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The physiological effects of slow breathing in the healthy human
pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29209423/
PMCID:PMC5709795
PMID:29209423
要旨
ゆっくりとした呼吸法は、その健康効果が謳われているため、世界中の現代社会で取り入れられている。このことは、研究者や臨床医の興味をかき立て、ゆっくりとした呼吸法の生理学的（および心理学的）効果について調査を開始し、その基礎となるメカニズムを明らかにしようとしている。この論文の目的は、正常な呼吸生理学の包括的な概観を提供することであり、健常人を対象とした研究によると、緩徐呼吸法の生理学的効果は文書化されている。特に横隔膜活動、換気効率、血行動態、心拍変動、心肺連関、呼吸洞不整脈、交感神経バランスに焦点を当てている。総説の最後には、緩徐呼吸法の潜在的な臨床的意味について簡単に論じている。これはさらなる研究、理解、議論が必要なテーマである。
キーポイント
- ゆっくりとした呼吸法は、その健康効果から欧米で人気を博しているが、医学界では比較的手つかずのままである。
- ゆっくりとした呼吸の生理学的効果に関する研究では、呼吸器系、循環器系、心肺系、自律神経系に大きな効果があることが明らかになっている。
- 主な知見としては、呼吸筋活動、換気効率、化学反射および圧反射感受性、心拍変動、血流動態、呼吸洞不整脈、心肺連関、交感神経バランスへの影響が挙げられる。
- 健康や長寿に関連すると思われる生理学的パラメーターを最適化する手段として、また疾病状態にまで及ぶ可能性のある手段として、コントロールされたゆっくりした呼吸法を使用する可能性があるようだ。
教育目的
- 正常なヒトの呼吸生理学の包括的な概要と、健康なヒトにおける緩徐呼吸の文書化された効果を提供する。
- ヒトにおける緩徐呼吸の生理学的効果の基礎となるメカニズムに関する証拠と仮説を検討し、議論すること。
- ゆっくりした呼吸の定義と、「自律的に最適化された呼吸」を構成する可能性のあるものを提供すること。
- ゆっくりとした呼吸法の臨床的意義の可能性と、さらなる研究の必要性について議論を深める。
過去10年間に、主に疾患状態における、ゆっくりとした呼吸法の効果と潜在的な臨床的利益を文書化した文献が出現した。しかし、健常人における緩徐呼吸の生理学的効果については、まだ包括的に検討されていない。文書化された効果は、主に心臓血管系、自律神経系、呼吸器系、内分泌系、脳系に及んでいる。この総説の目的は、緩徐呼吸の中核となる定義を提供し、健常人において文書化された主な効果を要約することで、臨床応用の可能性を議論できるような緩徐呼吸法の生理学と提案されているメカニズムに関する知識基盤を形成することである。
ゆっくり呼吸の歴史
健康の回復や増進を目的として呼吸をコントロールする行為は、東洋文化圏では何千年もの間実践されてきた。例えば、ヨガの呼吸法（プラナヤマ）は古くからよく知られている呼吸のコントロールの実践法であり、しばしば瞑想やヨガと組み合わせて行われ、その精神的効果や知覚される健康増進効果を目的としている[1,2]。プラーナヤーマには、鼻孔呼吸（複式、単式、交互）、腹式呼吸、力強い呼吸、発声（詠唱）呼吸など、さまざまな形式があり、さまざまな速度と深さで行われる[1,2]。ヨガ、ひいてはプラーナーヤーマは、1800年代後半に初めて西洋に紹介され、1900年代半ばに人気が高まった。それ以来、呼吸法は、ホリスティックでウェルネスなヘルスケアへのアプローチへの関心の高まりにより、ますます人気が高まっている。その健康効果やさまざまな病状を治療する可能性が謳われ、医学界や科学界の関心を集め、この分野の研究が刺激された。
1990年代以降、コンスタンチン・パヴロヴィチ・ブテイコがロシアの医学界で開発した呼吸療法のシステムが、いくつかの大陸を横断するようになった。K.P.ブテイコは1950年代から1960年代にかけて、呼吸再教育を用いて呼吸器疾患や循環器疾患の患者の治療を始めた[3]。ブテイコと彼の方法を採用した他の臨床家は、幅広い慢性疾患の治療に成功したと主張したが、この方法が他国に広まるまでにはしばらく時間がかかった[4]。その後、いくつかの臨床試験とコクラン・レビューが、喘息の治療におけるブテイコ法の有効性を調査しているが、報告された有望な結果を支持するためには、より多くの研究と一貫した所見が必要である[5-10]。
レビュー方法
私たちの目的は、呼吸器内科医、生理学者、そしてこの分野以外の臨床医や研究者に包括的な総説を提供することである。この総説は呼吸器系、循環器系、心肺ユニット、自律神経系に焦点を当てている。各セクションは、正常呼吸におけるそのシステムの生理学の簡単な概要から始まり、健常人における緩徐呼吸の研究された生理学的効果についての考察が続く。
本総説では、緩徐呼吸を4～10回/分（0.07～0.16Hz）の呼吸数と定義する。ヒトの典型的な呼吸数は10～20回/分（0.16～0.33Hz）である。
まずPubMedによるMedline検索を行い、ヒトにおける4～10回/分または0.07～0.16Hzの呼吸の効果についてレビューまたは報告している論文を探した。この範囲外の呼吸に関する研究は、呼吸負荷、持続陽圧呼吸器、その他の呼吸装置、および/またはその他の呼吸法、および/または瞑想、ヨガ、太極拳、運動、食事介入などを組み込んだものと同様に除外した。Medline検索は原稿執筆中に拡大し、呼吸器系、循環器系、心肺系、自律神経系の正常な生理学に関連する文献、およびレビューに関連するその他のトピックを取り入れた。
ゆっくりとした呼吸の生理学
呼吸器系
呼吸のバイオメカニクス
「潮汐呼吸」という用語は、比較的一定の速度と吸気量／呼気量（潮汐量）を持つ正常な呼吸を定義している。潮汐呼吸は、「呼吸ポンプ」と総称される一次および副吸気筋群によって駆動される。主要な呼吸筋は横隔膜であり、通常の吸気時には、横隔膜が収縮して平らになり、腹部を押し、下部肋骨が上方および外側に押し出される[11]。横隔膜、外肋間筋、胸骨傍筋、胸鎖乳突筋、および頭頂筋の協調収縮により、胸郭が拡張し、胸部が上昇する[12,13]。これにより、経横隔膜圧(腹圧の上昇と胸圧の低下)が発生し、その結果、胸腔内/胸骨内圧が低下し、肺の換気が行われ、肺経圧較差を越えて肺胞を介して肺ガス交換が行われる[13,14]。呼気は一般に受動的で、横隔膜がドーム状の安静時の形状に戻ることで、肺が収縮して空気が排出される。腹筋は収縮すると腹壁を内側に引っ張り、横隔膜を胸郭の上方に強制的に上昇させ、肺を収縮させる。
横隔膜の動きと機能に関する研究では、最適な呼吸には横隔膜の能動的な制御が必要であり、吸気時には肋骨下部が低い位置にとどまり、横方向にのみ膨らみ、胸部ではなく腹部が膨らむことが必要であると主張されている[16]。磁気共鳴画像法（MRI）およびスパイロメトリーを用いた潮汐呼吸および息止め時の横隔膜の動きの分析により、横隔膜の動きの程度と肺活量の変化との間に相関関係があることが報告されている。横隔膜呼吸は、緩徐呼吸を促進することも示されている。このことは、横隔膜呼吸の訓練を受けた健康な被験者が、自然なペースで普通に呼吸している被験者よりも、呼吸速度が遅く、1分間に3～7回という研究目標を達成する可能性が高かったという研究でも裏付けられている[18]。MRIを用いた横隔膜の別の調査では、慢性脊椎病変を持つ患者と比較して、健康なヒトでは、ゆっくりとした呼吸が横隔膜の大きな伸展と関連していることが判明し、正しくバランスのとれた横隔膜のパフォーマンスは、腹圧と「スムーズな」呼吸を維持するのに役立つと結論づけている[16]。
換気とガス交換
肺換気のバイオメカニクスは、血液中の酸素、二酸化炭素、pHの恒常性と注意深く協調している。分換気量は呼吸数×潮容積で定義される。したがって、分換気量を維持するためには、呼吸数を減少させれば潮容積を増加させなければならない。呼吸数の減少のみでは、高カプニア血症を引き起こし、主に呼吸数の強制的な増加（過換気）を組織することによって反応する化学受容器（主に脳幹に位置する中枢性化学受容器）が活性化する[19,20]。したがって、呼吸のホメオスタシスを乱すことなく呼吸数の減少を維持するためには、1回換気量を増加させる必要がある。興味深いことに、健康なヒトの場合、1分間に6回の呼吸をコントロールした緩徐呼吸は、自発呼吸や1分間に15回の呼吸をコントロールした場合と比較して、過呼吸や低酸素に対する化学反射反応を減少させることが示されている[21]。
生理的死腔は、解剖学的死腔（肺胞に到達しない空気）と肺胞死腔（肺胞の灌流が不十分または非灌流である肺胞に流入する空気）の合計である。呼吸数を増加させても、死腔が増加するため換気効率は改善しない[22]。逆に、呼吸数を減らして1回換気量を増やすと、肺胞のリクルートメントと拡張により換気効率が向上し、肺胞デッドスペースが減少することが示されている[23]。呼吸数が酸素飽和度と運動パフォーマンスに及ぼす影響に関する研究では、健常者と慢性心不全患者を対象に、安静時と運動時の自発呼吸と1分間に15回、6回、3回の呼吸時の動脈酸素飽和度を測定することにより、このことが確認された[24]。1分間に6呼吸のゆっくりした呼吸は、動脈酸素飽和度の上昇、呼吸努力の容易さと持続性という点で、両群とも肺胞換気の改善とデッドスペースの減少に最適であることがわかった。ゆっくり呼吸を実践した慢性心不全患者の追跡調査では、運動パフォーマンスと意欲の向上が認められた。
心臓血管系
血行動態の変動
心臓のポンプ作用と循環血液の流れは、酸素需要、身体活動、ストレス、体温、呼吸など、さまざまな要因や事象の影響を大きく受ける[25]. 定常状態では、呼吸が心臓血管系に及ぼす影響について、まず血流力学の観点から説明することができる。正常な吸気時には、胸腔内/胸骨内圧の低下が右心房に伝達されるため、右心房と全身循環の間の圧力勾配が増大し、その結果、静脈還流、右心房の充満、右心室のストローク量が増大する[26,27]。一方、肺抵抗は増加し、肺静脈還流は減少し、血液は肺毛細血管に貯留し、左心充満は減少する[26,28]。この右心および肺循環における血液の貯留の増加により、次の固有心拍時に発生する心拍出量が増加する。呼気中、これらの変化は逆転する。
呼吸数は血行動態に影響を与えることが知られている。1分間に20回、15回、10回、6回のペースで深呼吸をするように指示された健常人の動脈脈拍（心拍数とオシロメトリック動脈血圧による）と末梢抵抗を分析した研究では、呼吸数が血圧脈拍の高調波に影響し、それが末梢血管の抵抗、大動脈のコンプライアンス、したがって静脈還流に関係するため、遅い呼吸は脈拍変動を心拍リズムに同期させることがわかった[29]。1分間に6呼吸の速度でゆっくり呼吸すると、静脈還流が増加すると言われている[30]。横隔膜呼吸では、横隔膜が心臓とつながっていて心臓を支え、大動脈と下大静脈の通り道になっているという解剖学的事実により、静脈還流がさらに増大する[31]。横隔膜呼吸者の研究では、通常の吸気時に起こる下大静脈の潰れやすさを横隔膜の運動が増強するため、静脈還流の効率が高まり、特に緩徐呼吸時に最大となることが報告されている[32,33]。最近の研究では、呼吸と血管運動の連関（血管緊張（すなわち細動脈径）の振動が毛細血管血流量の振動を引き起こす）は、呼吸がゆっくりになると明らかになり、1分間に6回程度の呼吸で、初期血中酸素濃度が低い被験者で有意に大きな連関が起こることもわかった[34]。血管運動は、特に血液酸素化を改善する余地（すなわち、組織の要求）がある場合に、呼吸を遅くすることによって同調し、亢進するのではないかという推測がなされた。
心拍数と血圧
このような呼吸相に駆動される静脈充満、脳卒中量、心拍出量、末梢血流量の変動は、心拍数と血圧の変動に寄与する[35,36]。定常状態では、吸気時の静脈還流の増加は、心拍出量の増加と心拍数の増加に等しく、これは動脈血圧にも影響を及ぼす。吸気時に心拍数が増加する一方で動脈血圧は低下し、呼気時にはその逆となることは以前から知られている[38]。
心血管系の変化は呼吸の変化を引き起こすが、呼吸が心血管系に与える影響の方が強いと報告されている[25,29,30,39,40]。健常人を対象とした研究では、コントロールされた緩徐呼吸、特に1分間に6回の呼吸は、一般的な速度での呼吸と比較して、血圧と心拍数の両方の変動の増加と関連していることが判明している[21,41,42]。これは、拍動する血流が心拍のリズムに同期するため、呼吸に関連した血行動態の変動が緩衝されることを反映しているという仮説もある[29,41]。また、いくつかの研究で、管理された緩徐呼吸中に平均血圧が有意に低下したことが報告されており、この仮説が支持されている[30,41,43,44]。1分間に6回呼吸するヒトを対象とした研究でも、心拍が吸気相に集中する傾向があることが報告されている[45-48]。心拍数、血圧、呼吸の関係は、心肺連関として知られている[40]。
心肺ユニット
心拍変動（HRV）と圧反射
心電図記録では、瞬間的な心拍数を拍動間の時間（R-R間隔）として測定することができる。R-R間隔の変動は、心拍変動（HRV）として知られる生理的現象である。HRVと血圧の変動は、ランダムかつリズミカルに発生する。これらの変動をパワースペクトル分析すると、0.25 Hz 付近の周波数（高周波数 (HF)）と0.1 Hz 付近の周波数（低周波数 (LF)）にピークがある。2 つの有意に相関したリズム振動が示される。[49, 50]。[49,50].HF振動は典型的な呼吸頻度（すなわち、1分間に15回の呼吸、0.25Hz）と一致し、したがって、心血管系（力学的、血行力学的、心肺機構）に対する潮汐呼吸の位相効果に関連しており、一方、LF振動は呼吸よりも遅く、呼吸とは独立した心臓フィードバック機構に対応すると考えられている[50–52]。
圧受容器反射（圧反射）は、主に大動脈弓と頸動脈洞に存在する伸張受容体が関与する負のフィードバック機構であり、動脈血圧を監視し、中枢神経-自律神経経路を介して急性の変化に反応する。簡単に説明すると、動脈圧受容器は血圧の上昇によって活性化され、求心性神経を介して延髄の心臓血管センターに信号を送り、延髄は迷走神経を介して高速の副交感神経性遠心性信号を洞房（SA）結節に伝え、心拍数を減少させる、一方、胸部脊柱の交感神経連鎖を介して心臓と血管に中継される交感神経性求心性信号は抑制され、心拍数、心拍出量、血管運動緊張が低下する（wehreinとjoyner[53]による総説）。血圧が低いと圧受容体の活動が低下し、逆の作用が生じる。動脈血圧のLF振動（メイヤー波として知られている）は、0.1Hzで呼吸より遅く振動する圧反射の交感神経を表していると考えられている[51,54,55]。したがって、圧反射はLF HRVの振動と密接に連関しており、おそらくその主な原因となっている[51,56–59]。
HF HRVと圧反射活動は呼吸の位相効果に影響され、呼吸速度によって、HRVと血圧振動の関係が変化する[60]。ゆっくりとした呼吸によって、血流の脈波高調波(すなわち血圧振動)が心臓のリズムと同期することが指摘されている[29]。様々な研究により、ゆっくり呼吸をすると血圧振動とHRVの振幅が増大すること、そしてこの現象は、呼吸数が、6 回/分 (0.1 Hz) で特に顕著になることが判明している[21,61–64]。呼吸数が、6 回/分になると、呼吸によって、LF HRV 振動が増大すると言われている[65,66]。例えば、健常男性を対象とした研究で、ペース呼吸中に頸動脈圧受容器が頸部吸引によって刺激されたところ、動脈圧反射が心拍数と血圧に及ぼす影響が、毎分6回の呼吸中に増強されることが判明した[41]。さらに、呼吸相時比率の影響に関する研究では、0.1 Hz での緩徐呼吸中に吸気/呼気の比率が、1/1になると、圧反射感受性とHRV 振幅が増大する傾向があることが報告されている[67–69]。位相呼吸が、HRVに及ぼすリズミカルな影響は、呼吸性洞性不整脈として知られる生理現象である。
呼吸性洞性不整脈（RSA）
呼吸性洞性不整脈(RSA)とは、呼吸の位相に同期した。HRV であり、吸気時にR-R 間隔が短くなり、呼気時にR-R 間隔が長くなる[70,71]。通常、RSAの周波数は、HF HRV 振動ピークに反映されるように、0.25 Hz(呼吸周波数) である。したがって、RSAの周波数は呼吸数に応じて変化し、その結果、呼吸とHRV (心拍数反応)の位相差がシフトし、HRVの振幅が変化することが知られている。このことが最初に報告されたのは、angeloneとcoulter[72]による健常人のRSAの初期の連続記録で、呼吸数を減らすと位相差が短くなり、HRVと吸気/呼気が正確に同位相になる呼吸数 4 回/分 (0.1Hz)まで位相差が短くなることが実証された。その後、多くの研究[65,73,74]によって、1 分間に約 6 回の呼吸で、RSA/HRVが最大になることが確認されている。これは心肺系の共鳴を示すものであり、「共鳴周波数効果」と呼ばれている[72、75]。0.1 Hz では、RSA は LF 圧反射統合周波数およびメイヤー波とも共鳴する[55]。したがって、呼吸を毎分6回程度まで遅くすると、HRV (RSA)と圧反射感度の両方が最大になることが、さらなる調査から示唆されている(図1)が、この共鳴周波数には個人差がある[25,41,52,61,62,75]。潮容積の増加[36,73,76]や横隔膜呼吸[18]もRSAを有意に増加させることが示されており、呼吸速度が遅いほど有意に増加する。逆に、呼吸数が増加するとRSAが減少することが多くの研究で報告されている[72、73、77]。
図1 HRVが最大になるのは、通常、呼吸周波数が約 6 回/分 (0.1 Hz)のときである。出版社の許可を得て[25] から転載
RSAには明確な生理学的意義があると考えられているが、まだ完全には解明されていない。研究では、RSAの1つの可能な機能として、呼吸の相の中で心血管系の振動を同調させることによって肺ガス交換効率を高め、それによって換気と灌流を心拍数、ひいては肺血流量に一致させ、生理的デッドスペースを減少させることが示されている[45,47,48,78,79]。さらに、RSAは心肺系の安静状態において本質的な役割を担っており、肺ガス交換効率を向上させることでエネルギー消費を最小限に抑えることができるという仮説が立てられている。これは、RSAが睡眠時、リラックス時、緩徐呼吸時、深呼吸時、仰臥位時に最大になり、運動時や不安時には減少するという事実からも裏付けられている（hayanoandyasumaによる総説[80]）。別の仮説として、RSAは適切な血液ガス濃度を維持しながら心拍出量を最小化し、これはゆっくりとした深呼吸時に強調されるというものがある[74,81]。また、左心室の静脈充満と拍出量の呼吸主導性変動に起因する全身血流振動の緩衝におけるRSAの役割も指摘されている[29,35]。緩徐呼吸がRSAを最大化する効果があることから、そのメカニズムが提唱されている。
RSAのメカニズム
RSAの根底にある正確なメカニズムは、広範囲にわたって研究されているが、この話題は比較的未解決のままであり、激しい論争が続いている。議論の中心は、圧反射と呼吸中枢のどちらが主にRSAを発生させるかである[82]。この議論の決着は、実験方法間の一貫性の欠如、研究集団の異質性、したがって結果の収束の欠如、交絡変数、原因と結果を真に決定することができないことによって妨げられている。とはいえ、RSAの発生には、中枢、末梢、力学的要素のネットワークが関与しており、これらの要素が双方向的に相互作用して HRVに相乗的に寄与している可能性が高いことは、一般に認められている[36,38,83]。
RSA 生成の第 1 層には、胸腔内/胸骨内圧の呼吸性変動によって駆動される静脈還流量、脳卒中量、心拍出量の変化などの力学的要因が関与しており、心拍数と血圧の変動を引き起こしている[52]。圧反射もまた、動脈血圧の呼吸性変動に反応して HRVを駆動すると理論化されている[25、57、74、84–86]。RSAに関与することが知られているその他の末梢要素としては、末梢ケモレフレックス[87]、ベインブリッジ反射 (吸気時の血液量の増加 (静脈充満量の増加時)に反応して心拍数を増加させる心房伸張受容体[88,89]) およびヘリング-ブロイヤー反射 (中等度から過度の肺の膨張によって活性化され、呼吸駆動と心拍数の増加を引き起こす、ゆっくりと適応する肺伸張受容体)[71,90,91]などがある。これらの機械的要素および末梢反射の増強は、ゆっくりとした深い呼吸によって達成することができ、観察されたRSA振幅の増大の一因となる（billman[38]による総説）。
RSAの中心的な理論は、心肺リズムを生成するために収束する延髄の呼吸中枢と心血管系中枢を中心に展開する。この理論では、「神経ペースメーカー」、つまり心肺ニューロン活動の振動が、両システムを制御する固有リズムを生成することが示唆されている[92]。これらのペースメーカー・ニューロンは、孤束神経核（NTS）およびambiguus神経核内で同定されており、その振動は呼吸性呼吸神経活動と同位相であると報告されている。また、迷走神経（副交感神経）およびSA結節への心臓交感神経に沿った自律神経遠心性神経伝達を介して、心拍数を調節する固有心肺リズムを生成することができる（berntsenらによる総説[70]）。この神経ペースメーカーには固有のリズムがあるが、NTSのニューロンが受け取る機械的反射や末梢反射を含む、複雑な神経経路と入力のネットワークに組み込まれている[70,90]。
「呼吸ゲート」の提案は、心肺中枢による心拍の自律神経調節を特徴づける試みであった。NTSの「吸気ニューロン」がゲート機構を構成し、その開閉が呼吸の位相に同期していると仮定された[93]。ゲートの閉鎖は吸気と肺伸張受容体の活性化と一致し、ゲートの開放は呼気と一致するため、NTS内に蓄積する末梢反射からの活動を中継する自律神経遠心性神経がambiguus核に流入し、心臓に送られる。このことは、RSAの主要な発生源として、自律神経流出の呼吸調節を支持することになる[39]。
自律神経系
副交感神経対交感神経
簡単に言えば、自律神経系の2つの腕が、心臓に対して相反する制御を及ぼしているということである。心臓の副交感神経系は迷走神経を介して伝わり、アセチルコリン放出によって心臓の動きを緩慢にする。一方、交感神経系は胸髄の交感神経連鎖内の神経網を介して伝わり、ノルエピネフリン放出によって心拍数を加速する[94]。しかし、迷走神経活動は交感神経活動よりもはるかに速く心臓に影響を与えることができる。これはおそらく、より速いシグナル伝達とアセチルコリン受容体の動態のためであり、即時心拍を遅延させることができるため、より高い周波数で心拍数を調節することができる一方、心臓の交感神経の影響は約0.1Hzで低下する[70,89,95]。さらに、アセチルコリンはノルアドレナリンの放出を抑制し、SA結節でノルアドレナリンの影を薄くする。したがって、副交感神経活動は自律神経系の支配的な部門であり、安静時の心拍数に対して恒常的なバックグラウンドレベルの制御を提供すると言われている[95–98]。交感神経活動は、おそらく健康なヒトでは安静状態では最小か、あるいは皆無だが、様々な疾患状態や、健康なヒトでは運動中、身体的・精神的動揺時に高くなる[51,94]。
したがって、HRV は副交感神経系と交感神経系の活動の産物である[38]。HF HRVの振動は主に副交感神経が介在していると考えられているが、LF HRVの振動は、前述のように状況に応じて交感神経と副交感神経の両方が介在していると考えられている[49,99]。そのため、HRV は「交感神経バランス」の定性的指標とみなされており、副交感神経と交感神経の自律神経制御の比重を反映している。つまり、LF/HF HRV 比が高いほど交感神経優位、低いほど副交感神経優位が反映される[100–102]。
自律神経流出の呼吸調節
自律神経系の両腕は中央呼吸中枢の制御下にあり、反射機序と肺伸張受容体からの自律神経ドライブが集中する。自律神経の流出は吸気時に抑制され、呼気時に抑制解除される：呼吸ゲート理論[39,52,93]。心肺活動に対する呼吸相の影響は、より直接的な中枢神経駆動機構と、すべての呼吸周波数で心拍数調節を可能にする副交感神経信号伝達と作用の速度のため、はるかに大きいと考えられている[70,89]。交感神経バーストは呼気中にゲートが開いているときにも起こるが、副交感神経の作用に比べて反応の遅れが大きく、また、ノルアドレナリンの放出と作用が抑制されるため、迷走神経活動が大きいほど効果も小さくなる[39,95,96,98]。さらに、副交感神経の迷走神経活動 (「迷走神経緊張」)と呼吸位相に関連した。HRV 振動との間に相関関係が観察されていることから、RSA は大部分が迷走神経による現象であるという仮説が支持されている[71,103]。
呼吸の影響を補正したパワースペクトル分析を用いると、LF/HFパワーと時間領域の指標を用いて、自律神経活動に対する呼吸速度の影響を評価することができる[65]。この方法を用いて、changら[42]は、健康なヒトにおいて、1分間に12回や16回の呼吸とは対照的に、1分間に8回の呼吸では副交感神経バランスへのシフトと迷走神経活動の増加を報告した。同様に、zhangら[103]は、迷走神経活動の呼吸反応曲線を特徴付けるために、時間領域分析を用いて、1分間に8回（ゆっくり）、12回（平均）、18回（速い）呼吸をしている健常人の調査を行った。その結果、ゆっくりとした呼吸は、迷走神経によって誘発される心臓のリセットを呼吸の位相に同調させることによって、迷走神経パワーを増大させることがわかった[97]。また、コントロールされたゆっくりとした深い呼吸では、交感神経活動の呼吸相変調がより強くなり、吸気初期から呼気中期にかけて、より完全な抑制が観察されることも示されている[104]。副交感神経優位への長期的なシフトを達成するためには、3カ月間定期的にゆっくり呼吸を練習した健康なヒトで観察されたように、ゆっくり呼吸の長期的な練習が必要であることが示唆されている[105]。
taylorら[76]は、健康なヒトを対象に、様々な呼吸数（15～3回/分）で交感神経遮断がRSAに及ぼす影響を検討し、すべての呼吸周波数で心臓交感神経活動を遮断するとRSAが増強することを発見した。その結果、強直性迷走神経活動は呼吸周波数に関係なく一定であることが示され、速い呼吸では呼気が短くなるためアセチルコリンの放出が少なくなり、RSAが減少すると推測された。逆に、共鳴周波数（1分間に6回呼吸）では、アセチルコリンの放出と加水分解が最適化されるため、RSAは最大になる。この点について、wangら[67] は、吸気/呼気の比率が、1/1の場合、1 分間あたり、6 回の呼吸で、HRVが増加する傾向を観察し、アセチルコリンの放出と加水分解が最適化されることに基づいて説明している。
逆に、研究者らは、1 分間あたり、6 回の呼吸では、交感神経活動は必ずしも変化しないものの、交感神経バーストも、HRVに寄与している可能性があると仮定している[65,70]。zhangら[103]の研究では、緩徐呼吸によって迷走神経パワーが増加する一方で、交感神経パワーに有意な変化はみられなかったが、呼吸内における交感神経バーストのパターンに変化がみられた(koizumiら[96]、sealsら[104]、limbergら[106]でも報告されている)。これと同様に、vidigalら[107]は、ゆっくりとした呼吸（1分間に6呼吸）が姿勢操作に対する自律神経反応に及ぼす影響について調査を行った。ゆっくりとした呼吸は、身体的動揺に対する心臓の交感神経および副交感神経の反応性を改善したが、これは、副交感神経緊張の増大（初期）による圧反射感度の増大、および1分間に6回の呼吸による交感神経系と副交感神経系の同調の結果である可能性が示唆された。したがって、ゆっくり呼吸を実践すれば交感神経の活動が最小限に抑えられると誤解するのではなく、むしろ最適な交感神経と精神的ストレスのバランスを達成し、肉体的・精神的ストレスに対する自律神経の反応性を高めることができるようだ。
考察
緩徐呼吸の生理学的効果は実に膨大かつ複雑である。呼吸-中枢神経系-心血管系の相互作用ネットワークの簡略化したモデルを図2に示す[108]。このレビューから、呼吸数、潮容積、横隔膜の活性化、呼吸休止、受動的呼気と能動的呼気によって定義される呼吸パターンは、呼吸効率だけでなく、心血管機能と自律神経機能にも重大な影響を及ぼし、その影響は双方向的であることがわかる。この総説で議論されている（証明されている、あるいは理論化されている）緩徐呼吸の主な効果の要約を表1に示す。
図2 τ：循環遅延、ILV：瞬間肺活量、HR：心拍数、CNS：中枢神経系、SAP：収縮期動脈圧、DAP：拡張期動脈圧。出版社の許可を得て[108]より転載
表1 本総説を通して言及されている、健康な人体における緩徐呼吸の文書化された効果 11
| 呼吸器 | 一般的に1回換気量の増加と一致し、横隔膜の収縮を促進する可能性がある。[16, 18]。 肺胞の動員、肺胞死腔の拡張と減少を介して換気効率と動脈酸素化を促進する。[23, 24]。 化学反射の感度を緩和する。[21] |
| 心臓血管 | 静脈還流の増加 → 右心充満の増加 → 脳卒中量の増加 → 心拍出量の増加 [29, 30, 32, 35]。 血圧脈拍変動を心拍リズムに同期させる。[29]。 血管運動の同期化 [34] 血管運動（および微小流）の同調と亢進、すなわち血液酸素化の改善 [34]。 HRVと血圧変動の増加 [21, 41, 42, 62] 平均血圧を低下させる可能性 [30, 41, 43, 44] |
| 心肺機能 | LF HRVと圧反射の感度を高める。[41,60,65,66,77]。 RSAの増加（毎分6呼吸（共鳴周波数）付近で最大になる） [41, 61, 62, 72-75]。 肺ガス交換効率の改善 [45,47,48,78-80]、心仕事量の最小化 [74,80,81]、血圧変動の緩衝 [29, 35] 吸気期における心拍のクラスター化（心肺連関） [46, 47]。 血流と心拍リズムのパルスハーモニクスの同期 [29] |
| 自律神経系 | 迷走神経活動（迷走神経緊張）の増加 [42, 103] 副交感神経優位へのシフト [42, 105]。 迷走神経パワーの増強（迷走神経による心臓リセットの呼吸相への同調） [97, 103]。 SA結節でのアセチルコリン放出と加水分解の最適化 [67, 76] 交感神経活動の位相変調を増強する。[104, 106]。 身体的動揺（すなわち起立）に対する自律神経反応性を改善する。[107]。 交感神経平衡の最適化 [107] |
仮説ともっともらしい推測はイタリック体で記した。
意味合い
しかし、従来の医学では、正常な集団の中で何が最適化された呼吸を構成しているのか、迷走神経緊張に大きな影響を及ぼすことを考えると、何が「自律的に最適化された呼吸」を構成しているのかを定義しようと試みられてこなかった。おそらく今こそ、換気、ガス交換、動脈酸素化を最適化し、迷走神経緊張を最大化し、副交感神経と交感神経のバランスを維持し、肉体的・精神的ストレスや活動が激しいときに呼び出せる心肺予備量を最適化する呼吸法を洗練させる時なのだろう。ここでレビューした研究によると、「自律的に最適化された呼吸」は、横隔膜の活性化によって1回換気量が増加し、1分間に6～10回の呼吸であると考えられる。ここではレビューしていないが、鼻呼吸も最適化された呼吸の重要な要素であると考えられている[109,110]。これは、簡単な練習でほとんどの人に容易に達成可能であり、1分間に6～10回の呼吸の範囲での有害な影響が文献に記録されたことはまだない。制御されたゆっくりとした呼吸は、HRVを最大化し、自律神経機能を維持するための効果的な手段であるようで、この2つはいずれも、病的状態における死亡率の低下や一般集団における長寿と関連している[41,111-119]。
今後の研究の方向性
特定の生理学的変数は、主に管理された環境下で、自発的および管理された緩徐呼吸を短期間行ったときに調べられてきたが、緩徐呼吸を持続的に行ったときの記録はほとんどない。科学的に関心が高いのは、ゆっくり呼吸の長期的な練習の効果である。続いて、制御された緩徐呼吸が（呼吸器系に限らず）病的状態における生理学的変数を最適化できるかどうかに研究が拡大する可能性がある。研究の階層は、どのような治療的主張もテストし、検証することができる基礎を提供する。
謝辞
原稿を査読し、貴重な意見を提供してくれたAnthony Quail（オーストラリア、ニューカッスル大学保健医学部医学・公衆衛生学部）に感謝したい。
脚注
利益相反なし。