深吸一口氣並屏住呼吸。你現在正在進行一項令人驚訝的神秘活動。平均而言，我們人類每分鐘自動呼吸約 12 次，這種呼吸週期與心臟跳動一起，是我們兩種重要的生物節律之一。大腦會根據我們身體的需要調整呼吸的節奏，而無需我們有意識的努力。然而，我們所有人也都有自願屏住呼吸一小段時間的能力。這種技能在防止水或灰塵進入肺部、在肌肉用力前穩定胸部以及延長我們不停頓說話的時間方面是有利的。我們屏氣是如此自然和隨意，以至於得知對這種能力的基本理解仍然讓科學界難以捉摸，這可能會令人驚訝。
（如果你還沒有呼氣，現在可以隨意呼氣了。）
考慮一個看似簡單的問題：是什麼決定了我們能屏住呼吸多久？事實證明，調查這個問題非常困難。儘管所有哺乳動物都能做到這一點，但沒有人找到一種方法來說服實驗動物自願屏住呼吸超過幾秒鐘。因此，只能在人類身上研究自願屏氣。如果大腦在長時間的屏氣過程中耗盡氧氣，那麼可能會迅速導致意識喪失、腦損傷和死亡——這些危險會使許多可能提供資訊的實驗變得不道德。事實上，過去幾十年的一些具有里程碑意義的研究在今天是不可重複的，因為它們會違反人體受試者的安全準則。
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儘管如此，研究人員已經找到了開始回答有關屏氣的問題的方法。除了闡明人類生理學之外，他們的發現最終可能有助於在醫學和執法領域拯救生命。
確定臨界點
1959 年，布法羅大學醫學院的生理學家赫爾曼·拉恩使用了一種不尋常的方法組合——減緩他的新陳代謝、過度換氣、用純氧填充他的肺部等等——屏住了呼吸將近 14 分鐘。同樣，愛德華·施耐德是米切爾菲爾德陸軍航空醫學技術學校和後來的衛斯理大學的屏氣研究先驅，他在 1930 年代描述了一位受試者在類似條件下持續了 15 分 13 秒。
然而，研究和日常經驗表明，我們大多數人在用室內空氣最大限度地擴張肺部後，屏住呼吸的時間不能超過大約一分鐘。為什麼不能更長？僅肺部就應該含有足夠的氧氣來維持我們大約四分鐘，但很少有人能夠在沒有練習的情況下屏住呼吸接近那麼長時間。同樣，二氧化碳（細胞在消耗食物和氧氣時產生的撥出廢物）不會在血液中積累到足以解釋一分鐘限制的毒性水平。
當浸入水中時，人們可以屏住呼吸更長時間。這種延長可能部分源於避免肺部被水淹沒的動機增強（目前尚不清楚人類是否具有水生哺乳動物和鳥類的經典潛水反射，這種反射會在水下屏氣期間降低它們的代謝率）。但原理仍然成立：屏氣潛水員在真正耗盡氧氣之前，就感到不得不呼吸。
正如施耐德觀察到的那樣，“對於一個處於海平面的人來說，自願屏住呼吸直到失去知覺實際上是不可能的。”失去知覺可能偶爾會在不尋常的情況下發生，例如在極限潛水比賽中，並且一些軼事表明，在罕見的情況下，兒童可以屏住呼吸足夠長的時間以至於昏厥，但實驗室研究證實，通常我們成年人做不到。早在氧氣過少或二氧化碳過多會傷害大腦之前，顯然有些東西將我們帶到了臨界點（研究人員稱之為臨界點），超過這個臨界點，我們就無法抗拒喘氣。
對於臨界點的一個合乎邏輯的假設解釋是，身體中專門的感測器會觀察與屏氣相關的生理變化，並在大腦關閉之前觸發呼吸。這種感測器的明顯候選者是那些監測肺部和胸腔長時間擴張或檢測血液或大腦中氧氣水平降低或二氧化碳水平升高的感測器。然而，這兩種想法似乎都站不住腳。肺部容量感測器的參與似乎已被 1960 年代至 1990 年代之間海倫·R·哈蒂和約翰·H·艾澤爾獨立在倫敦查令十字醫院的艾布·古茲實驗室以及當時在教堂山北卡羅來納大學的帕特里克·A·弗盧姆進行的各種實驗排除。他們的實驗表明，肺移植患者（肺和大腦之間的神經連線被切斷）和接受完全脊髓麻醉的患者（胸肌感覺受體被阻斷）都無法屏住呼吸異常長的時間。（重要的是，這些麻醉實驗並沒有影響膈肌，原因將在後面變得明顯。）
研究似乎也排除了所有已知的氧氣和二氧化碳化學感測器（化學感受器）的參與。在人類中，唯一已知的檢測低血氧水平的感測器位於頸動脈中，頸動脈位於下頜角下方，為大腦供血。檢測二氧化碳水平升高的化學感受器位於頸動脈和腦幹中，腦幹控制著正常呼吸和其他自主（非自願）功能。
如果氧氣化學感受器引起了臨界點的緊迫感，那麼如果沒有它們的反饋，人們應該能夠屏住呼吸直到失去知覺。然而，加州大學洛杉磯分校卡爾曼·瓦瑟曼實驗室的實驗表明，如果切斷患者頸動脈化學感受器和腦幹之間的神經連線，患者仍然無法做到這一點。
此外，如果僅靠氧氣減少或二氧化碳水平升高來決定臨界點，那麼超過某些閾值水平，屏氣應該是不可能的。然而，大量研究表明情況並非如此。同樣真實的是，在氣體水平觸發臨界點之後，屏氣將仍然不可能，直到動脈氧氣和二氧化碳水平恢復正常。但正如研究人員自 1900 年代初期以來隨意觀察到的那樣，這種預測也沒有得到證實。1954 年，梅奧診所的沃德·S·福勒正式描述了在最大程度屏氣後，受試者如果僅吸入窒息性氣體，可以立即進行第二次屏氣——甚至第三次屏氣，儘管他們的血氣水平變得越來越差。
進一步的工作證實，這種非凡的重複屏氣能力與窒息性氣體的吸入次數或體積無關。事實上，1974 年，安大略省麥克馬斯特大學的約翰·R·裡格和莫蘭·坎貝爾證明，即使受試者只是試圖在氣道關閉的情況下呼氣和吸氣，這種情況仍然存在。
總之，所有這些涉及重複屏氣操作的實驗表明，呼吸的需要以某種方式與肌肉行為本身有關，而不是直接與其氣體交換功能有關。當胸部高度膨脹時，除非呼吸的吸氣肌肉將其保持在膨脹狀態，否則其自然趨勢是回縮。因此，臨界點的研究人員開始在身體對這些吸氣呼吸肌肉的神經和機械控制中尋找答案。作為這項工作的一部分，他們還想了解屏氣是否涉及自願停止驅動這些肌肉的自動呼吸節律，或者阻止呼吸肌肉表達這種自動節律。
不可重複的實驗
可以說，我們正常呼吸的節律始於腦幹將衝動向下傳遞到我們兩條膈神經，到達肺部下方的碗狀膈肌，告訴它收縮並擴張肺部。當衝動停止時，膈肌放鬆，肺部塌陷。換句話說，某種節律性神經活動模式——中樞呼吸節律——反映了我們的呼吸週期。在人類中，從膈神經或腦幹直接測量這種中樞呼吸節律在技術上和倫理上仍然是不可能的。然而，研究人員已經設計出間接記錄中樞呼吸節律的方法：透過監測膈肌中的電活動、氣道壓力或自主神經系統的其他變化，例如心跳節律（稱為呼吸性竇性心律失常）。
1963 年，義大利米蘭大學的埃米利奧·阿戈斯托尼從這種間接測量出發，表明他可以在屏氣時間遠未達到臨界點的人類受試者中檢測到中樞呼吸節律。在 2003 年和 2004 年英國伯明翰大學的相關實驗中，研究生漢娜·E·庫珀、麻醉師托馬斯·H·克拉頓-布羅克和我使用呼吸性竇性心律失常來表明中樞呼吸節律從未停止：它在整個屏氣過程中持續存在。因此，屏氣必須涉及抑制膈肌對這種節律的表達，可能是透過自願、持續地收縮該肌肉。（各種實驗似乎已經排除了正常呼吸中涉及的其他肌肉和結構的參與。）臨界點可能同樣取決於膈肌向大腦的感覺反饋——例如，反映其可能被拉伸或異常過度勞累的程度。
如果是這樣，那麼麻痺膈肌以消除其對大腦的感覺反饋應該能夠讓受試者大大延長屏氣時間，如果不是無限期的話。這就是坎貝爾在 1960 年代後期在倫敦哈默史密斯醫院進行的有史以來最令人震驚的屏氣實驗之一中的預期。兩名健康的、有意識的志願者同意暫時用靜脈注射箭毒麻痺他們所有的骨骼肌——除了一個前臂，他們可以用它來發出他們的意願。受試者用機械呼吸機維持生命；透過關閉呼吸機來模擬屏氣，受試者透過發出訊號表明他們何時希望重新啟動呼吸機來指示他們的臨界點。
結果令人震驚。兩位志願者都很樂意讓呼吸機關閉至少四分鐘，此時主管麻醉師介入，因為他們的血液二氧化碳水平已危險升高。在箭毒的作用消退後，兩位受試者都報告說沒有感到令人痛苦的窒息或不適症狀。
出於顯而易見的原因，如此大膽的實驗很少被重複。其他人嘗試過但未能複製坎貝爾的發現，但他們勇敢的志願者在如此短的時間後就達到了臨界點，以至於他們的二氧化碳水平幾乎沒有高於正常水平。這些觀察結果表明，受試者可能選擇提前結束測試，可能是因為保持聲門張開的氣管引起的不適（坎貝爾的實驗中沒有現代安全要求）以及因為他們對危及生命的風險有更高的認識。然而，在古茲實驗室工作的馬克·I·M·諾布林在 1970 年代進行的一些同樣引人注目的實驗似乎證實，膈肌麻痺延長了屏氣時間。諾布林和他的同事沒有使用全身麻痺，而是使用了危害生命程度低得多的方法，即僅透過麻醉兩條膈神經來麻痺膈肌本身。這樣做使受試者的平均屏氣時間增加了一倍，並減少了伴隨屏氣的通常不適感。
當前最佳解釋
因此，證據的平衡傾向於這樣一種推測，即膈肌的自願、長時間收縮透過保持胸腔膨脹來屏住呼吸。臨界點可能很大程度上取決於來自處於這種異常收縮狀態的膈肌的刺激到達大腦。在如此長時間的收縮過程中，大腦可能會潛意識地將來自膈肌的異常訊號首先感知為模糊的不適，但最終感知為無法忍受，從而導致臨界點。然後，自動節律重新獲得控制。
這個假設尚未完全充實，但它很好地符合福勒的觀察（任何屏氣的釋放，必然是透過放鬆膈肌，都使另一次屏氣成為可能）以及肺部擴張和血氣操縱對屏氣持續時間的影響。即使稍微放鬆膈肌並稍微呼氣也會透過減輕來自膈肌中拉伸感測器的訊號來延遲臨界點。提高血液中的氧氣水平和降低二氧化碳水平也將透過減少膈肌中疲勞的生化指標來延長屏氣能力。任何阻止大腦監測此類資訊的事物——例如，透過阻斷膈肌和大腦之間的神經——都將延長持續時間。大腦對這種不愉快訊號的耐受性還將取決於你的情緒、動機和注意力分散的能力，例如，心算。
這個假設只是對實驗觀察的最簡單的統一解釋。其中一些實驗使用的受試者太少，不足以作為可靠概括的基礎，並且可能永遠不會獲得重複它們的倫理許可。拼圖的關鍵部分可能仍然缺失。
此外，另一個不完全符合的拼圖來自諾布林和古茲的另一個引人注目（現在在倫理上不可重複）的屏氣實驗。他們透過麻醉健康受試者的兩組腦神經（迷走神經，從大腦通向胸部和腹部的器官，以及舌咽神經，通向聲門、喉嚨和喉嚨的其他部分）將屏氣時間延長了三倍。這個結果似乎是在不影響膈肌的情況下實現的，除非迷走神經也可能攜帶一些來自膈肌的訊號。喉部本身似乎不太可能含有參與屏氣的肌肉：1993 年，悉尼外科醫生馬丁·門德爾松（透過插入鼻孔的攝像頭）觀察到聲門，聲門在整個屏氣過程中通常保持張開狀態。這一觀察結果似乎也支援了關於膈肌作用是關鍵的推測。
拯救生命
更好地瞭解是什麼限制了人們屏氣的能力在醫學上具有實際用途。例如，作為乳腺癌治療的一部分，患者接受放射治療，期間的目標是在不損害周圍健康組織的情況下致命劑量地照射整個腫瘤。這樣做需要數分鐘的放射線照射，在此期間，患者必須儘量保持乳房靜止不動。由於長時間屏氣是不切實際的，因此目前的做法是使用在患者呼吸之間、胸部移動最少時進行的短脈衝放射線照射。然而，每次呼吸時，乳房都會移動，並且可能不一定會回到完全相同的位置。醫學物理學家斯圖爾特·格林、臨床腫瘤學家安德里亞·史蒂文斯、麻醉師克拉頓-布羅克和我現在正在開始由伯明翰大學醫院慈善機構資助的實驗，以測試延長屏氣時間是否足以幫助放射治療。
對屏氣的實際理解也可能對執法人員在強行制服嫌疑人時有價值。世界各地每年都有一些人在被制服時可能意外死亡。提高代謝率、壓縮胸部、降低血氧水平和升高血液二氧化碳水平都會縮短一個人的屏氣時間。因此，一個生氣、一直在打架或被強行按倒的人很可能比一個放鬆的人更早需要呼吸。
2000 年，查令十字醫院的安德魯·R·卡明和他的團隊研究了八名健康受試者在適度騎腳踏車一分鐘後最大程度呼氣並屏住呼吸後會發生什麼：他們的最大屏氣時間驟降至 15 秒，他們血液中的平均氧氣含量急劇下降，其中兩人出現心律不齊。因此，研究人員得出結論，“在劇烈制服期間短暫停止呼吸……可能是這些情況下不明原因死亡的原因。”執法部門已經仔細編制了強行制服使用指南；應該嚴格遵守這些指南。
對屏氣的此類調查為人類生理學的關鍵方面打開了視窗。顯然，更多關於膈肌本身的突破性發現仍在前方——這讓我們中的一些人屏息以待。
本文以印刷版標題“屏氣的極限”發表。