Động vật khi buồn chán có biết thở dài như con người hay không?

Nếu bạn may mắn sống đến 80 tuổi, bạn sẽ hít thở tới một tỉ lần trong suốt cuộc đời, hít vào và thở ra lượng không khí đủ để lấp đầy khoảng 50 quả khinh khí cầu cỡ lớn. Chúng ta hít thở khoảng 20.000 lần mỗi ngày, hút oxy để cung cấp năng lượng cho các tế bào và mô của chúng ta, đồng thời loại bỏ khí carbon dioxide tích tụ trong cơ thể do quá trình chuyển hóa tế bào. Hơi thở rất cần thiết cho sự sống đến nỗi mọi người thường chết trong vòng vài phút nếu nhịp thở dừng lại.

Thở là một hành vi tự động đến mức chúng ta có xu hướng coi đó là điều hiển nhiên. Nhưng hơi thở là một điều kỳ diệu về mặt sinh lý - vừa cực kỳ đáng tin cậy vừa cực kỳ linh hoạt. Nhịp thở của chúng ta có thể thay đổi gần như ngay lập tức để đáp ứng với căng thẳng hoặc kích thích và thậm chí trước khi gia tăng hoạt động thể chất. Và hơi thở được phối hợp nhuần nhuyễn với các hành vi khác như ăn, nói, cười và thở dài đến nỗi bạn có thể chưa bao giờ nhận thấy hơi thở của mình thay đổi như thế nào để thích ứng với chúng. Hơi thở cũng có thể ảnh hưởng đến trạng thái tâm trí của bạn, bằng chứng là các bài tập thở có kiểm soát của yoga và các truyền thống thiền định cổ xưa khác.

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu làm sáng tỏ một số cơ chế thần kinh cơ bản của hơi thở và nhiều ảnh hưởng của nó đối với cơ thể và tâm thức. Vào cuối những năm 1980, các nhà thần kinh học đã xác định được một mạng lưới các tế bào thần kinh trong thân não tạo ra nhịp hô hấp. Khám phá đó là bàn đạp cho các cuộc điều tra về cách não kết hợp hơi thở với các hành vi khác. Đồng thời, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy bằng chứng cho thấy hơi thở có thể ảnh hưởng đến hoạt động trên nhiều vùng não, bao gồm cả những vùng có vai trò quan trọng trong cảm xúc và nhận thức.

Jack L. Feldman, một nhà thần kinh học tại Đại học California, Los Angeles, đồng thời là đồng tác giả của một công trình nghiên cứu gần đây về tác động qua lại giữa hơi thở và cảm xúc trong Tạp chí Hàng năm về Khoa học Thần kinh, cho biết: “Việc thở bao gồm rất nhiều công việc. Điều đó rất phức tạp vì chúng ta liên tục thay đổi tư thế và quá trình trao đổi chất của mình, và chuyện đó phải được phối hợp với tất cả các hành vi khác”.

Mỗi hơi thở là một bản giao hưởng của phổi, cơ, não

Mỗi khi bạn hít vào, phổi của bạn chứa đầy không khí giàu oxy, sau đó khuếch tán vào máu để phân phối khắp cơ thể. Một cặp phổi bình thường của con người chứa khoảng 500 triệu túi nhỏ gọi là phế nang, thành phế nang là nơi khí đi qua giữa đường thở và dòng máu. Tổng diện tích bề mặt tiếp xúc này là khoảng 70 mét vuông — ngang diện tích một căn hộ trung bình.

Feldman nói: “Điều đáng chú ý về động vật có vú, trong đó gồm cả con người chúng ta, là có diện tích bề mặt tiếp xúc (của phổi) rất lớn trong lồng ngực của mình. Diện tích bề mặt nhiều hơn có nghĩa là nhiều khí được trao đổi hơn mỗi giây.

Nhưng phổi không thể làm điều đó một mình. Về cơ bản, chúng là những túi khí mềm. Feldman nói: “Để quá trình hô hấp hoạt động, phổi phải được bơm giống như ống bễ. Và chúng - với mỗi lần hít vào, cơ hoành ở dưới cùng của khoang ngực co lại, di chuyển xuống dưới khoảng hơn 1 cm. Đồng thời, các cơ liên sườn giữa các xương sườn di chuyển lồng ngực lên và ra ngoài — tất cả đều làm nở phổi và hút không khí vào".

Thở ra là quá trình thụ động khi các cơ giãn ra và phổi xẹp xuống. Trong khi tập thể dục, các nhóm cơ khác nhau co lại để chủ động đẩy không khí ra ngoài và tăng tốc độ hô hấp.

Không giống như cơ tim, nơi có các tế bào điều hòa nhịp tim thiết lập nhịp điệu của nó, các cơ kiểm soát hơi thở nhận mệnh lệnh từ não. Do tầm quan trọng hỗ trợ sự sống của những tín hiệu não đó, phải mất một thời gian dài đáng ngạc nhiên để theo dõi chúng. Một trong những người đầu tiên suy ngẫm về nguồn gốc của chúng là Galen, một bác sĩ người Hy Lạp, người đã nhận thấy rằng những đấu sĩ bị gãy cổ trên một mức độ nhất định sẽ không thể thở bình thường. Các thí nghiệm sau đó đã chỉ ra thân não, và vào những năm 1930, nhà sinh lý học người Anh Edgar Adrian đã chứng minh rằng thân não bị mổ xẻ của một con cá vàng tiếp tục tạo ra tín hiệu điện nhịp nhàng, mà ông tin là tín hiệu tạo ra mô hình cơ bản cho quá trình hô hấp.

Nhưng vị trí chính xác của bộ tạo mô hình hô hấp ở thân não vẫn chưa được biết cho đến cuối những năm 1980, khi Feldman và các đồng nghiệp thu hẹp nó thành một mạng lưới khoảng 3.000 tế bào thần kinh trong thân não loài gặm nhấm (ở người, nó chứa khoảng 10.000 tế bào thần kinh). Bây giờ bộ phận được gọi là Tổ hợp preBötzinger (preBötC). Các tế bào thần kinh ở đó thể hiện một cách tự nhiên các đợt hoạt động điện có nhịp điệu, được chuyển tiếp qua các tế bào thần kinh trung gian, điều khiển các cơ kiểm soát hơi thở.

Trong nhiều năm, một số người cho rằng Bötzinger phải là tên một nhà giải phẫu học nổi tiếng, có lẽ là người Đức hoặc người Áo. Nhưng trên thực tế, cái tên đó ra đời một cách chớp nhoáng trong một bữa ăn tối tại một hội nghị khoa học. Tại đó, Feldman cụng ly để đề nghị nâng cốc chúc mừng và gợi ý đặt tên cho vùng não theo tên loại rượu được phục vụ, loại rượu đến từ khu vực xung quanh Bötzingen, Đức. Có lẽ vì ngất ngây bởi loại rượu nói trên, những người khác đồng ý với cái tên đó. Feldman nói: “Các nhà khoa học cũng kỳ lạ như bất kỳ ai khác. Chúng tôi thấy rất thoải mái khi làm những việc như thế này.”

Xác định nhịp điệu của hơi thở

Phần lớn nghiên cứu sau đó của Feldman tập trung vào việc tìm hiểu chính xác cách thức tế bào thần kinh trong preBötC tạo ra nhịp thở. Công trình này cũng đã đặt nền móng cho phòng thí nghiệm của ông và những người khác nghiên cứu cách bộ não điều phối tác động qua lại giữa hơi thở và các hành vi khác đòi hỏi sự thay đổi trong hơi thở.

Thở dài là một ví dụ thú vị. Một hơi thở dài và sâu có thể diễn tả nhiều điều: buồn bã, nhẹ nhõm, cam chịu, khao khát, kiệt sức. Nhưng con người chúng ta không phải là loài duy nhất thở dài - người ta cho rằng tất cả các loài động vật có vú đều như vậy - và có thể là do tiếng thở dài có một chức năng sinh học quan trọng bên cạnh phẩm chất biểu cảm của nó. Con người thở dài vài phút một lần, và mỗi tiếng thở dài bắt đầu bằng một lần hít vào lấy lượng không khí gấp đôi so với một hơi thở bình thường. Các nhà khoa học cho rằng điều này giúp mở các phế nang bị xẹp, các khoang nhỏ trong phổi nơi diễn ra quá trình trao đổi khí, giống như việc thổi vào một chiếc găng tay cao su làm mở các ngón tay. Một số bằng chứng ủng hộ ý tưởng này: Ví dụ, máy thở của bệnh viện được lập trình để kết hợp thở dài định kỳ, đã được chứng minh là cải thiện chức năng phổi và duy trì nồng độ oxy trong máu của bệnh nhân.

Trong một nghiên cứu được công bố vào năm 2016 trên tạp chí Nature, Feldman và các đồng nghiệp đã xác định được bốn quần thể tế bào thần kinh nhỏ dường như chịu trách nhiệm tạo ra tiếng thở dài ở loài gặm nhấm. Hai trong số các nhóm tế bào thần kinh này nằm trong vùng thân não gần preBötC và chúng gửi tín hiệu đến hai nhóm còn lại nằm bên trong preBötC. Khi các nhà nghiên cứu tiêu diệt các tế bào thần kinh preBötC này bằng một loại độc tố có tính chọn lọc cao, những con chuột ngừng thở dài nhưng hơi thở của chúng vẫn mạnh mẽ như thường. Mặt khác, khi các nhà khoa học tiêm neuropeptide kích hoạt tế bào thần kinh, những con chuột thở dài thường xuyên hơn gấp 10 lần. Về bản chất, các nhà nghiên cứu kết luận, bốn nhóm tế bào thần kinh này tạo thành một mạch báo cho preBötC làm gián đoạn chương trình thở bình thường thông thường của nó và thiết lập một hơi thở sâu hơn.