et notre métabolisme, et cela doit être coordonné avec tous ces autres comportements."

Chaque respiration est une symphonie de poumons, de muscles et de cerveau

Chaque fois que vous inspirez, vos poumons se remplissent d'air riche en oxygène qui se diffuse ensuite dans votre sang pour être distribué dans tout votre corps. Une paire de poumons humains typique contient environ 500 millions de petits sacs appelés alvéoles, dont les parois sont le lieu de passage des gaz entre les voies respiratoires et la circulation sanguine. La surface totale de cette interface est d'environ 750 pieds carrés - un peu plus que la superficie d'un appartement type d'une chambre à San Francisco, et un peu moins que celle d'un terrain de racquetball.

"Ce qui est remarquable chez les mammifères, y compris les humains, c'est que notre poitrine présente une surface énorme", explique M. Feldman. Plus de surface signifie que plus de gaz est échangé par seconde.

Mais les poumons ne peuvent pas le faire seuls. Ce sont essentiellement des sacs de tissus mous. "Pour que cela fonctionne, les poumons doivent être pompés comme un soufflet", explique M. Feldman. Et c'est ce qu'ils font : à chaque inspiration, le diaphragme, muscle situé au fond de la cage thoracique, se contracte et se déplace vers le bas d'environ un centimètre. Dans le même temps, les muscles intercostaux situés entre les côtes déplacent la cage thoracique vers le haut et l'extérieur, ce qui a pour effet de dilater les poumons et d'aspirer l'air. (Si vous avez déjà eu le souffle coupé par un coup à l'estomac, vous savez tout sur le diaphragme ; et si vous avez mangé des côtes au barbecue, vous avez rencontré les muscles intercostaux).

Au repos, ces muscles ne se contractent que pendant l'inspiration. L'expiration se produit passivement lorsque les muscles se détendent et que les poumons se dégonflent. Pendant l'exercice, différents ensembles de muscles se contractent pour expulser activement l'air et accélérer la respiration.

La respiration nécessite des mouvements coordonnés du diaphragme et des muscles intercostaux. Lorsque ces muscles se contractent, l'air est aspiré dans les poumons, où des centaines de millions de minuscules alvéoles constituent une surface où l'oxygène peut se diffuser dans le sang et le dioxyde de carbone peut s'échapper. À chaque expiration, ces muscles se détendent et l'air est refoulé.

Contrairement au muscle cardiaque, dont le rythme est déterminé par des cellules pacemaker, les muscles qui contrôlent la respiration reçoivent leurs ordres du cerveau. Étant donné l'importance de ces signaux cérébraux pour la vie, il a fallu un temps étonnamment long pour les localiser. L'un des premiers à s'interroger sur leur origine fut Galien, le médecin grec qui remarqua que les gladiateurs dont le cou était brisé au-dessus d'un certain niveau étaient incapables de respirer normalement. Des expériences ultérieures ont pointé vers le tronc cérébral et, dans les années 1930, le physiologiste britannique Edgar Adrian a démontré que le tronc cérébral disséqué d'un poisson rouge continuait à produire une activité électrique rythmique, qu'il considérait comme le signal générateur de motifs sous-jacent à la respiration.

Mais l'emplacement exact du générateur de rythme respiratoire du tronc cérébral est resté inconnu jusqu'à la fin des années 1980, lorsque Feldman et ses collègues l'ont identifié comme un réseau d'environ 3 000 neurones dans le tronc cérébral des rongeurs (chez l'homme, il contient environ 10 000 neurones). On l'appelle désormais le complexe pré-Bötzinger (preBötC). Les neurones de ce complexe présentent spontanément des salves rythmiques d'activité électrique qui, relayées par des neurones intermédiaires, dirigent les muscles qui contrôlent la respiration.

Au fil des ans, certaines personnes ont supposé que Bötzinger devait être un anatomiste célèbre, dit Feldman, peut-être un Allemand ou un Autrichien. Mais en fait, le nom lui est venu en un éclair au cours d'un dîner lors d'une conférence scientifique où il soupçonnait un collègue d'être sur le point de s'approprier la découverte. M. Feldman a fait tinter son verre pour proposer un toast et a suggéré de nommer la région du cerveau d'après le vin servi, qui provenait des environs de Bötzingen, en Allemagne. Peut-être lubrifiés par ledit vin, les autres ont accepté, et le nom est resté. "Les scientifiques sont tout aussi bizarres que les autres", déclare M. Feldman. "Nous nous amusons à faire des choses comme ça."

Déterminer les régulateurs de rythme de la respiration

Une grande partie des recherches ultérieures de Feldman ont porté sur la compréhension de la manière exacte dont les neurones du préBötC génèrent le rythme respiratoire. Ces travaux ont également permis à son laboratoire et à d'autres d'étudier comment le cerveau orchestre l'interaction entre la respiration et d'autres comportements qui nécessitent des modifications de la respiration. 

Les soupirs en sont un exemple intéressant. Une longue et profonde respiration peut exprimer de nombreuses choses : tristesse, soulagement, résignation, désir ardent, épuisement. Mais les humains ne sont pas les seuls à soupirer - on pense que tous les mammifères le font - et c'est peut-être parce que le soupir a une fonction biologique importante en plus de ses qualités expressives. Les humains soupirent toutes les quelques minutes, et chaque soupir commence par une inspiration qui prend environ deux fois plus d'air qu'une respiration normale. Les scientifiques pensent que cela permet d'ouvrir les alvéoles collabées, les minuscules chambres du poumon où s'effectuent les échanges gazeux, tout comme souffler dans un gant en latex permet d'ouvrir les doigts. Plusieurs sources de données appuient cette idée : les ventilateurs d'hôpitaux programmés pour intégrer des soupirs périodiques, par exemple, ont permis d'améliorer la fonction pulmonaire et de maintenir les niveaux d'oxygène dans le sang des patients.

Dans une étude publiée en 2016 dans Nature, Feldman et ses collègues ont identifié quatre petites populations de neurones qui semblent être responsables de la génération des soupirs chez les rongeurs. Deux de ces groupes de neurones résident dans une région du tronc cérébral proche du préBötC, et ils envoient des signaux aux deux autres groupes, qui résident à l'intérieur du préBötC. Lorsque les chercheurs ont tué ces neurones du préBötC avec une toxine hautement sélective, les rats ont cessé de soupirer, mais leur respiration est restée robuste. En revanche, lorsque les scientifiques ont injecté des neuropeptides qui activent ces neurones, les rats ont soupiré 10 fois plus fréquemment. En substance, concluent les chercheurs, ces quatre groupes de neurones forment un circuit qui indique au preBötC d'interrompre son programme régulier de respirations de taille normale et de commander une respiration plus profonde.

Le preBötC joue également un rôle dans la coordination d'autres comportements avec la respiration. L'un des collaborateurs de Feldman pour l'article sur les soupirs, le neuroscientifique Kevin Yackle, et ses collègues ont récemment utilisé des souris pour étudier les interactions entre la respiration et les vocalisations. Lorsqu'elles sont séparées de leur nid, les souris nouveau-nées poussent des cris ultrasoniques, trop aigus pour être entendus par les humains. Il y a généralement plusieurs cris à intervalles réguliers dans une seule respiration, ce qui n'est pas sans rappeler les syllabes du langage humain, explique Yackle, qui travaille actuellement à l'université de Californie à San Francisco. "Vous avez ce rythme de respiration plus lent et ensuite, imbriqué dans ce rythme, vous avez ce rythme de vocalisation plus rapide", explique-t-il.

Pour comprendre comment cela fonctionne, les chercheurs sont partis du larynx, la partie de la gorge impliquée dans la production du son. Ils ont utilisé des traceurs anatomiques pour identifier les neurones qui contrôlent le larynx et suivre leurs connexions jusqu'à un groupe de cellules dans le tronc cérébral, dans une zone qu'ils ont appelée oscillateur réticulaire intermédiaire (iRO). À l'aide de diverses techniques, les chercheurs ont constaté que le fait de tuer ou d'inhiber les neurones iRO supprime la capacité à émettre un cri, et que leur stimulation augmente le nombre de cris par respiration.

Lorsque les chercheurs ont disséqué des tranches de tissu cérébral contenant des neurones iRO, les cellules ont continué à émettre des signaux selon un schéma régulier. "Ces neurones produisent un rythme qui est exactement comme les cris chez l'animal, où il est plus rapide que le rythme respiratoire préBötC mais imbriqué dans celui-ci", explique Yackle.

La respiration semble avoir une influence considérable sur le cerveau, notamment sur les régions jouant un rôle dans la cognition et les émotions, comme l'hippocampe, l'amygdale et le cortex préfrontal. Ces effets peuvent provenir de signaux générés par le centre respiratoire du tronc cérébral, le preBötC, d'entrées sensorielles via le nerf vague ou le système olfactif, ou en réponse aux niveaux d'oxygène (O2) et de dioxyde de carbone (CO2) dans le sang.

D'autres expériences ont suggéré que les neurones iRO aident à intégrer les vocalisations à la respiration en demandant au preBötC d'effectuer de minuscules inhalations qui interrompent l'expiration - ce qui permet à une série de brefs cris de s'intégrer parfaitement dans une seule expiration. En d'autres termes, les pleurs rythmés ne sont pas produits par une série d'expirations, mais plutôt par une longue expiration avec plusieurs interruptions. 

Ces résultats, publiés cette année dans la revue Neuron, pourraient avoir des répercussions sur la compréhension du langage humain. Selon M. Yackle, le nombre de syllabes par seconde se situe dans une fourchette relativement étroite pour toutes les langues humaines. Peut-être, suggère-t-il, est-ce dû aux contraintes imposées par la nécessité de coordonner les vocalisations avec la respiration.

Le rythme dans le cerveau

Des études récentes ont suggéré que la respiration peut influencer les performances des individus dans un éventail étonnamment large de tests de laboratoire. L'endroit où se trouve une personne dans le cycle d'inspiration et d'expiration peut influencer des capacités aussi diverses que la détection d'un toucher léger et la distinction d'objets tridimensionnels. Une étude a révélé que les gens ont tendance à inspirer juste avant une tâche cognitive - et que cela tend à améliorer les performances. Plusieurs études ont montré que seule la respiration par le nez produisait ces effets, contrairement à la respiration par la bouche.

Une idée émergente sur la façon dont cela pourrait fonctionner se concentre sur les oscillations rythmiques bien documentées de l'activité électrique dans le cerveau. Ces ondes, souvent mesurées à l'aide d'électrodes placées sur le cuir chevelu, traduisent l'activité cumulée de milliers de neurones. Depuis des décennies, certains neuroscientifiques affirment qu'elles reflètent la communication entre des régions cérébrales éloignées qui pourraient sous-tendre des aspects importants de la cognition. Il pourrait s'agir, par exemple, de la manière dont le cerveau intègre les informations sensorielles traitées séparément dans les parties auditives et visuelles du cerveau pour produire ce que nous ressentons comme une perception homogène des sons et des images d'une scène. Certains scientifiques ont même proposé qu'une telle activité synchronisée puisse être à la base de la conscience elle-même (inutile de dire que cela a été difficile à prouver).

De plus en plus de preuves suggèrent que la respiration pourrait donner le rythme à certaines de ces oscillations. Lors d'expériences menées sur des rongeurs, plusieurs équipes de recherche ont découvert que le rythme respiratoire influençait les vagues d'activité dans l'hippocampe, une région essentielle pour l'apprentissage et la mémoire. Pendant l'éveil, l'activité électrique collective des neurones de l'hippocampe augmente et diminue à un rythme régulier, généralement entre six et dix fois par seconde. Ce rythme thêta, comme on l'appelle, se produit chez tous les animaux qui ont été étudiés, y compris les humains.

Dans une étude de 2016, le neuroscientifique Adriano Tort de l'Université fédérale de Rio Grande do Norte au Brésil et ses collègues ont entrepris d'étudier les oscillations thêta, mais ont remarqué que leurs électrodes captaient également un autre rythme, plus lent, avec environ trois pics par seconde, soit à peu près la fréquence respiratoire d'une souris au repos. Au début, ils ont pensé qu'il s'agissait d'un artefact, peut-être causé par une électrode instable ou les mouvements de l'animal. Mais d'autres expériences les ont convaincus que non seulement l'activité rythmique était réelle et synchronisée avec la respiration, mais qu'elle agissait comme un métronome pour donner le rythme aux oscillations thêta plus rapides dans l'hippocampe.

À peu près au même moment, la neuroscientifique Christina Zelano et ses collègues ont fait état de résultats similaires chez l'homme. À l'aide de données provenant d'électrodes placées par des chirurgiens sur le cerveau de patients épileptiques pour surveiller leurs crises, les chercheurs ont constaté que la respiration naturelle synchronisait les oscillations dans plusieurs régions du cerveau, notamment l'hippocampe et l'amygdale, un acteur important du traitement des émotions. Cet effet de synchronisation diminuait lorsque les chercheurs demandaient aux sujets de respirer par la bouche, ce qui suggère que le retour sensoriel du flux d'air nasal joue un rôle clé.

Zelano et ses collègues ont découvert que le rythme respiratoire synchronise non seulement l'activité des régions du cerveau impliquées dans l'émotion et la mémoire, mais qu'il peut également affecter les performances des personnes dans des tâches impliquant l'émotion et la mémoire. Dans une expérience, ils ont surveillé la respiration des sujets et leur ont demandé d'identifier l'émotion exprimée par les personnes dans une série de photos élaborées par des psychologues pour tester la reconnaissance des émotions. Les sujets identifiaient plus rapidement les visages effrayés lorsque la photo apparaissait au moment où ils prenaient leur respiration que pendant l'expiration. Dans un autre test, les sujets se souvenaient plus précisément s'ils avaient vu une photo auparavant lorsqu'elle était présentée pendant qu'ils inspiraient. Là encore, les effets étaient plus marqués lorsque les sujets respiraient par le nez.

Des travaux plus récents suggèrent que le rythme respiratoire pourrait synchroniser l'activité non seulement au sein des régions du cerveau, mais aussi entre elles. Dans une étude, les neuroscientifiques Nikolaos Karalis et Anton Sirota ont découvert que le rythme respiratoire synchronise l'activité entre l'hippocampe et le cortex préfrontal chez les souris endormies. Cette synchronisation pourrait jouer un rôle dans la constitution des souvenirs à long terme, suggèrent Karalis et Sirota dans un article publié cette année dans Nature Communications. De nombreux neuroscientifiques pensent que les souvenirs se forment d'abord dans l'hippocampe avant d'être transférés pendant le sommeil vers le cortex pour un stockage à long terme - un processus dont on pense qu'il nécessite une activité synchronisée entre l'hippocampe et le cortex.

Pour le professeur Tort, ces résultats suggèrent qu'il pourrait exister des liens importants entre la respiration et la fonction cérébrale, mais il estime que des travaux supplémentaires sont nécessaires pour relier les points. Les preuves que la respiration influence les oscillations du cerveau sont solides, dit-il. Le défi consiste maintenant à déterminer ce que cela signifie pour le comportement, la cognition et les émotions.

Respiration contrôlée, esprit calme ?

Depuis des millénaires, les adeptes du yoga et d'autres traditions de méditation anciennes pratiquent la respiration contrôlée comme moyen d'influencer leur état d'esprit. Ces dernières années, les chercheurs se sont de plus en plus intéressés aux mécanismes biologiques de ces effets et à la manière dont ils pourraient être appliqués pour aider les personnes souffrant de troubles anxieux et de l'humeur. 

L'une des difficultés a été de séparer les effets de la respiration des autres aspects de ces pratiques, explique Helen Lavretsky, psychiatre à l'UCLA. "Il est vraiment difficile de distinguer ce qui est le plus efficace dans le cadre d'une intervention multicomposante comprenant des étirements, des mouvements, des visualisations et des chants", explique-t-elle. Sans parler des composantes culturelles et spirituelles que beaucoup de gens attachent à cette pratique.

Pendant de nombreuses années, Lavretsky a collaboré avec des neuroscientifiques et d'autres personnes pour étudier comment différents types de méditation affectent le cerveau et les marqueurs biologiques du stress et de la fonction immunitaire. Elle a découvert, entre autres, que la méditation pouvait améliorer les performances lors de tests de mémoire en laboratoire et modifier la connectivité cérébrale chez les personnes âgées souffrant de troubles cognitifs légers, un précurseur potentiel de la maladie d'Alzheimer et d'autres types de démence. Dans des études plus récentes, qui n'ont pas encore été publiées, elle s'est attachée à déterminer si les méthodes de contrôle de la respiration pouvaient être utiles à elles seules.

"Même si je suis psychiatre, mes recherches portent sur les moyens d'éviter de prescrire des médicaments", explique Mme Lavretsky, qui est également professeur de yoga certifié. Elle pense que les exercices de respiration pourraient être une bonne alternative pour de nombreuses personnes, en particulier avec plus de recherches sur les techniques de respiration qui fonctionnent le mieux pour quelles conditions et comment elles pourraient être adaptées aux individus. "Nous avons tous cet outil, il suffit d'apprendre à l'utiliser", dit-elle.

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.