深吸一口气并屏住呼吸。你现在正在进行一项令人惊讶的神秘活动。平均而言，我们人类每分钟自动呼吸约 12 次，这种呼吸周期与心脏跳动一起，是我们两种重要的生物节律之一。大脑会根据我们身体的需要调整呼吸的节奏，而无需我们有意识的努力。然而，我们所有人也都有自愿屏住呼吸一小段时间的能力。这种技能在防止水或灰尘进入肺部、在肌肉用力前稳定胸部以及延长我们不停顿说话的时间方面是有利的。我们屏气是如此自然和随意，以至于得知对这种能力的基本理解仍然让科学界难以捉摸，这可能会令人惊讶。
（如果你还没有呼气，现在可以随意呼气了。）
考虑一个看似简单的问题：是什么决定了我们能屏住呼吸多久？事实证明，调查这个问题非常困难。尽管所有哺乳动物都能做到这一点，但没有人找到一种方法来说服实验动物自愿屏住呼吸超过几秒钟。因此，只能在人类身上研究自愿屏气。如果大脑在长时间的屏气过程中耗尽氧气，那么可能会迅速导致意识丧失、脑损伤和死亡——这些危险会使许多可能提供信息的实验变得不道德。事实上，过去几十年的一些具有里程碑意义的研究在今天是不可重复的，因为它们会违反人体受试者的安全准则。
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尽管如此，研究人员已经找到了开始回答有关屏气的问题的方法。除了阐明人类生理学之外，他们的发现最终可能有助于在医学和执法领域拯救生命。
确定临界点
1959 年，布法罗大学医学院的生理学家赫尔曼·拉恩使用了一种不寻常的方法组合——减缓他的新陈代谢、过度换气、用纯氧填充他的肺部等等——屏住了呼吸将近 14 分钟。同样，爱德华·施耐德是米切尔菲尔德陆军航空医学技术学校和后来的卫斯理大学的屏气研究先驱，他在 1930 年代描述了一位受试者在类似条件下持续了 15 分 13 秒。
然而，研究和日常经验表明，我们大多数人在用室内空气最大限度地扩张肺部后，屏住呼吸的时间不能超过大约一分钟。为什么不能更长？仅肺部就应该含有足够的氧气来维持我们大约四分钟，但很少有人能够在没有练习的情况下屏住呼吸接近那么长时间。同样，二氧化碳（细胞在消耗食物和氧气时产生的呼出废物）不会在血液中积累到足以解释一分钟限制的毒性水平。
当浸入水中时，人们可以屏住呼吸更长时间。这种延长可能部分源于避免肺部被水淹没的动机增强（目前尚不清楚人类是否具有水生哺乳动物和鸟类的经典潜水反射，这种反射会在水下屏气期间降低它们的代谢率）。但原理仍然成立：屏气潜水员在真正耗尽氧气之前，就感到不得不呼吸。
正如施耐德观察到的那样，“对于一个处于海平面的人来说，自愿屏住呼吸直到失去知觉实际上是不可能的。”失去知觉可能偶尔会在不寻常的情况下发生，例如在极限潜水比赛中，并且一些轶事表明，在罕见的情况下，儿童可以屏住呼吸足够长的时间以至于昏厥，但实验室研究证实，通常我们成年人做不到。早在氧气过少或二氧化碳过多会伤害大脑之前，显然有些东西将我们带到了临界点（研究人员称之为临界点），超过这个临界点，我们就无法抗拒喘气。
对于临界点的一个合乎逻辑的假设解释是，身体中专门的传感器会观察与屏气相关的生理变化，并在大脑关闭之前触发呼吸。这种传感器的明显候选者是那些监测肺部和胸腔长时间扩张或检测血液或大脑中氧气水平降低或二氧化碳水平升高的传感器。然而，这两种想法似乎都站不住脚。肺部容量传感器的参与似乎已被 1960 年代至 1990 年代之间海伦·R·哈蒂和约翰·H·艾泽尔独立在伦敦查令十字医院的艾布·古兹实验室以及当时在教堂山北卡罗来纳大学的帕特里克·A·弗卢姆进行的各种实验排除。他们的实验表明，肺移植患者（肺和大脑之间的神经连接被切断）和接受完全脊髓麻醉的患者（胸肌感觉受体被阻断）都无法屏住呼吸异常长的时间。（重要的是，这些麻醉实验并没有影响膈肌，原因将在后面变得明显。）
研究似乎也排除了所有已知的氧气和二氧化碳化学传感器（化学感受器）的参与。在人类中，唯一已知的检测低血氧水平的传感器位于颈动脉中，颈动脉位于下颌角下方，为大脑供血。检测二氧化碳水平升高的化学感受器位于颈动脉和脑干中，脑干控制着正常呼吸和其他自主（非自愿）功能。
如果氧气化学感受器引起了临界点的紧迫感，那么如果没有它们的反馈，人们应该能够屏住呼吸直到失去知觉。然而，加州大学洛杉矶分校卡尔曼·瓦瑟曼实验室的实验表明，如果切断患者颈动脉化学感受器和脑干之间的神经连接，患者仍然无法做到这一点。
此外，如果仅靠氧气减少或二氧化碳水平升高来决定临界点，那么超过某些阈值水平，屏气应该是不可能的。然而，大量研究表明情况并非如此。同样真实的是，在气体水平触发临界点之后，屏气将仍然不可能，直到动脉氧气和二氧化碳水平恢复正常。但正如研究人员自 1900 年代初期以来随意观察到的那样，这种预测也没有得到证实。1954 年，梅奥诊所的沃德·S·福勒正式描述了在最大程度屏气后，受试者如果仅吸入窒息性气体，可以立即进行第二次屏气——甚至第三次屏气，尽管他们的血气水平变得越来越差。
进一步的工作证实，这种非凡的重复屏气能力与窒息性气体的吸入次数或体积无关。事实上，1974 年，安大略省麦克马斯特大学的约翰·R·里格和莫兰·坎贝尔证明，即使受试者只是试图在气道关闭的情况下呼气和吸气，这种情况仍然存在。
总之，所有这些涉及重复屏气操作的实验表明，呼吸的需要以某种方式与肌肉行为本身有关，而不是直接与其气体交换功能有关。当胸部高度膨胀时，除非呼吸的吸气肌肉将其保持在膨胀状态，否则其自然趋势是回缩。因此，临界点的研究人员开始在身体对这些吸气呼吸肌肉的神经和机械控制中寻找答案。作为这项工作的一部分，他们还想了解屏气是否涉及自愿停止驱动这些肌肉的自动呼吸节律，或者阻止呼吸肌肉表达这种自动节律。
不可重复的实验
可以说，我们正常呼吸的节律始于脑干将冲动向下传递到我们两条膈神经，到达肺部下方的碗状膈肌，告诉它收缩并扩张肺部。当冲动停止时，膈肌放松，肺部塌陷。换句话说，某种节律性神经活动模式——中枢呼吸节律——反映了我们的呼吸周期。在人类中，从膈神经或脑干直接测量这种中枢呼吸节律在技术上和伦理上仍然是不可能的。然而，研究人员已经设计出间接记录中枢呼吸节律的方法：通过监测膈肌中的电活动、气道压力或自主神经系统的其他变化，例如心跳节律（称为呼吸性窦性心律失常）。
1963 年，意大利米兰大学的埃米利奥·阿戈斯托尼从这种间接测量出发，表明他可以在屏气时间远未达到临界点的人类受试者中检测到中枢呼吸节律。在 2003 年和 2004 年英国伯明翰大学的相关实验中，研究生汉娜·E·库珀、麻醉师托马斯·H·克拉顿-布罗克和我使用呼吸性窦性心律失常来表明中枢呼吸节律从未停止：它在整个屏气过程中持续存在。因此，屏气必须涉及抑制膈肌对这种节律的表达，可能是通过自愿、持续地收缩该肌肉。（各种实验似乎已经排除了正常呼吸中涉及的其他肌肉和结构的参与。）临界点可能同样取决于膈肌向大脑的感觉反馈——例如，反映其可能被拉伸或异常过度劳累的程度。
如果是这样，那么麻痹膈肌以消除其对大脑的感觉反馈应该能够让受试者大大延长屏气时间，如果不是无限期的话。这就是坎贝尔在 1960 年代后期在伦敦哈默史密斯医院进行的有史以来最令人震惊的屏气实验之一中的预期。两名健康的、有意识的志愿者同意暂时用静脉注射箭毒麻痹他们所有的骨骼肌——除了一个前臂，他们可以用它来发出他们的意愿。受试者用机械呼吸机维持生命；通过关闭呼吸机来模拟屏气，受试者通过发出信号表明他们何时希望重新启动呼吸机来指示他们的临界点。
结果令人震惊。两位志愿者都很乐意让呼吸机关闭至少四分钟，此时主管麻醉师介入，因为他们的血液二氧化碳水平已危险升高。在箭毒的作用消退后，两位受试者都报告说没有感到令人痛苦的窒息或不适症状。
出于显而易见的原因，如此大胆的实验很少被重复。其他人尝试过但未能复制坎贝尔的发现，但他们勇敢的志愿者在如此短的时间后就达到了临界点，以至于他们的二氧化碳水平几乎没有高于正常水平。这些观察结果表明，受试者可能选择提前结束测试，可能是因为保持声门张开的气管引起的不适（坎贝尔的实验中没有现代安全要求）以及因为他们对危及生命的风险有更高的认识。然而，在古兹实验室工作的马克·I·M·诺布尔在 1970 年代进行的一些同样引人注目的实验似乎证实，膈肌麻痹延长了屏气时间。诺布尔和他的同事没有使用全身麻痹，而是使用了危害生命程度低得多的方法，即仅通过麻醉两条膈神经来麻痹膈肌本身。这样做使受试者的平均屏气时间增加了一倍，并减少了伴随屏气的通常不适感。
当前最佳解释
因此，证据的平衡倾向于这样一种推测，即膈肌的自愿、长时间收缩通过保持胸腔膨胀来屏住呼吸。临界点可能很大程度上取决于来自处于这种异常收缩状态的膈肌的刺激到达大脑。在如此长时间的收缩过程中，大脑可能会潜意识地将来自膈肌的异常信号首先感知为模糊的不适，但最终感知为无法忍受，从而导致临界点。然后，自动节律重新获得控制。
这个假设尚未完全充实，但它很好地符合福勒的观察（任何屏气的释放，必然是通过放松膈肌，都使另一次屏气成为可能）以及肺部扩张和血气操纵对屏气持续时间的影响。即使稍微放松膈肌并稍微呼气也会通过减轻来自膈肌中拉伸传感器的信号来延迟临界点。提高血液中的氧气水平和降低二氧化碳水平也将通过减少膈肌中疲劳的生化指标来延长屏气能力。任何阻止大脑监测此类信息的事物——例如，通过阻断膈肌和大脑之间的神经——都将延长持续时间。大脑对这种不愉快信号的耐受性还将取决于你的情绪、动机和注意力分散的能力，例如，心算。
这个假设只是对实验观察的最简单的统一解释。其中一些实验使用的受试者太少，不足以作为可靠概括的基础，并且可能永远不会获得重复它们的伦理许可。拼图的关键部分可能仍然缺失。
此外，另一个不完全符合的拼图来自诺布尔和古兹的另一个引人注目（现在在伦理上不可重复）的屏气实验。他们通过麻醉健康受试者的两组脑神经（迷走神经，从大脑通向胸部和腹部的器官，以及舌咽神经，通向声门、喉咙和喉咙的其他部分）将屏气时间延长了三倍。这个结果似乎是在不影响膈肌的情况下实现的，除非迷走神经也可能携带一些来自膈肌的信号。喉部本身似乎不太可能含有参与屏气的肌肉：1993 年，悉尼外科医生马丁·门德尔松（通过插入鼻孔的摄像头）观察到声门，声门在整个屏气过程中通常保持张开状态。这一观察结果似乎也支持了关于膈肌作用是关键的推测。
拯救生命
更好地了解是什么限制了人们屏气的能力在医学上具有实际用途。例如，作为乳腺癌治疗的一部分，患者接受放射治疗，期间的目标是在不损害周围健康组织的情况下致命剂量地照射整个肿瘤。这样做需要数分钟的放射线照射，在此期间，患者必须尽量保持乳房静止不动。由于长时间屏气是不切实际的，因此目前的做法是使用在患者呼吸之间、胸部移动最少时进行的短脉冲放射线照射。然而，每次呼吸时，乳房都会移动，并且可能不一定会回到完全相同的位置。医学物理学家斯图尔特·格林、临床肿瘤学家安德里亚·史蒂文斯、麻醉师克拉顿-布罗克和我现在正在开始由伯明翰大学医院慈善机构资助的实验，以测试延长屏气时间是否足以帮助放射治疗。
对屏气的实际理解也可能对执法人员在强行制服嫌疑人时有价值。世界各地每年都有一些人在被制服时可能意外死亡。提高代谢率、压缩胸部、降低血氧水平和升高血液二氧化碳水平都会缩短一个人的屏气时间。因此，一个生气、一直在打架或被强行按倒的人很可能比一个放松的人更早需要呼吸。
2000 年，查令十字医院的安德鲁·R·卡明和他的团队研究了八名健康受试者在适度骑自行车一分钟后最大程度呼气并屏住呼吸后会发生什么：他们的最大屏气时间骤降至 15 秒，他们血液中的平均氧气含量急剧下降，其中两人出现心律不齐。因此，研究人员得出结论，“在剧烈制服期间短暂停止呼吸……可能是这些情况下不明原因死亡的原因。”执法部门已经仔细编制了强行制服使用指南；应该严格遵守这些指南。
对屏气的此类调查为人类生理学的关键方面打开了窗口。显然，更多关于膈肌本身的突破性发现仍在前方——这让我们中的一些人屏息以待。
本文以印刷版标题“屏气的极限”发表。