Comment la respiration influence le cerveau

Découvrez l’impact de la respiration sur les fonctions cognitives et les émotions : découvrez comment le simple fait de respirer, répété plus de 500 millions de fois au cours d’une vie, joue un rôle essentiel dans la formation de la mémoire, la gestion de la charge cognitive et la régulation émotionnelle. Plongez-vous dans des recherches pionnières qui mettent en lumière les relations complexes entre la respiration et nos processus mentaux, offrant ainsi de nouvelles perspectives sur l’étude non invasive du comportement humain et des états psychologiques à travers le prisme de notre respiration.

Au cours de notre vie, nous prenons environ 500 millions de respirations. Environ 23 millions d’entre elles ont eu lieu au cours de votre première année de vie. À l’âge de 18 ans, vous en aurez déjà pris environ 200 millions. La fréquence respiratoire ralentit considérablement avec l’âge (heureusement). 

La respiration est le processus qui consiste à respirer. Il s’agit là de la définition physiologique, mais on peut également la définir d’un point de vue biochimique ; dans les deux cas, on désigne un processus au cours duquel les cellules utilisent l’oxygène pour produire de l’énergie. 

Comme le soulignent Feldman et Negro (2016 ; [1]) dans leur article fondateur sur la respiration, « la respiration persiste de la naissance à la mort » – ce qui signifie qu’elle revêt une importance capitale. Cette importance va toutefois au-delà de la simple survie, car la respiration contribue à réguler le pH sanguin, régule la température (du moins chez les mammifères non primates) et est également associée à bon nombre de nos processus cognitifs internes. Nous pensons et nous respirons, nous respirons et nous pensons. La mise en lumière de ces associations offre une voie claire et largement inédite pour comprendre la cognition et le comportement.

Les mécanismes précis qui sous-tendent la respiration en tant qu’action cérébrale impliquent une interaction assez complexe de signaux au sein du tronc cérébral et des zones olfactives du cerveau – ces dernières étant le point de rencontre entre le flux d’air et la matière grise. Des neurones sensoriels olfactifs au bulbe olfactif, puis au cortex olfactif et enfin au néocortex, le cycle se poursuit. Le tronc cérébral impose probablement aussi (en science, rien n’est jamais certain) un certain ordre à l’ensemble du processus de temps à autre [2]. Mais ce n’est pas tout. 

Ce n’est que depuis quelques années (depuis 2014 pour être précis, et d’abord uniquement chez la souris [3]) que les chercheurs ont établi un lien entre l’activité respiratoire et des processus cérébraux situés en dehors des zones olfactives susmentionnées [4]. Ces études constituent une base permettant de comprendre comment la respiration peut être directement liée à des comportements qui n’ont rien à voir avec la respiration. Ce domaine en est encore à ses balbutiements. Les opportunités de recherche pionnières se présentent rarement de manière aussi évidente. 

Les recherches portant sur les relations générales entre la respiration et les émotions ou la charge cognitive remontent à plus loin, mais ces domaines restent relativement récents (ils ont principalement vu le jour à la fin des années 1990, [5, 6]). Nous passerons ci-après en revue certaines des études qui examinent les liens entre la respiration et la mémoire, la charge cognitive et les émotions.

Respiration et mémoire

La mémoire est un phénomène complexe. À bien des égards, il est surprenant qu’il existe un lien quelconque entre la respiration et la mémorisation : jusqu’à la récente vague d’études, rien ne permettait de penser qu’il existait un lien direct entre les zones du cerveau associées à la respiration et celles impliquées dans la formation de la mémoire.

L’une des premières études portant sur la respiration, la mémoire et le cerveau a été menée par Zelano et ses collègues en 2016 [7]. Les participants ont été exposés à une succession rapide de photographies de visages exprimant soit la peur, soit la surprise. Les chercheurs ont constaté que l’inspiration – en particulier par le nez – était associée à une détection plus rapide des visages exprimant la peur que l’expiration. Ils ont également présenté aux participants une série d’images d’objets du quotidien, et ont constaté que les participants étaient plus susceptibles de se souvenir des objets lorsqu’ils avaient inspiré au moment même où ils avaient vu les images pour la première fois. Donc, si vous avez quelque chose d’important à retenir, respirez profondément.

Le véritable intérêt de cette étude résidait toutefois dans le fait d’établir un lien entre l’activité cérébrale et les cycles respiratoires, en démontrant que cette activité augmentait pendant l’inspiration (l’action d’inspirer) et qu’elle s’étendait au-delà des zones olfactives, notamment dans les régions cérébrales liées au système limbique, telles que l’amygdale et l’hippocampe (la première étant associée à la réponse de peur, la seconde à la formation de la mémoire).

Alors que l’étude de Zelano portait sur des instants très brefs, les recherches d’Arshamian ont examiné l’influence de la respiration sur une durée d’une heure entière [8]. Les participants ont été exposés à 12 odeurs, invités à les mémoriser, puis équipés de pinces nasales ou de ruban adhésif afin de s’assurer qu’ils respiraient exclusivement par le nez ou par la bouche pendant une heure. On leur a ensuite présenté une série de 24 odeurs et demandé d’identifier celles qui leur étaient familières. Les résultats ont montré de meilleures performances chez les personnes respirant par le nez. Bien qu’il ne soit pas certain que cela s’applique à la mémoire non olfactive, pour l’instant, le nez semble favoriser un meilleur rappel.

Respiration et charge cognitive

Réfléchir peut être exigeant ; il n’est donc pas surprenant que cela se reflète dans la respiration. Le cerveau a besoin de plus de ressources lorsque la charge cognitive est élevée, et l’apport en oxygène (ainsi que l’élimination du dioxyde de carbone) fait partie de ce processus. Des recherches ont montré que les moments de forte sollicitation mentale entraînent une augmentation de l’apport en oxygène grâce à une accélération de la fréquence respiratoire [6, 9]. 

Il est intéressant de noter que la mesure appelée « volume courant » – la quantité d’air inspirée lors d’une seule respiration – ne semble pas être liée à l’intensité de la charge cognitive. La mesure de la « ventilation minute » – la quantité d’air inspirée en une minute – est quant à elle liée à la charge cognitive, mais ne semble pas particulièrement sensible à la difficulté de la tâche. Tout cela signifie, en résumé, que la fréquence respiratoire semble être la meilleure méthode pour mesurer la charge cognitive, mais que la profondeur de ces respirations ne semble pas avoir d’importance [6].

Enfin, pour ceux qui se surprennent à soupirer face à un problème de maths difficile, sachez que vous n’êtes pas seuls : on a constaté que le « taux de soupirs » (un terme qui se passe d’explications) « augmente lors du calcul mental » [6, 10, 11]. L’explication actuelle est que ce phénomène apparaît comme un moyen de contrebalancer une respiration irrégulière : la fréquence respiratoire frôle le seuil de danger et doit être rééquilibrée. Le simple conseil de « prendre une grande inspiration » repose donc sur une base scientifique (tout comme le besoin occasionnel de soupirer face à des problèmes mathématiques). 

Bien que les auteurs aient conçu l’expérience de manière à ce que l’on puisse raisonnablement supposer que les soupirs provenaient uniquement de la charge cognitive, il peut y avoir une autre raison à ces soupirs face aux mathématiques : l’émotion qu’elles suscitent. 

La respiration et les émotions

Les liens entre les émotions et la respiration font l’objet d’études depuis au moins le début du XXe siècle, à commencer par une étude qui s’inscrivait dans le prolongement de l’une des toutes premières recherches consacrées aux expressions faciales et aux émotions (ses auteurs affirment que « les sentiments ravivés s’expriment aussi clairement dans les muscles respiratoires que dans les muscles faciaux » [12]). 

Les chercheurs de l’époque avaient prédit que « chaque émotion ayant une expression caractéristique, on pouvait s’attendre à observer des changements correspondants au niveau de l’appareil respiratoire ». Si cela s’est avéré en grande partie vrai dans le cadre de leur étude, les méthodes utilisées manquaient toutefois de la rigueur et du contrôle attendus de la science aujourd’hui. La recherche a évolué depuis lors.

Comme le soulignent Homma et Masaoka [5] dans leur étude de 2008 : « Les émotions s’accompagnent de changements physiologiques dans l’ensemble du corps » – et cela inclut inévitablement la respiration. On sait désormais que les changements liés à l’excitation émotionnelle résultent principalement de modifications du système autonome, et que ces modifications ont de nombreuses répercussions : fréquence cardiaque, température, circulation sanguine, transpiration (activité électrodermique), taille de la pupille, respiration, etc. [13].

La respiration offre un autre moyen de détecter avec précision les fluctuations des émotions – un moyen qui est probablement plus fiable qu’une description explicite. Comme l’indiquent Wu et al. [14], « les changements physiologiques liés aux émotions n’étant pas contrôlés volontairement, ils peuvent refléter plus fidèlement les véritables expériences émotionnelles que les individus peuvent vivre ». 

S’il est évident que la respiration peut fournir des informations sur l’état émotionnel d’un individu, il est moins certain qu’elle permette de déterminer de quel état émotionnel il s’agit. On peut savoir qu’une personne est en état d’excitation émotionnelle, mais pas nécessairement de quelle nature est cette émotion. Certaines recherches vont toutefois dans ce sens.

Par exemple, des recherches ont montré qu’une respiration plus superficielle et plus rapide est associée à des émotions négatives [15, 16], tandis que les émotions positives sont associées à une plus grande variabilité respiratoire, ainsi qu’à une durée d’inspiration plus courte et à une diminution du volume d’air inspiré [15]. Des recherches ont également montré que les sentiments de dégoût peuvent entraîner une suppression de la respiration, ce qui serait, selon certaines hypothèses, une tentative de l’organisme d’éviter d’inhaler quelque chose de nocif [15, 17]. 

Cependant, établir un lien entre la respiration et les émotions est une tâche complexe : les émotions sont rarement statiques et isolées. Pour compliquer encore davantage les choses, on sait que non seulement les émotions peuvent influencer la respiration, mais que la respiration peut également influencer les émotions [16]. Comme toujours, des recherches supplémentaires sont nécessaires.

Comme l’ont indiqué Jerath et Beveridge [17] en 2020 : « Les progrès futurs en matière de mesure et de compréhension psychophysiologique du profil respiratoire, associés à d’autres paramètres tels que la variabilité de la fréquence cardiaque (VFC), la synchronisation cardiorespiratoire et la conductivité cutanée, pourraient permettre un jour aux systèmes de surveillance biométrique de prédire avec précision l’état affectif, voire des troubles affectifs tels que l’anxiété. » Il est clair que la respiration – probablement en association avec d’autres biocapteurs – contribuera à approfondir la compréhension des émotions avec un niveau de détail sans précédent.

Conclusion

Si les exemples ci-dessus donnent un aperçu des recherches récentes sur la respiration, ce domaine reste encore relativement inexploré. Il reste encore beaucoup à explorer et à découvrir. La combinaison des mesures de la respiration avec d’autres biocapteurs peut offrir un moyen efficace de recouper les données et de comprendre comment notre respiration influence notre comportement – et inversement. 

Ce qui est clair, c’est que la respiration est étroitement liée aux processus cognitifs et émotionnels, ce qui en fait une méthode simple et non invasive permettant d’analyser en profondeur le comportement humain. 

Références

[1] Feldman, J. L., & Del Negro, C. A. (2006). À la recherche d’inspiration : nouvelles perspectives sur le rythme respiratoire. Nature Reviews Neuroscience, 7(3), 232–241. https://doi.org/10.1038/nrn1871 

[2] Folschweiller, S., & Sauer, J.-F. (2021). Oscillations cérébrales induites par la respiration dans la cognition émotionnelle. 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). Les oscillations delta et la puissance gamma du cortex des barils des moustaches chez la souris éveillée sont liées à la respiration. 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). Les dernières découvertes sur la modulation respiratoire de l’activité cérébrale ouvrent de nouvelles perspectives sur la cognition et les émotions. Biological psychology, 170, 108316. https://doi.org/10.1016/j.biopsycho.2022.108316

[5] Homma, I., & Masaoka, Y. (2008). Rythmes respiratoires et émotions. 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). Modifications respiratoires en réponse à la charge cognitive : une revue systématique. 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). La respiration nasale synchronise les oscillations limbiques humaines et module les fonctions cognitives. 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). La respiration module la consolidation de la mémoire olfactive chez l’être humain. 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). Modèles de réponse autonome face à des facteurs de stress en laboratoire. 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). Fréquence des soupirs et variabilité respiratoire lors d’une charge mentale et d’une attention soutenue. 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). Un soupir après une période d’attention soutenue et de stress mental : effets sur la variabilité respiratoire. Physiology & Behavior, 107(1), 1–6. https://doi.org/10.1016/j.physbeh.2012.05.013

[12] Feleky, A. (1916). L’influence des émotions sur la respiration. Journal of Experimental Psychology, 1(3), 218–241. https://doi.org/10.1037/h0073754 

[13] Gordan, R., Gwathmey, J. K., & Xie, L. H. (2015). Contrôle autonome et endocrinien de la fonction cardiovasculaire. 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). Reconnaissance des émotions à partir de signaux physiologiques. Dans Advances in Brain Inspired Cognitive Systems : 5e Conférence internationale, BICS 2012, Shenyang, Chine, 11-14 juillet 2012. Actes 5 (pp. 311-320). Springer Berlin Heidelberg.

[15] Boiten, F. A. (1998). Les effets du comportement émotionnel sur les composantes du cycle respiratoire. Biological Psychology, 49(1-2), 29–51. https://doi.org/10.1016/s0301-0511(98)00025-8

[16] Masaoka, Y., & Homma, I. (2001). L’effet de l’anxiété anticipatoire sur la respiration et le métabolisme chez l’être humain. Respiration physiology, 128(2), 171–177. https://doi.org/10.1016/s0034-5687(01)00278-x[17] Jerath, R., & Beveridge, C. (2020). Rythme respiratoire, modulation autonome et spectre des émotions : l’avenir de la reconnaissance et de la modulation des émotions. Frontiers in psychology, 11, 1980. https://doi.org/10.3389/fpsyg.2020.01980