C hi è abbastanza fortunato da arrivare a ottant’anni, nel corso della sua vita avrà respirato circa un miliardo di volte, inspirando ed espirando abbastanza aria da riempire almeno cinquanta dirigibili Goodyear. Respiriamo più o meno ventimila volte al giorno. Assorbendo l’ossigeno necessario per alimentare le nostre cellule e liberando il corpo dall’anidride carbonica che si accumula nei tessuti come prodotto dei processi metabolici. La respirazione è così essenziale per la vita che la sua interruzione causa la morte in pochi minuti.

È un’attività talmente automatica che tendiamo a darla per scontata. Ma in realtà respirare è una meraviglia della fisiologia: un processo estremamente affidabile e incredibilmente flessibile. La frequenza respiratoria può cambiare quasi istantaneamente come risposta allo stress o all’eccitazione, e anche prima di cominciare un’attività fisica intensa. Inoltre si coordina così perfettamente con le altre azioni, come mangiare, parlare, ridere e sospirare, che potremmo non esserci mai accorti di come la moduliamo per adattarla a queste attività. Respirare può anche influire sul nostro stato d’animo, come dimostrano lo yoga e le altre antiche tradizioni meditative che insegnano a controllare l’inspirazione e l’espirazione dell’aria.

Negli ultimi anni i ricercatori hanno scoperto alcuni dei meccanismi neurali alla base della respirazione, e i numerosi modi in cui quest’attività influisce sul corpo e sulla mente. Verso la fine degli anni ottanta, i neuroscienziati hanno individuato la rete di neuroni del tronco cerebrale responsabile del suo ritmo. Questo ha permesso di avviare nuove ricerche sul modo in cui il sistema nervoso centrale coordina la respirazione con gli altri comportamenti. E gli studiosi hanno provato che il respiro può influenzare le attività di ampie aree cerebrali, comprese quelle che regolano le emozioni e la cognizione.

“La respirazione svolge molti compiti”, spiega Jack L. Feldman, un neuroscienziato dell’università della California di Los Angeles e coautore di un articolo sull’interazione tra respiro ed emozioni pubblicato a luglio 2022 sulla Annual Review of Neuroscience. “È una funzionemolto complessa. Perché quando cambiamo postura o si modifica il nostro metabolismo, il respiro deve coordinarsi con tutte queste variazioni”.

Sinfonie biologiche

Ogni volta che inspiriamo, i nostri polmoni si riempiono d’aria ricca di ossigeno, che poi entra in circolazione per essere distribuito in tutto il corpo. I polmoni umani contengono in media cinquecento milioni di minuscole sacche chiamate alveoli. Attraverso le loro pareti avviene lo scambio dei gas tra le vie aeree e il flusso sanguigno. La superficie totale di questa interfaccia è di circa settanta metri quadrati, un po’ più dell’area di un tipico bilocale di San Francisco, e un po’ meno di quella di un campo da squash. “La cosa interessante è che i mammiferi, compresi noi esseri umani, hanno un’enorme quantità di superficie polmonare”, afferma Feldman. Maggiore è l’estensione, più ossigeno è scambiato al secondo.

Ma i polmoni non svolgono tutto il lavoro. Da soli sono semplici sacchetti vuoti di tessuto. “Per entrare in azione devono essere pompati, come dei mantici”, dice Feldman. Succede a ogni inalazione: il diaframma, il muscolo nella parte superiore dell’addome, si contrae, spostandosi verso il basso di circa un centimetro. Contemporaneamente, i muscoli intercostali spingono la gabbia toracica verso l’alto e l’esterno, permettendo ai polmoni di dilatarsi e di riempirsi d’aria. Se avete mangiato una costoletta alla brace, sapete come sono fatti i muscoli intercostali. E se vi è capitato di perdere il respiro per un pugno allo stomaco, sapete tutto sul diaframma.

A riposo questi muscoli si contraggono solo in fase di inspirazione. L’espirazione invece è un’azione passiva, quando diaframma e intercostali si rilassano, i polmoni si sgonfiano. Durante l’esercizio fisico, invece, entrano in gioco altri gruppi muscolari che si contraggono per spingere fuori l’aria e accelerare la frequenza della respirazione.

A differenza del cuore, in cui sono le cellule pacemaker a impostare il ritmo della contrazione, la respirazione è controllata dal cervello. Questi impulsi nervosi sono importantissimi, ma c’è voluto un tempo sorprendentemente lungo per identificarli. Uno dei primi a riflettere sulla loro origine fu il medico greco Galeno da Pergamo: arrivato a Roma aveva notato che quando i gladiatori si spezzavano il collo sopra una certa altezza non riuscivano più a respirare normalmente.

Negli anni trenta del novecento, il fisiologo britannico Edgar Adrian dimostrò che il tronco encefalico di un pesce rosso, la regione più primitiva del cervello connessa al midollo spinale, continuava a produrre attività elettrica ritmica anche dopo essere stato sezionato. E pensò che queste onde potessero essere il segnale che regolava la respirazione.

Ma la posizione esatta dei neuroni che generano la frequenza respiratoria è rimasta sconosciuta fino alla fine degli anni ottanta, quando il gruppo di ricerca guidato da Feldman ha ristretto il campo d’indagine a una rete di tremila neuroni del tronco encefalico dei roditori (circa diecimila negli esseri umani) chiamata complesso di preBötzinger (preBötC). In quest’area i neuroni mostrano picchi spontanei nell’attività elettrica a intervalli regolari. Questi impulsi, trasmessi attraverso cellule nervose intermedie, controllano i muscoli respiratori.

Nel corso degli anni, alcune persone hanno ipotizzato che Bötzinger fosse un famoso anatomista, dice Feldman, magari tedesco o austriaco. In realtà Feldman scelse quel nome a caso, durante una cena di una conferenza scientifica. Sospettava che un collega stesse per rivendicare la scoperta per sé. Allora Feldman fece tintinnare il suo bicchiere per proporre un brindisi e suggerì di chiamare quella regione del cervello con il nome del vino che era stato servito a tavola e che proveniva dalle campagne di Bötzingen, in Germania. Forse incoraggiati proprio dal vino, gli altri furono d’accordo e il nome rimase. “Noi scienziati siamo strani”, confessa Feldman. “Ci divertiamo a fare questo genere di cose”.

Il ritmo di un sospiro

In seguito gran parte della sua ricerca si è concentrata sul modo in cui i neuroni del preBötC modulano il ritmo della respirazione. Questo lavoro ha anche gettato le basi per studiare, non solo nel suo laboratorio, come il cervello sincronizzi il respiro e le altre attività che richiedono la sua alterazione.

Yasu & Junko, Trunk archive

Il sospiro è un esempio interessante. Un respiro lungo e profondo può esprimere molte cose: tristezza, sollievo, rassegnazione, desiderio, stanchezza. Ma noi esseri umani non siamo i soli a sospirare. Si pensa che tutti i mammiferi lo facciano. Probabilmente perché quest’azione svolge un’importante funzione biologica oltre che espressiva. Gli esseri umani sospirano ogni pochi minuti, assorbendo circa il doppio dell’aria di una normale inspirazione. Gli scienziati sospettano che serva ad aprire gli alveoli, un po’ come le dita di un guanto di lattice quando ci si soffia dentro. La teoria è supportata da diverse prove: i ventilatori degli ospedali programmati per stimolare sospiri periodici, per esempio, migliorano la funzione polmonare e mantengono alta l’ossigenazione nel sangue dei pazienti.

In uno studio pubblicato nel 2016 sulla rivista Nature, Feldman e i suoi colleghi affermano di aver individuato quattro piccole popolazioni di neuroni nel cervello dei roditori che regolano i sospiri. Due di esse si trovano in una regione del tronco encefalico vicino al preBötC e inviano segnali alle altre due situate all’interno del complesso.

Quando i ricercatori hanno disattivato questi gruppi di neuroni con una tossina specifica, i ratti smettevano di sospirare e il respiro rimaneva immutato. Quando invece hanno iniettato molecole stimolanti, la frequenza dei sospiri aumentava di dieci volte. In sostanza il circuito formato dalle quattro popolazioni di neuroni scoperte da Feldman dice al preBötC quando fare un respiro più profondo.

Il preBötC entra in gioco anche quando la respirazione deve coordinarsi con altre attività. Kevin Yackle è un neuroscienziato che collabora con Feldman, di recente ha svolto un esperimento per studiare le interazioni tra respiro e vocalizzazioni nei topi. Se sono tolti dal nido, i piccoli emettono grida ultrasoniche, troppo acute per essere udite dagli esseri umani.

Nel corso di un singolo respiro emettono diverse grida a intervalli regolari, paragonabili alle sillabe nel linguaggio umano, dice Yackle, che oggi insegna all’Università della California a San Francisco: “Si osservano due frequenze distinte. Una più lenta, descritta dal respiro, e racchiusa al suo interno quella più rapida delle vocalizzazioni”.

Il coordinamento tra le aree dell’encefalo potrebbe essere alla base della coscienza

Per comprendere il meccanismo, i ricercatori sono partiti dalla laringe, la parte della gola coinvolta nella produzione dei suoni, e hanno lavorato a ritroso. Usando dei traccianti anatomici hanno identificato i neuroni che la controllano e sono risaliti al punto della loro origine nel tronco encefalico, un’area che hanno chiamato Oscillatore reticolare intermedio (iRO). Hanno scoperto che inibire l’attività di questa regione impediva l’emissione di suoni. Stimolandola, invece, la frequenza dei lamenti aumentava.

Quando i ricercatori hanno prelevato sezioni dall’iRO, le cellule continuavano a inviare impulsi regolari. “La loro frequenza era la stessa dei lamenti: più rapida rispetto a quella della respirazione”, dice Yackle.

Da ulteriori esperimenti si è capito che i neuroni iRO integrano l’emissione di suoni con la respirazione dicendo al preBötC di fare microinspirazioni che interrompono l’espirazione. Ciò permette ai topi di distribuire una serie di gridolini nell’arco di un singolo respiro. Significa che il pianto non è prodotto da una serie di esalazioni, ma da interruzioni ripetute nel corso di una lunga espirazione. La scoperta, pubblicata all’inizio del 2022 su Neuron, potrebbe aiutare a comprendere meglio anche il linguaggio umano. Il numero di sillabe pronunciabili in un secondo è simile in tutte le lingue conosciute, dice Yackle. Forse, suggerisce, questo è dovuto ai limiti che derivano dalla necessità di coordinare l’emissione vocale e la respirazione.

Lunghezze d’onda

Studi recenti hanno dimostrato che il respiro può influire sulle prestazioni delle persone in un’ampia gamma di prove. Il punto in cui una persona si trova nel ciclo di inspirazione ed espirazione può influenzare abilità diverse, come la percezione di un tocco leggero o la capacità di distinguere oggetti tridime nsionali. Uno studio ha rivelato che le persone tendono a inspirare subito prima di affrontare un compito cognitivo, e questo migliora la prestazione. Sembra che solo respirare con il naso, e non attraverso la bocca, produca questo effetto.

Un’idea emergente sul funzionamento di questo meccanismo si basa sullo studio delle onde cerebrali. Spesso misurate con elettrodi fissati al cuoio capelluto, queste onde esprimono la somma dell’attività elettrica di migliaia di neuroni. Da decenni alcuni neuroscienziati sostengono che riflettono la comunicazione tra regioni cerebrali lontane tra loro che potrebbero essere alla base di alcuni aspetti importanti della cognizione. Potrebbe trattarsi, per esempio, del mezzo con cui il cervello integra gli stimoli sensoriali elaborati separatamente nelle regioni uditive e visive, in modo da produrre quella che viviamo come la continuità tra i suoni e le immagini di una scena. Alcuni scienziati hanno anche ipotizzato che questo meccanismo di sincronizzazione potrebbe essere alla base della coscienza stessa (inutile dire che è difficile da dimostrare).

Sembra ormai accertato, invece, che la respirazione può impostare la frequenza di alcune di queste onde. Con gli esperimenti effettuati sui roditori, diversi gruppi di ricercatori hanno scoperto che il respiro influenza il funzionamento dell’ippocampo, una regione fondamentale per l’apprendimento e per la memoria. Durante la veglia, l’attività elettrica collettiva dei neuroni che lo compongono aumenta e diminuisce in modo costante, in genere dalle sei alle dieci volte al secondo. La frequenza prodotta da questa oscillazione, chiamata theta, è stata osservata in tutti gli animali che sono stati studiati, esseri umani compresi.

Il metronomo nella mente

Nel 2016 il gruppo di ricerca del neuroscienziato Adriano Tort dell’università federale di Rio Grande do Norte, in Brasile, stava studiando le onde theta, quando si accorse che gli elettrodi captavano anche un altro tipo di oscillazione, più lenta, di circa tre cicli al secondo, simile alla frequenza respiratoria di un topo a riposo. All’inizio temevano che si trattasse di un’interferenza, dice Tort, forse causata da un elettrodo posizionato male o dai movimenti dell’animale. Ma ulteriori esperimenti li hanno convinti che non solo l’attività registrata era reale e sincronizzata alla respirazione: quell’onda agiva come un metronomo, scandendo il ritmo delle oscillazioni theta più veloci prodotte dell’ippocampo.

Nello stesso periodo, la neuroscienziata Christina Zelano e i suoi colleghi riportavano risultati simili negli esseri umani. Usando i dati degli elettrodi posizionati dai chirurghi nel cervello di pazienti affetti da epilessia, hanno scoperto che la respirazione naturale sincronizza le oscillazioni all’interno di diverse regioni del cervello, tra cui l’ippocampo e l’amigdala, un centro importante per l’elaborazione delle emozioni. La sincronizzazione diminuiva quando i ricercatori chiedevano ai pazienti di respirare con la bocca, e questo suggeriva che le terminazioni nervose presenti nel naso contribuivano a stimolare questo processo.

Zelano ha scoperto che la frequenza respiratoria non si limita a coordinare le attività delle regioni del cervello che gestiscono le emozioni e la memoria, ma può anche influire sulle prestazioni che richiedono l’uso di queste componenti della cognizione. In un esperimento ha chiesto ai partecipanti di riconoscere le emozioni delle persone ritratte in fotografia mentre monitorava il loro respiro. È emerso che i soggetti identificano più velocemente i volti spaventati se guardano l’immagine mentre inspirano. E lo stesso avviene quando si tratta di stabilire se hanno già visto un’immagine. Anche in questo caso, le differenze sono più significative se i soggetti respirano attraverso il naso.

Lavori più recenti suggeriscono che la frequenza respiratoria potrebbe sincronizzare anche le attività tra diverse aree del cervello, oltre che all’interno di esse. I neuroscienziati Nikolaos Karalis e Anton Sirota hanno scoperto che nei topi addormentati il respiro mette in comunicazione l’ippocampo e la corteccia prefrontale. Questa sincronizzazione sembra essere coinvolta nella creazione della memoria a lungo termine, suggeriscono i due ricercatori in un articolo pubblicato all’inizio del 2022 su Nature Communications. Molti neuroscienziati ipotizzano che i ricordi si formino prima nell’ippocampo per poi essere trasferiti durante il sonno alla corteccia, dove la memoria viene immagazzinata. Si pensa che questo processo richieda un’attività sincronizzata tra le due aree del cervello. Secondo Tort, questi risultati sembrano indicare che potrebbero esserci importanti legami tra la respirazione e il funzionamento del cervello, ma a suo avviso servono ulteriori approfondimenti. Le prove che la respirazione influisce sulle onde cerebrali sono inoppugnabili, dice. Il prossimo passo è capire quali sono gli effetto sul comportamento, sulla cognizione e sulle emozioni.

Yoga e meditazione

Da millenni, chi pratica lo yoga e altre antiche forme di meditazione usa la respirazione controllata per influire sul proprio stato mentale. Di recente i ricercatori sono sempre più interessati a comprendere i meccanismi biologici che producono questi effetti e a come possono essere applicati per aiutare chi soffre di ansia e disturbi dell’umore.

Uno dei problemi principali è isolare gli effetti della respirazione da quelli prodotti dalle altre componenti di queste pratiche, dice Helen Lavretsky, una psichiatra dell’università della California a Los Angeles. “È molto difficile distinguere ciò che influisce di più fra stretching, movimento, visualizzazione e canto”, dice. Per non parlare del valore culturale e spirituale che molte persone attribuiscono alle discipline come lo yoga.

Da anni Lavretsky collabora con neuroscienziati e altri studiosi per capire in che modo diversi tipi di meditazione agiscono sul cervello e sui marcatori biologici dello stress e della risposta immunitaria. Ha scoperto che meditare può migliorare le performance mnemoniche nei test svolti in laboratorio e modificare le connessioni neuronali nelle persone anziane affette da lieve decadimento cognitivo, una condizione che può precedere l’alzheimer e altri tipi di demenza.

In alcuni studi preliminari, Lavretsky sta cercando di capire l’effetto delle tecniche di controllo del respiro. “Anche se sono una psichiatra, lo scopo della mia ricerca è evitare la prescrizione di farmaci”, dice Lavretsky, che è anche un’istruttrice di yoga. Pensa che gli esercizi di respirazione potrebbero essere una buona alternativa per molte persone, specialmente quando avremo capito le tecniche più efficaci a seconda dei disturbi, e come personalizzarle caso per caso. “Tutti abbiamo questo strumento, dobbiamo solo imparare a usarlo”. ◆ bt

Da sapere
Un ciclo costante

20mila il numero di inspirazioni ed espirazioni che una persona compie ogni giorno. Nel corso di ottant’anni di vita respiriamo circa un miliardo di volte.
500 milioni gli alveoli che costituiscono i polmoni di un essere umano. All’interno di queste microsacche avviene lo scambio tra ossigeno e anidride carbonica e la loro superficie complessiva raggiunge i settanta metri quadrati circa.
10mila i neuroni che compongono il complesso di preBötzinger. Questa rete neurale, situata nel tronco encefalico, gestisce la frequenza respiratoria. Knowable Magazine


Questo articolo è uscito sul numero 1487 di Internazionale, a pagina 68. Compra questo numero | Abbonati