Ａ组心智与脑科学－佳作：阳明交通郭Ｏ华
试着深吸一口气，想像充沛的氧气进入到血液中，你的血液在加速流动，心跳加速，全身充满力量，此时你正在突破人类的极限，成为与鬼一样强大的存在。没错，这就是刮起一阵旋风的鬼灭之刃中的「全集中呼吸」。虽然只是动漫的虚构世界，但呼吸对于我们而言或许也不仅仅是气体的循环而已。
过去几年中，人们逐渐了解睡眠时呼吸状态对海马回记忆固化的影响。而最近，科学家借由光遗传学与CatFISH技术（compartment analysis of temporal activity by fluorescence in situ hybridization），发现暂时呼吸中止与呼吸频率改变可能影响小鼠清醒时的记忆与认知表现。
呼吸能否影响记忆？我们的记忆竟然由呼吸所控制？2022年1月，一篇发表在Nature Communications的研究里，科学家提出在睡眠状态下，呼吸频率能做为一个规律的讯号（stream of rhythmic）输入大脑，使得海马回记忆固化以及其馀大脑功能正常运作。同年9月，也有科学家提到呼气与吐气间的转换（expiratory-to-inspiratory phase transition）会影响记忆提取（retrieval process）的表现。由此可知，呼吸的节奏与认知功能有着密切的关系，也成为科学家探讨大脑功能的另一方向。
为了探讨在清醒状态下呼吸与记忆处理的关联性，来自日本兵库医科大学（Hyogo College of Medicine）的研究小组操作一系列实验。由于位在延脑呼吸中枢的Pre-Bötzinger Complex是负责产生呼吸讯号的地方，所以被研究小组选为操控呼吸的目标。研究小组利用光遗传学技术，以腺病毒为载体使光敏感通道蛋白（channelrhodopsin-2 , ChR2）表现于Pre-Bötzinger Complex区域。由于ChR2是阳离子通道蛋白，在照射蓝光活化后，会使阳离子进入神经细胞发生去极化进而产生动作电位（图一）。因此借由照射蓝光，可以使该区域抑制性神经元（inhibitory neurons）活化并抑制兴奋性神经元（inhibitory neurons）来干扰呼吸讯号的产生，使呼吸频率降低或暂时性呼吸中止（apnea），进而达到操控小鼠呼吸频率的目的。同时，研究小组引入CatFISH技术，以萤光标定的方式，寻找海马回中处理记忆相关区域（CA3）的超早期基因（Immediate-early gene, IEG）的mRNA，由于该类基因的mRNA在神经细胞接收到外界讯号后会立即表现，因此该mRNA在细胞各区的含量可为判断特定区域活化的指标。
利用上述技术，研究小组针对小鼠设计了两项实验探讨对于记忆登录（memory encoding）的影响。首先，在实验操纵组的部分，研究小组使小鼠的Pre-Bötzinger Complex区域表现光敏感通道蛋白，让其呼吸状况可被蓝光调控。在第一个实验里（图二），因为小鼠对于新事物有较多好奇心，而较容易厌倦旧物，所以研究小组于实验空间中摆放两相同物品在小鼠面前让其熟悉并在小鼠靠近物体时施予连续蓝光照射，诱发暂时性呼吸中止。而间隔20分钟后小鼠再次进入实验空间时，他们将物品换成一件旧物与一件新物，观察小鼠是否正常表现出对于旧物的厌倦（discrimination）。同时，研究小组也设计与恐怖记忆和回避学习有关的实验（图三），他们将小鼠置于压克力箱中，透过背景色的明暗与背景音的高低作为提示实施腿部电击（footshock）并给予连续蓝光或间歇性蓝光，分别对操纵组小鼠造成暂时性呼吸中止与呼吸频率的改变。在间隔24小时后再次进行相同的实验，观察小鼠是否能够记得甚么背景色与音高的环境会遭受电击并因此降低其行动力，来判断小鼠记忆登录的表现。
透过上述实验，研究小组得到重要的结论。在物件辨认实验中，操纵组，即受光遗传学技术操纵的小鼠，在连续光照诱发暂时呼吸中止时相较于对照组，即正常小鼠，无表现出对旧物的厌倦与新物的偏好。此外在电击实验中，操纵组的小鼠在连续光照下相较于对照组无法表现出对于会实施电击的背景条件（白墙与高音）下行动力的下降。以上两组实验皆表明操纵组的记忆登录功能在受蓝光照射诱发之呼吸中止时明显下降。而研究小组也用CatFISH技术来观察腿部电击实验的结果。在过往的研究中发现，IEG基因中的Arc基因的表现在未活化或已活化中的突触较刚受刺激的突触高，而在实验结果中，可以发现Arc基因在操纵组中的表现量较高，符合观察结果(图四)。另外，研究小组除了以连续蓝光照射，也利用不连续蓝光来干扰小鼠的呼吸节奏，并观察影响。在电击实验中，若以10赫兹照射蓝光，操纵组小鼠在呼吸频率上会受些许干扰，但却有更优异的记忆表现；而若以4赫兹的频率照射小鼠，操纵组小鼠的呼吸频率会明显下降，在记忆登录表现上也有显着的降低。
由此可以推论，连续光照诱发的暂时呼吸中止与4赫兹光照诱发的呼吸频率瞬间下降会使记忆能力下降，而10赫兹光照诱发的呼吸频率略为改变却会使记忆能力提升。然而，如同研究小组所说，实验的结果与原理仍需更多深入的了解，例如：小鼠海马回记忆收录的功能是因呼吸讯号的改变而受影响，还是因呼吸中止造成心跳与血压改变造成的等等，而呼吸讯号的改变如何影响记忆乃至于整体大脑的运作过程也仍有许多未解之处。即便如此，这样的发现仍然为呼吸频率与海马回记忆收录过程的相关性提供了良好的实验举证。结合先前的关于睡眠与清醒时呼吸与记忆相关的研究，可以更加确认的是，呼吸会显着影响人们的记忆处理历程，从收录、固化到提取，每个层面都可能受到影响。若能更加深入探讨呼吸状态与记忆历程，或许能够提供未来在阿兹海默症等失智症相关的治疗以及认知功能的训练，前景可期。
呼吸是气体的循环，生命的流动，也可能是记忆的帮浦。当期末考来临时，也许备感焦虑，不妨静下心观察呼吸，试着体会这深不可测的魔力。
参考资料
- 原始论文
Karalis, N., Sirota, A. Breathing coordinates cortico-hippocampal dynamics in mice during offline states. Nat Commun 13, 467 (2022).
Nakamura, N. H., Fukunaga, M., Yamamoto, T., Sadato, N. & Oku, Y. Respiration-timing-dependent changes in activation of neural substrates during cognitive processes. Cereb. Cortex Commun. 3, tgac038 (2022).
Nakamura, N.H., Furue, H., Kobayashi, K. et al. Hippocampal ensemble dynamics and memory performance are modulated by respiration during encoding. Nat Commun 14, 4391 (2023).
Okuno, H. et al. Inverse synaptic tagging of inactive synapses via dynamic interaction of Arc/Arg3.1 with CaMKIIβ. Cell 149, 886–898 (2012).
- 新闻
https://www.psychologytoday.com/za/blog/the-digital-self/202308/the-vital-breath-of-memory
- 图片来源：
图（二）、图（三）、图（四）：Nakamura, N.H., Furue, H., Kobayashi, K. et al. Hippocampal ensemble dynamics and memory performance are modulated by respiration during encoding. Nat Commun 14, 4391 (2023).
- 其他相关连结
IEG. Immediate early gene - Wikipedia