Wie der Körper den nächsten Atemzug findet

Ein Rhythmus für jede Lebenslage

Beim Lesen, beim Sprechen und während des Schlafs folgt ein Atemzug auf den nächsten. Der Ablauf passt sich zugleich an: Auf einer Treppe brauchen die Muskeln mehr Leistung, beim Singen wird die Ausatmung gezielt verlängert, im ruhigen Sitzen nimmt die Atemarbeit wieder ab. Damit das gelingt, verbindet der Körper einen automatisch erzeugten Grundrhythmus mit fortlaufenden Rückmeldungen.

Zum Regelkreis gehören Netzwerke im Hirnstamm, Sensoren für die chemische Zusammensetzung von Blut und Hirnflüssigkeit sowie Informationen aus Lunge und Brustkorb. Die Befehle erreichen schließlich die Atemmuskeln. Deren Bewegung verändert Druck und Volumen im Brustraum. So wird aus neuronaler Aktivität ein Luftstrom. [1]

Das Zwerchfell setzt den Impuls in Bewegung um

Das Zwerchfell bildet eine kuppelförmige Muskelplatte zwischen Brust- und Bauchraum. Bei der Einatmung zieht es sich zusammen und bewegt sich nach unten. Gleichzeitig helfen unter anderem die äußeren Zwischenrippenmuskeln, den Brustkorb zu erweitern. Das Volumen des Brustraums nimmt zu. [1]

Die Lunge folgt dieser Erweiterung über ihre Verbindung mit der Brustwand und dem Zwerchfell. Der Druck in den Lungenbläschen sinkt vorübergehend unter den Umgebungsdruck; Luft strömt ein. Bei ruhiger Ausatmung entspannen sich die inspiratorischen Muskeln. Nach der Entspannung überwiegt die nach innen gerichtete Rückstellkraft des gedehnten Gesamtsystems. Vor allem die elastische Lunge trägt dazu bei, dass Luft wieder hinausströmt.[1]

Bei höherem Bedarf, kräftigem Sprechen oder Husten werden zusätzliche Muskeln eingesetzt. Dann kann auch die Ausatmung aktiv unterstützt werden. Eine ausführliche Übersicht zu Atemwegen, Lungenbläschen und Gasaustausch bietet unser Kapitel Atmung und Lunge.

Im Hirnstamm entsteht die zeitliche Ordnung

Das verlängerte Mark, die Medulla oblongata, liegt am Übergang von Gehirn und Rückenmark. Hier befinden sich wichtige Netzwerke für die Atmung. Ein besonders intensiv untersuchter Bereich ist der pre-Bötzinger-Komplex. Er liegt beidseits im ventrolateralen Abschnitt der Medulla und ist wesentlich an der Erzeugung des Einatmungsrhythmus beteiligt.

Die grundlegende Arbeit von Smith und Kollegen aus dem Jahr 1991 untersuchte Präparate neugeborener Ratten. Bestimmte isolierte Hirnschnitte mit dieser Region erzeugten weiterhin rhythmische Aktivität. Durch gezielte Eingriffe ließ sich der Rhythmus verändern. Solche Experimente machten einen begrenzten neuronalen Bereich als wichtigen Bestandteil des Atemnetzwerks zugänglich. [2]

Im lebenden Organismus arbeitet dieser Bereich mit weiteren Gruppen im verlängerten Mark und in der Brücke, dem Pons, zusammen. Die Netzwerke koordinieren Beginn, Dauer und Wechsel der Atemphasen und integrieren Rückmeldungen. Die Atmung entsteht damit aus einem verteilten, anpassungsfähigen System. [1]

CO₂ und pH liefern laufend Rückmeldung

Bei der Energiegewinnung der Zellen entsteht Kohlendioxid. Es gelangt mit dem Blut zur Lunge und wird abgeatmet. Kohlendioxid steht über chemische Reaktionen mit dem Säure-Basen-Haushalt in Verbindung. Veränderungen seiner Konzentration beeinflussen den pH-Wert. Das macht CO₂ zu einer wichtigen Regelgröße der Atmung. [1]

Zentrale Chemorezeptoren reagieren auf die damit verbundenen Veränderungen im Bereich des Gehirns. Periphere Sensoren, besonders in den Karotiskörperchen an den Halsschlagadern, registrieren unter anderem Änderungen des arteriellen Sauerstoffpartialdrucks, von CO₂ und pH. Ihre Signale gelangen zu den Atemnetzwerken.

Der Körper passt die Belüftung der Lunge an diese Informationen an. Auch körperliche Aktivität, Temperatur, Emotionen und willentliche Vorgaben beeinflussen den Ablauf. Schon bevor sich bei Bewegung große chemische Veränderungen aufgebaut haben, kann die Atmung zunehmen. Mehrere Informationswege wirken gleichzeitig und mit unterschiedlicher zeitlicher Dynamik.

Bewusste und automatische Steuerung treffen zusammen

Du kannst einen Atemzug absichtlich vertiefen, vor einem Satz einatmen oder die Ausatmung beim Singen aufteilen. Solche Bewegungen entstehen unter Beteiligung höherer Hirnregionen. Die automatische Steuerung bleibt als Hintergrund des Verhaltens erhalten und verbindet sich mit den bewussten Vorgaben.

Auch Sinnesreize und emotionale Zustände verändern das Muster. Ein überraschender Moment kann die Atmung kurz unterbrechen, körperliche Ruhe kann sie gleichmäßiger werden lassen. Umgekehrt gelangen mit der Atmung verbundene Signale zurück ins Gehirn: aus der gedehnten Lunge, über chemische Veränderungen und aus dem Bereich der Nase. Im Podcast beschreibt Feldman mehrere dieser möglichen Verbindungen. [4]

Eine experimentelle Mausstudie zeigte 2017 direkte Verbindungen einer Teilgruppe von Atemnetzwerk-Neuronen zu einem System für Wachheit und Aktivierung. Nach einer gezielten Zellablation änderte sich das Erkundungsverhalten der Tiere. Solche Befunde erschließen die neuronalen Verbindungen zwischen Atmung und Verhaltenszustand. Die Wirkung einer konkreten menschlichen Atemübung wird dagegen in eigenen Humanstudien untersucht. [3]

Atmung verbindet mehrere Körpersysteme

Die Atemmuskeln sind Skelettmuskeln und erhalten ihre motorische Ansteuerung über entsprechende Nerven. Gleichzeitig wird der Rhythmus weitgehend automatisch organisiert und eng mit vegetativen Funktionen koordiniert. Das macht die Atmung zu einem guten Beispiel dafür, wie sich anatomische Systeme funktionell ergänzen.

Der Zusammenhang reicht außerdem zum Kreislaufsystem: Das Blut transportiert die Atemgase zwischen Lunge und Gewebe. Das autonome Nervensystem beeinflusst unter anderem Herz und Atemwege. Für die Lektüre lassen sich diese Verbindungen aus beiden Richtungen betrachten – von der Lunge aus und vom Nervensystem aus.

Wer zunächst das eigene Muster kennenlernen möchte, kann im Sitzen einige ungestörte Atemzüge beobachten. Wo bewegt sich der Brustkorb, wo der Bauch? Wie verändert sich der Rhythmus nach einem kurzen Weg? Die Bewegung darf dabei von selbst ablaufen. Einen besonderen Wechsel innerhalb dieser normalen Atmung erklärt der Beitrag Warum wir seufzen.

Eine Verbindung vom Atemnetzwerk zur Wachheit

In der Mausstudie von 2017 verfolgten die Forschenden eine kleine Zellgruppe im pre-Bötzinger-Komplex bis zum Locus coeruleus. Diese Region in der Brücke nutzt Noradrenalin und ist mit vielen Bereichen des Gehirns verbunden, die Wachheit und Aufmerksamkeit beeinflussen. Die untersuchten Atemnetzwerkzellen konnten diese Verbindung aktivieren.[3]

Nach ihrer gezielten Entfernung blieb die grundlegende Atmung zunächst erhalten; die Tiere verbrachten mehr Zeit mit ruhigem Verhalten. Damit ließ sich eine zusätzliche Aufgabe einzelner Zellen innerhalb des Atemnetzwerks zeigen: Sie geben Informationen an ein übergeordnetes Aktivierungssystem weiter. Der Versuch untersucht eine bestimmte neuronale Verbindung in Mäusen und hilft, das Atemnetzwerk räumlich genauer zu verstehen.[3]

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