呼吸が認知や感情に与える影響を探る：生涯で5億回以上も繰り返される「呼吸」という単純な行為が、記憶の形成、認知負荷の管理、感情の調節においていかに重要な役割を果たしているのかを解き明かします。呼吸と私たちの精神プロセスとの複雑な関係を明らかにする先駆的な研究に迫り、呼吸という視点を通じて、人間の行動や心理状態を非侵襲的に探求する新たな知見を提供します。
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人は一生のうちにおよそ5億回呼吸をします。そのうち約2300万回は、生後1年間に集中しています。18歳になる頃には、約2億回を消化していることになります。年齢を重ねるにつれて、呼吸の回数は（幸いなことに）かなり減っていきます。
呼吸とは、息をする過程のことです。これは生理学的な定義ですが、生化学的な定義も存在します。いずれにせよ、これらはどちらも、細胞が酸素を利用してエネルギーを得る過程を指しています。
フェルドマンとネグロ（2016; [1]）が呼吸に関する画期的な論文で指摘しているように、「呼吸は誕生から死に至るまで続く」――つまり、それは極めて重要なものである。しかし、その重要性は単なる生存にとどまらない。呼吸は血液のpH値の調整や体温調節（少なくとも霊長類以外の哺乳類においては）に寄与するだけでなく、私たちの多くの内的な認知プロセスとも関連しているからだ。 私たちは考えながら呼吸し、呼吸しながら考える。こうした関連性を解明することは、認知と行動を理解するための、明快かつ極めて斬新な道筋となる。
脳における呼吸という行動の根底にある正確なメカニズムには、脳幹と嗅覚領域（空気の流れが灰白質に到達する部位）との間で、かなり複雑なシグナルの相互作用が関わっています。嗅覚感覚ニューロンから嗅球、嗅覚皮質、そして新皮質へと、このサイクルは続いていきます。 脳幹もまた（科学において絶対的なことは何一つないが）、時折このプロセス全体に何らかの秩序をもたらしていると考えられる[2]。しかし、これで終わりではない。
ここ数年の間に（正確には2014年からで、当初はマウスを対象とした研究に限られていた[3]）、研究者たちは呼吸活動と、前述の嗅覚領域以外の脳の働きとの関連性を明らかにしてきた[4]。これらの研究は、呼吸が呼吸そのものとは無関係な行動とどのように直接結びついているのかを理解するための基礎を提供している。この分野はまだ発展途上にある。これほど明確な先駆的な研究の機会はめったにない。
呼吸と感情や認知的負荷との一般的な関連性を検証する研究は、その歴史は比較的長いものの、これらの分野自体は依然として比較的新しいものである（主に1990年代後半に台頭した[5, 6]）。以下では、呼吸と記憶、認知的負荷、および感情との関連性を検証した研究のいくつかについて概説する。
呼吸と記憶
記憶とは複雑なものです。多くの点で、呼吸と記憶の想起との間に何らかの関係があるというのは驚くべきことです。つい最近まで相次いで発表された一連の研究があるまでは、呼吸に関連する領域と記憶の形成との間に直接的な関連があるとは考えられませんでした。
呼吸、記憶、そして脳の関係を調べた初期の研究の一つは、2016年にZelanoらが発表したものである[7]。 被験者には、恐怖や驚きを表した顔の写真を高速で次々と提示した。その結果、特に鼻から息を吸い込むことは、息を吐き出す場合よりも恐怖を表した顔を素早く認識することと関連していることが分かった。また、日常的な物体の画像を被験者に提示したところ、画像を初めて見た瞬間に息を吸い込んでいた場合、その物体を記憶している可能性が高くなることが判明した。つまり、覚えておきたい重要なことがあるなら、深呼吸をしてみよう。
しかし、この研究の真の妙は、脳の活動を呼吸サイクルと関連づけた点にあり、吸気（息を吸い込む）の間に脳の活動が活発化し、その活動が嗅覚領域を超えて、特に扁桃体や海馬（前者は恐怖反応、後者は記憶の形成に関与している）を含む辺縁系に関連する脳領域でも認められたことを示した。
ゼラーノの研究がごく短い瞬間を対象としたのに対し、アルシャミアンの研究では、1時間にわたる呼吸の影響を検証した[8]。参加者は12種類の匂いを提示され、それらを記憶するよう求められた後、鼻クリップやテープを装着して、1時間の間、鼻または口からのみ呼吸するようにした。 その後、24種類の匂いを並べたラインアップを提示し、どれが記憶にあるものかを特定するよう求められた。その結果、鼻呼吸をしたグループの方が成績が優れていた。これが嗅覚以外の記憶にも当てはまるかどうかは不明だが、現時点では、記憶の想起において鼻呼吸が優位であることが示された。
呼吸と認知的負荷
思考には大きな負荷がかかるものであり、それが呼吸に反映されるのも不思議ではありません。認知的負荷が高いとき、脳はより多くのエネルギーを必要とし、その過程において酸素の取り込み（および二酸化炭素の排出）が重要な役割を果たします。研究によると、精神的に負荷のかかる状況では、呼吸数が速くなり、より多くの酸素が取り込まれることが示されています [6, 9]。
興味深いことに、「一回換気量」と呼ばれる指標――1回の呼吸で吸い込む空気の量――は、認知負荷の量とは関連していないようだ。一方、「分時換気量」――1分間に吸い込む空気の量――という指標は認知負荷と関連しているが、課題の難易度に対しては特に敏感ではないようだ。 これらを総合すると、呼吸頻度が認知負荷を測定する最良の方法であるように思われるが、呼吸の深さは重要ではないようだ [6]。
最後に、難しい数学の問題に直面して思わずため息をついてしまう人へ――あなただけではありません。「ため息の頻度」（その名の通り）という指標は、「暗算を行うと増加する」ことが分かっています[6, 10, 11]。 現在の説では、これは不安定な呼吸を是正するためのメカニズムとして現れるものと考えられています。呼吸数は危険な域に達しつつあり、リセットが必要になるからです。したがって、「深呼吸をする」という単純なアドバイスには科学的な根拠があることになります（そして、数学の問題に直面した際に時折ため息をつきたくなるのも、同様に科学的な根拠があるのです）。
著者らは、ため息が認知的負荷のみに起因すると合理的に推測できるよう実験を設計したが、数学に対する反応としてため息が出るのには別の原因もあり得る。それは、数学が引き起こす感情である。
呼吸と感情
感情と呼吸の関係については、少なくとも20世紀初頭から研究が進められてきた。その端緒となったのは、表情と感情に関する初期の研究の一つから派生した研究であり、そこでは「蘇った感情は、顔の筋肉と同様に呼吸筋にもはっきりと表れる」と述べられている[12]。
当時の研究者たちは、「感情にはそれぞれ特有の表情があるため、呼吸器系にもそれに対応する変化が見られると予想される」と予測していた。その予測は彼らの研究の範囲内では概ね正しかったものの、その手法には、今日の科学に求められる厳密さや統制性が欠けていた。それ以来、研究は進歩を遂げてきた。
本間と正岡[5]が2008年の研究で指摘しているように、「感情には全身にわたる生理的変化が伴う」――そしてこれには必然的に呼吸も含まれる。 現在では、感情的な興奮の変化は主に自律神経系の変化に起因することが知られており、これらの変化は心拍数、体温、血流、発汗（皮膚電気活動）、瞳孔の大きさ、呼吸など、多くの要素に影響を及ぼす[13]。
呼吸は、感情の高まりや沈静化を正確に検知するもう一つの手段であり、言葉による明確な説明よりも正確である可能性が高い。Wuら[14]が指摘するように、「感情によって表れる生理的変化は自発的に制御できるものではないため、人々が実際に抱いている感情体験をより正確に反映している可能性がある」。
呼吸が個人の感情状態に関する情報を提供し得ることは明らかですが、その人がどのような感情状態にあるかについての情報を提供し得るかどうかは、それほど明確ではありません。ある人が感情的に興奮していることは分かっていても、その感情の「価値（ポジティブかネガティブか）」までは必ずしも分からないのです。しかし、この方向性を示唆する研究もいくつか存在します。
例えば、研究によると、浅く速い呼吸はネガティブな感情と関連していることが示されている[15, 16]一方で、ポジティブな感情は呼吸の変動性の増加、吸気時間の短縮、および吸入空気量の減少と関連している[15]。 また、嫌悪感は呼吸抑制を引き起こすことが研究で示されており、これは体が有害な物質の吸入を避けようとする試みであると推測されている[15, 17]。
しかし、呼吸と感情を関連づけることは複雑な作業である。感情が静的で孤立していることはめったにないからだ。さらに事態を複雑にしているのは、感情が呼吸に影響を与えるだけでなく、呼吸もまた感情に影響を与えることが知られているという点である[16]。相変わらず、さらなる研究が必要とされている。
JerathとBeveridge [17] が2020年に述べたように、「呼吸パターンに関する測定技術および心理生理学的理解の今後の進展は、HRV（心拍変動）、心肺同期、皮膚電気伝導度などの他のパラメータと組み合わせることで、将来的には生体認証モニタリングシステムが感情状態、さらには不安障害などの情緒障害さえも正確に予測できるようになるかもしれない」。 呼吸は、おそらく他の生体センサーと連携して、感情に対する理解をこれまで以上に詳細なレベルへと深める一助となることは明らかである。
結論
上記の例は、呼吸に関する最近の研究の概要を示していますが、この分野は依然として比較的未開拓です。まだ解明すべき点や発見すべきことが数多く残されています。呼吸の測定値を他のバイオセンサーと組み合わせることで、反応を多角的に分析する効率的な手法が得られ、呼吸が私たちの行動にどのような影響を与えるか、またその逆の関係についても理解を深めることができるでしょう。
明らかなのは、呼吸が認知的・感情的なプロセスと密接に結びついているという点であり、それゆえ、人間の行動を深く掘り下げることができる、簡便で非侵襲的な手法となっている。
参考文献
[1] Feldman, J. L., & Del Negro, C. A. (2006). インスピレーションを求めて：呼吸リズムに関する新たな視点. Nature Reviews Neuroscience, 7(3), 232–241. https://doi.org/10.1038/nrn1871
[2] Folschweiller, S., & Sauer, J.-F. (2021). 感情認知における呼吸に起因する脳波振動. 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). 覚醒状態のマウスにおける髭バレル皮質のデルタ波振動とガンマ波パワーは呼吸と関連している。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). 脳活動の呼吸調節に関する最近の知見は、認知と感情に関する新たな視点を提供する。Biological psychology, 170, 108316. https://doi.org/10.1016/j.biopsycho.2022.108316
[5] Homma, I., & Masaoka, Y. (2008). 呼吸リズムと感情. 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). 認知負荷に対する呼吸の変化：系統的レビュー. 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). 鼻呼吸はヒトの辺縁系振動を同調させ、認知機能を調節する。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). 呼吸はヒトの嗅覚記憶の固定化を調節する。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). 実験室におけるストレス刺激下での自律神経反応のパターン. 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). 精神的負荷および持続的注意下におけるため息の頻度と呼吸変動。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). 持続的な注意と精神的ストレスに続くため息：呼吸変動への影響. Physiology & behavior, 107(1), 1–6. https://doi.org/10.1016/j.physbeh.2012.05.013
[12] Feleky, A. (1916). 感情が呼吸に及ぼす影響. Journal of Experimental Psychology, 1(3), 218–241. https://doi.org/10.1037/h0073754
[13] Gordan, R., Gwathmey, J. K., & Xie, L. H. (2015). 心血管機能の自律神経および内分泌による制御. 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). 生理信号に基づく感情認識．『Advances in Brain Inspired Cognitive Systems: 第5回国際会議，BICS 2012，中国・瀋陽，2012年7月11日～14日．プロシーディングス 5（pp. 311-320）．Springer Berlin Heidelberg．
[15]Boiten F. A. (1998). 感情的行動が呼吸サイクルの構成要素に及ぼす影響. 生物心理学, 49(1-2), 29–51. https://doi.org/10.1016/s0301-0511(98)00025-8
[16] 正岡 陽子、本間 一郎（2001）。予期不安がヒトの呼吸および代謝に及ぼす影響。『Respiration physiology』、128(2)、171–177。 https://doi.org/10.1016/s0034-5687(01)00278-x[17] Jerath, R., & Beveridge, C. (2020). 呼吸リズム、自律神経調節、および感情のスペクトル：感情認識と調節の未来。 Frontiers in psychology, 11, 1980. https://doi.org/10.3389/fpsyg.2020.01980
