Wie die Atmung das Gehirn beeinflusst

Entdecken Sie den Einfluss der Atmung auf Kognition und Emotionen: Erfahren Sie, wie der einfache Vorgang des Atmens, den wir im Laufe unseres Lebens über 500 Millionen Mal erleben, eine entscheidende Rolle bei der Gedächtnisbildung, der Bewältigung kognitiver Belastungen und der Regulierung von Emotionen spielt. Tauchen Sie ein in bahnbrechende Forschungsergebnisse, die die komplexen Zusammenhänge zwischen der Atmung und unseren mentalen Prozessen aufdecken und neue Einblicke in die nicht-invasive Erforschung menschlichen Verhaltens und psychologischer Zustände aus der Perspektive unserer Atmung bieten.

Im Laufe unseres Lebens atmen wir etwa 500 Millionen Mal. Etwa 23 Millionen davon fanden im ersten Lebensjahr statt. Bis zum 18. Lebensjahr sind es bereits etwa 200 Millionen. Mit zunehmendem Alter verlangsamt sich die Atmung (glücklicherweise) erheblich. 

Die Atmung ist der Vorgang des Atmens. Dies ist die physiologische Definition, doch lässt sich der Begriff auch biochemisch definieren – beide Definitionen beziehen sich letztlich auf einen Vorgang, bei dem Zellen Sauerstoff zur Energiegewinnung nutzen. 

Wie Feldman und Negro (2016; [1]) in ihrer wegweisenden Arbeit zum Thema Atmung betonen: „Die Atmung hält von der Geburt bis zum Tod an“ – das heißt, sie ist ziemlich wichtig. Diese Bedeutung geht jedoch über das bloße Überleben hinaus, da die Atmung dazu beiträgt, den pH-Wert im Blut zu regulieren, die Temperatur zu regulieren (zumindest bei Säugetieren, die keine Primaten sind) und zudem mit vielen unserer inneren kognitiven Prozesse in Verbindung steht. Wir denken und wir atmen, wir atmen und wir denken. Das Ergründen dieser Zusammenhänge bietet einen klaren und weitgehend neuen Weg zum Verständnis von Kognition und Verhalten.

Die genauen Mechanismen, die der Atmung als Vorgang im Gehirn zugrunde liegen, beinhalten ein recht komplexes Zusammenspiel von Signalen innerhalb des Hirnstamms und der Riechareale des Gehirns – letztere dort, wo der Luftstrom auf die graue Substanz trifft. Von den olfaktorischen Sinnesneuronen über den Riechkolben zum Riechkortex und schließlich zum Neokortex – so setzt sich der Kreislauf fort. Der Hirnstamm sorgt wahrscheinlich (in der Wissenschaft ist nichts jemals sicher) hin und wieder für eine gewisse Ordnung im gesamten Prozess [2]. Das ist jedoch noch nicht alles. 

Erst in den letzten Jahren (genauer gesagt seit 2014, zunächst allerdings nur an Mäusen [3]) haben Forscher einen Zusammenhang zwischen der Atmung und Gehirnprozessen außerhalb der zuvor genannten Riechareale hergestellt [4]. Diese Studien liefern eine Grundlage für das Verständnis, wie die Atmung direkt mit Verhaltensweisen in Verbindung gebracht werden kann, die nichts mit dem Atmen selbst zu tun haben. Das Forschungsgebiet steckt noch in den Kinderschuhen. Selten sind die Möglichkeiten für Pionierforschung so offensichtlich. 

Die Forschung, die sich mit den allgemeinen Zusammenhängen zwischen Atmung und Emotionen oder kognitiver Belastung befasst, blickt zwar auf eine längere Geschichte zurück, doch sind diese Forschungsbereiche noch relativ neu (sie entstanden größtenteils Ende der 1990er Jahre, [5, 6]). Im Folgenden werden wir einige Forschungsarbeiten betrachten, die sich mit den Zusammenhängen zwischen Atmung und Gedächtnis, kognitiver Belastung sowie Emotionen befassen.

Atmung und Gedächtnis

Das Gedächtnis ist eine komplexe Angelegenheit. In vielerlei Hinsicht ist es überraschend, dass es überhaupt einen Zusammenhang zwischen Atmung und Erinnerung gibt – bis zu der jüngsten Flut von Studien gab es keinen Grund anzunehmen, dass eine direkte Verbindung zwischen den Bereichen besteht, die für die Atmung und die Gedächtnisbildung zuständig sind.

Eine der ersten Studien, die sich mit Atmung, Gedächtnis und dem Gehirn befasste, stammt von Zelano et al. aus dem Jahr 2016 [7]. Den Teilnehmern wurden in rascher Abfolge Fotos von Gesichtern gezeigt, die entweder Angst oder Überraschung ausdrückten. Sie stellten fest, dass das Einatmen – insbesondere durch die Nase – damit verbunden war, ängstliche Gesichter schneller zu erkennen als beim Ausatmen. Sie zeigten den Teilnehmern außerdem eine Reihe von Bildern alltäglicher Gegenstände und stellten fest, dass sich die Teilnehmer eher an die Gegenstände erinnerten, wenn sie beim ersten Betrachten der Bilder gleichzeitig eingeatmet hatten. Wenn Sie sich also etwas Wichtiges merken müssen – atmen Sie tief ein.

Der eigentliche Clou der Studie bestand jedoch darin, die Gehirnaktivität mit den Atemzyklen in Verbindung zu bringen und zu zeigen, dass die Gehirnaktivität während der Einatmung erhöht war und sich über die Geruchsregionen hinaus erstreckte – insbesondere in limbischen Hirnarealen wie der Amygdala und dem Hippocampus (wobei erstere mit der Angstreaktion und letzterer mit der Gedächtnisbildung in Verbindung gebracht wird).

Während sich Zelanos Studie auf sehr kurze Zeitabschnitte konzentrierte, untersuchte Arshamian in seiner Forschung den Einfluss der Atmung über einen Zeitraum von einer ganzen Stunde [8]. Den Teilnehmern wurden 12 Gerüche vorgelegt; sie sollten sich diese einprägen und wurden anschließend mit Nasenklemmen oder Klebeband ausgestattet, um sicherzustellen, dass sie eine Stunde lang ausschließlich durch die Nase oder den Mund atmeten. Anschließend wurden ihnen 24 Gerüche vorgelegt, und sie sollten angeben, welche davon ihnen bekannt waren. Die Ergebnisse zeigten eine bessere Leistung bei den Nasenatmern – auch wenn derzeit unklar ist, ob dies auch für das nicht-olfaktorische Gedächtnis gilt, ist die Nase vorerst der Schlüssel zu einer besseren Erinnerung.

Atmung und kognitive Belastung

Denken kann anstrengend sein – es überrascht daher nicht, dass sich dies in der Atmung widerspiegeln kann. Das Gehirn benötigt bei hoher kognitiver Belastung mehr Ressourcen, und die Zufuhr von Sauerstoff (sowie der Abtransport von Kohlendioxid) ist Teil dieses Prozesses. Untersuchungen haben gezeigt, dass in geistig anstrengenden Momenten durch eine schnellere Atemfrequenz mehr Sauerstoff aufgenommen wird [6, 9]. 

Interessanterweise scheint der als „Atemvolumen“ bezeichnete Wert – also die Luftmenge, die bei einem einzelnen Atemzug eingeatmet wird – nicht mit dem Ausmaß der kognitiven Belastung zusammenzuhängen. Der Wert „Minutenventilation“ – also die Luftmenge, die innerhalb einer Minute eingeatmet wird – steht hingegen in Zusammenhang mit der kognitiven Belastung, scheint jedoch nicht besonders empfindlich auf den Schwierigkeitsgrad der Aufgabe zu reagieren. Zusammengenommen bedeutet dies, dass die Atemfrequenz die beste Methode zur Messung der kognitiven Belastung zu sein scheint – die Tiefe der Atemzüge scheint hingegen keine Rolle zu spielen [6].

Und schließlich: Alle, die bei schwierigen Mathematikaufgaben seufzen, können beruhigt sein – sie sind nicht allein. Es hat sich gezeigt, dass die als „Seufzfrequenz“ bezeichnete Kennzahl (der Name spricht für sich) „als Reaktion auf Kopfrechnen ansteigt“ [6, 10, 11]. Die derzeitige Erklärung lautet, dass dies als Mittel gegen unregelmäßige Atmung dient – die Atemfrequenz bewegt sich am Rande der Gefahr und muss wieder ins Gleichgewicht gebracht werden. Der einfache Ratschlag, „tief durchzuatmen“, hat also eine wissenschaftliche Grundlage (ebenso wie das gelegentliche Bedürfnis zu seufzen, wenn man mit Mathematik konfrontiert wird). 

Zwar haben die Autoren das Experiment so konzipiert, dass man davon ausgehen kann, dass das Seufzen allein auf die kognitive Belastung zurückzuführen ist, doch kann es noch einen weiteren Grund für das Seufzen beim Umgang mit Mathematik geben – nämlich die Emotionen, die dabei hervorgerufen werden. 

Atmung und Emotionen

Die Zusammenhänge zwischen Emotionen und Atmung werden spätestens seit Beginn des 20. Jahrhunderts erforscht – erstmals in einer Studie, die ebenfalls aus einer der allerersten Untersuchungen zu Gesichtsausdrücken und Emotionen hervorging (darin heißt es: „Die wiederbelebten Gefühle drücken sich in den Atemmuskeln ebenso deutlich aus wie in den Gesichtsmuskeln“ [12]). 

Die Forscher sagten damals voraus: „Da jede Emotion einen charakteristischen Ausdruck hat, ist zu erwarten, dass wir entsprechende Veränderungen im Atmungsapparat feststellen.“ Dies erwies sich zwar im Rahmen ihrer Studie weitgehend als zutreffend, doch mangelt es den Methoden an der Stringenz und Kontrolle, die man heute von der Wissenschaft erwartet. Die Forschung hat sich seitdem weiterentwickelt.

Wie Homma und Masaoka [5] in ihrer Studie aus dem Jahr 2008 betonen: „Emotionen gehen mit physiologischen Veränderungen im gesamten Körper einher“ – und dazu gehört zwangsläufig auch die Atmung. Es ist mittlerweile bekannt, dass Veränderungen der emotionalen Erregung größtenteils auf Veränderungen im autonomen Nervensystem zurückzuführen sind, und diese Veränderungen wirken sich auf vieles aus: Herzfrequenz, Temperatur, Durchblutung, Schwitzen (elektrodermale Aktivität), Pupillengröße, Atmung und vieles mehr [13].

Die Atmung bietet eine weitere Möglichkeit, das Auf und Ab von Emotionen genau zu erfassen – und zwar eine Möglichkeit, die wahrscheinlich genauer ist als eine explizite Beschreibung. Wie Wu et al. [14] feststellen: „Da die durch Emotionen hervorgerufenen physiologischen Veränderungen nicht willentlich gesteuert werden können, spiegeln sie möglicherweise die tatsächlichen emotionalen Erfahrungen, die Menschen gerade durchleben, genauer wider.“ 

Zwar ist klar, dass die Atmung Aufschluss über den emotionalen Zustand einer Person geben kann, doch ist weniger klar, ob sie auch Aufschluss darüber geben kann, in welchem emotionalen Zustand sich diese Person befindet. Wir wissen vielleicht, dass jemand emotional erregt ist – aber nicht unbedingt, um welche Art von Emotion es sich handelt. Es gibt jedoch einige Forschungsergebnisse, die in diese Richtung weisen.

So haben Untersuchungen gezeigt, dass eine flachere und schnellere Atmung mit negativen Emotionen einhergeht [15, 16], während positive Emotionen mit einer erhöhten Variabilität der Atemzüge sowie einer verkürzten Einatmungsdauer und einer geringeren eingeatmeten Luftmenge verbunden sind [15]. Untersuchungen haben zudem gezeigt, dass Ekelgefühle zu einer Unterdrückung der Atmung führen können, was vermutlich ein Versuch des Körpers ist, das Einatmen von etwas Schädlichem zu vermeiden [15, 17]. 

Die Verknüpfung von Atmung und Emotionen ist jedoch eine komplexe Aufgabe – Emotionen sind selten statisch und isoliert. Erschwerend kommt hinzu, dass nicht nur Emotionen die Atmung beeinflussen können, sondern auch die Atmung die Emotionen [16]. Wie immer ist weiterer Forschungsbedarf gegeben.

Wie Jerath und Beveridge [17] im Jahr 2020 feststellten: „Zukünftige Entwicklungen bei der Messung und dem psychophysiologischen Verständnis des Atemmusters in Kombination mit anderen Parametern wie HRV, kardiorespiratorischer Synchronisation und Hautleitfähigkeit könnten es biometrischen Überwachungssystemen eines Tages ermöglichen, den affektiven Zustand und sogar affektive Störungen wie Angstzustände genau vorherzusagen.“ Es ist klar, dass die Atmung – wahrscheinlich in Verbindung mit anderen Biosensoren – dazu beitragen wird, das Verständnis von Emotionen auf eine neue, detailliertere Ebene zu heben.

Fazit

Die oben genannten Beispiele geben zwar einen Überblick über die jüngste Forschung zum Thema Atmung, doch ist dieses Gebiet noch relativ unerforscht. Es gibt noch viel zu erforschen und zu entdecken. Die Kombination von Atemmessungen mit anderen Biosensoren kann einen effizienten Weg bieten, um Reaktionen zu analysieren und zu verstehen, wie unsere Atmung unser Verhalten beeinflusst – und umgekehrt. 

Klar ist, dass die Atmung eng mit kognitiven und emotionalen Prozessen verbunden ist, was sie zu einer eleganten, nicht-invasiven Methode macht, mit der sich menschliche Verhaltensweisen eingehend untersuchen lassen. 

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Literaturverzeichnis

[1] Feldman, J. L., & Del Negro, C. A. (2006). Auf der Suche nach Inspiration: Neue Perspektiven zum Atemrhythmus. Nature Reviews Neuroscience, 7(3), 232–241. https://doi.org/10.1038/nrn1871 

[2] Folschweiller, S., & Sauer, J.-F. (2021). Durch die Atmung gesteuerte Hirnschwingungen bei der emotionalen Wahrnehmung. Frontiers in Neural Circuits, 15. https://doi.org/10.3389/fncir.2021.761812 

[3] Ito, J., Roy, S., Liu, Y., Cao, Y., Fletcher, M., Lu, L., Boughter, J. D., Grün, S. & Heck, D. H. (2014). Delta-Oszillationen und Gamma-Leistung im Whisker-Barrel-Kortex der wachen Maus stehen im Zusammenhang mit der Atmung. Nature Communications, 5(1). https://doi.org/10.1038/ncomms4572 

[4] Heck, D. H., Correia, B. L., Fox, M. B., Liu, Y., Allen, M. & Varga, S. (2022). Aktuelle Erkenntnisse zur Modulation der Gehirnaktivität durch die Atmung eröffnen neue Perspektiven auf Kognition und Emotion. Biological Psychology, 170, 108316. https://doi.org/10.1016/j.biopsycho.2022.108316

[5] Homma, I., & Masaoka, Y. (2008). Atemrhythmen und Emotionen. Experimental Physiology, 93(9), 1011–1021. https://doi.org/10.1113/expphysiol.2008.042424 

[6] Grassmann, M., Vlemincx, E., von Leupoldt, A., Mittelstädt, J. M. & Van den Bergh, O. (2016). Veränderungen der Atmung als Reaktion auf kognitive Belastung: Eine systematische Übersicht. Neural Plasticity, 2016, 1–16. https://doi.org/10.1155/2016/8146809 

[7] Zelano C, Jiang H, Zhou G, Arora N, Schuele S, Rosenow J, et al. (2016). Die Nasenatmung synchronisiert limbische Schwingungen beim Menschen und moduliert die kognitiven Funktionen. The Journal of Neuroscience, 36(49), 12448–12467. 10.1523/JNEUROSCI.2586-16.2016 

[8] Arshamian, A., Iravani, B., Majid, A. & Lundström, J. N. (2018). Die Atmung beeinflusst die Konsolidierung des Geruchsgedächtnisses beim Menschen. The Journal of Neuroscience, 38(48), 10286–10294. https://doi.org/10.1523/jneurosci.3360-17.2018 

[9] Allen, M. T., & Crowell, M. D. (1989). Muster der autonomen Reaktion bei Stressoren im Labor. Psychophysiology, 26(5), 603–614. https://doi.org/10.1111/j.1469-8986.1989.tb00718.x

[10] Vlemincx, E., Taelman, J., De Peuter, S., Van Diest, I. & Van den Bergh, O. (2011). Seufzfrequenz und respiratorische Variabilität bei geistiger Belastung und anhaltender Aufmerksamkeit. Psychophysiology, 48(1), 117–120. https://doi.org/10.1111/j.1469-8986.2010.01043.x

[11] Vlemincx, E., Van Diest, I., & Van den Bergh, O. (2012). Ein Seufzer nach anhaltender Aufmerksamkeit und psychischer Belastung: Auswirkungen auf die Atemvariabilität. Physiology & Behavior, 107(1), 1–6. https://doi.org/10.1016/j.physbeh.2012.05.013

[12] Feleky, A. (1916). Der Einfluss der Emotionen auf die Atmung. Journal of Experimental Psychology, 1(3), 218–241. https://doi.org/10.1037/h0073754 

[13] Gordan, R., Gwathmey, J. K. & Xie, L. H. (2015). Autonome und endokrine Steuerung der Herz-Kreislauf-Funktion. World Journal of Cardiology, 7(4), 204–214. https://doi.org/10.4330/wjc.v7.i4.204

[14] Wu, N., Jiang, H. & Yang, G. (2012). Emotionserkennung auf der Grundlage physiologischer Signale. In: Advances in Brain Inspired Cognitive Systems: 5. Internationale Konferenz, BICS 2012, Shenyang, China, 11.–14. Juli 2012. Tagungsband 5 (S. 311–320). Springer Berlin Heidelberg.

[15]Boiten F. A. (1998). Die Auswirkungen emotionalen Verhaltens auf Komponenten des Atemzyklus. Biological Psychology, 49(1-2), 29–51. https://doi.org/10.1016/s0301-0511(98)00025-8

[16] Masaoka, Y., & Homma, I. (2001). Der Einfluss von Erwartungsangst auf Atmung und Stoffwechsel beim Menschen. Respiration Physiology, 128(2), 171–177. https://doi.org/10.1016/s0034-5687(01)00278-x[17] Jerath, R., & Beveridge, C. (2020). Atemrhythmus, autonome Modulation und das Spektrum der Emotionen: Die Zukunft der Emotionserkennung und -modulation. Frontiers in Psychology, 11, 1980. https://doi.org/10.3389/fpsyg.2020.01980