CB: ритм дыхания так же уникален, как отпечаток пальца

Фото из открытых источников

Каждый человек обладает уникальным паттерном дыхания через нос, который остается стабильным в течение длительного времени и функционирует как биологическая сигнатура. Новое исследование, отслеживая вдохи и выдохи людей в течение двадцати четырех часов, демонстрирует, что эти уникальные дыхательные паттерны позволяют с почти идеальной точностью идентифицировать людей, а также прогнозировать индивидуальный уровень тревожности, депрессии и индекс массы тела. Результаты исследования были опубликованы в журнале Current Biology.

Дыхание часто кажется автоматическим и простым физиологическим процессом. Многие люди замечают свое дыхание только тогда, когда задыхаются или занимаются интенсивными физическими упражнениями. Однако акт вдыхания и выдыхания воздуха регулируется обширной и сложной нейронной сетью.

Эта нейронная сеть работает преимущественно в стволе головного мозга. Она функционирует как биологический кардиостимулятор, постоянно регулирующий дыхание человека в соответствии с физиологическими потребностями. Система получает огромное количество сенсорной информации со всего тела, регулируя скорость и глубину каждого вдоха и выдоха.

Поскольку человеческий мозг демонстрирует индивидуальную уникальность в своей структуре и активности, исследователи предположили, что биологические результаты, генерируемые этими локальными нейронными сетями мозга, также могут отражать высокую степень индивидуальности. Для проверки этой идеи исследователи из Института науки Вейцмана в Израиле разработали эксперимент, позволяющий точно отслеживать движение воздуха через нос в течение длительного времени.

Тимна Сорока и Ноам Собел, ведущие исследователи проекта, решили в качестве объекта изучения выбрать нос, а не рот. Носовые проходы имеют особую связь с мозгом, поскольку они насыщены сенсорными нервами, которые постоянно передают информацию о потоке воздуха. Мозг активно контролирует этот процесс, систематически чередуя ноздри, которые выполняют основную работу по дыханию.

Для регистрации этих долговременных паттернов дыхания команда разработала специальное носимое устройство. Этот небольшой трекер крепился на затылке добровольца и подключался к носовой канюле — тонкой пластиковой трубке с двумя маленькими наконечниками, которые располагаются непосредственно внутри ноздрей.

В отличие от стандартных медицинских тестов, которые отслеживают дыхание всего несколько минут для проверки объема легких, эта установка непрерывно записывала дыхание в течение всего дня и ночи. Устройство содержало высокочувствительные датчики давления, которые независимо измеряли поток воздуха для левой и правой ноздрей в режиме реального времени. Оно записывало данные шесть раз в секунду, улавливая мельчайшие динамические колебания движения воздуха.

В исследовании приняли участие около ста здоровых человек, преимущественно в возрасте от двадцати до тридцати лет. Каждый участник носил трекер в течение полных двадцати четырех часов, занимаясь своими повседневными делами, регистрируя свою основную активность и режим сна в предоставленном приложении для смартфона.

Для подгруппы из более чем сорока участников исследовательская группа полностью повторила процесс. Эти люди вернулись, чтобы носить записывающее устройство в течение вторых двадцатичетырех часов. Перерыв между первой и второй сессиями записи составлял от нескольких дней до почти двух лет.

Когда исследователи ввели необработанные данные о дыхании в вычислительную модель, они обнаружили, что могут идентифицировать отдельных лиц с поразительной точностью. Основываясь только на данных о дыхании в состоянии бодрствования, система правильно идентифицировала конкретных людей из группы с точностью 96,8%.

Успешность этого процесса идентификации ставит дыхательные паттерны практически на один уровень с такими устоявшимися биометрическими маркерами, как распознавание голоса. Данные показали, что дыхание человека — это не просто общий ритм млекопитающих, а индивидуальная поведенческая характеристика.

Эта способность распознавать человека по характеру его дыхания сохранялась даже спустя длительное время. Даже когда компьютерная модель, изучив паттерн дыхания человека в первый день тестирования, могла успешно выделить его из толпы, используя данные, собранные спустя двадцать три месяца.

Чтобы убедиться, что компьютер анализирует именно сам процесс дыхания, а не просто отдельные паттерны физических движений, исследователи также проанализировали данные с датчика движения, встроенного в устройство. Хотя анализ движений тела позволял в некоторой степени идентифицировать дыхание, его точность была значительно ниже, чем при анализе носового потока воздуха.

Для проверки этих результатов исследователи оценили десятки различных параметров в данных о дыхании. Они сгруппировали данные в такие показатели, как объем вдыхаемого воздуха, длительность пауз между вдохами и асимметрия воздушного потока между левой и правой ноздрями.

Ни один отдельный признак сам по себе не мог отличить одного человека от другого. Высокий уровень общей точности идентификации требовал от вычислительной модели одновременного анализа примерно двадцати-ста различных характеристик дыхания.

Помимо простой идентификации человека, исследователи оценили, раскрывают ли эти респираторные признаки что-либо о физическом состоянии человека. Они проанализировали исходные данные, чтобы изучить физиологические маркеры, такие как переход от бодрствования к сну.

Аналитические данные показали резкие изменения между состоянием бодрствования и сна. Когда участники засыпали, общий объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха уменьшался, а смещение доминирования между правой и левой ноздрями увеличивалось. Анализируя данные о дыхании человека за пять минут, модель могла легко определить, спит он или бодрствует.

Данные непрерывного потока воздуха также математически совпадали с индексом массы тела участников, стандартным расчетом, основанным на росте и весе человека. Исследовательская группа отметила математическую зависимость между массой тела человека и определенными аспектами его носового цикла, предполагая, что нейронная динамика, управляющая дыханием, напрямую взаимодействует с составом тела.

Помимо мониторинга физиологических показателей, исследователи хотели выяснить, отражают ли эти дыхательные паттерны определенные аспекты человеческого познания и эмоций. Все участники заполнили стандартные психологические анкеты для оценки их исходного уровня тревожности, симптомов депрессии и поведенческих особенностей, связанных с аутизмом.

Несмотря на то, что в исследуемую группу входили обычные взрослые без серьезных клинических диагнозов, измеренные ими паттерны дыхания коррелировали с результатами опроса. Исследователи обнаружили, что могут частично предсказать оценку человека по шкале депрессии, основываясь исключительно на особенностях его дыхания, таких как пиковая скорость вдоха в часы бодрствования.

Аналогичные прогностические зависимости наблюдались и для общей тревожности. Участники, показавшие более высокие баллы по шкале личностной тревожности, как правило, демонстрировали несколько меньшую продолжительность вдоха во время сна. Незначительные вариации в длительности пауз между вдохами также были связаны с различными уровнями самооценки тревожности.

Анализ данных анкеты по расстройствам аутистического спектра вновь выявил математические взаимосвязи с дыханием участников. Незначительные изменения в продолжительности пауз во время вдоха соответствовали различным показателям поведения. Эти результаты указывают на то, что эмоциональные и когнитивные состояния оставляют слабые, но читаемые биологические следы в том, как ствол головного мозга регулирует дыхание.

Хотя исследование предлагает новый способ измерения основных биологических параметров человека, экспериментальный метод имеет несколько заметных ограничений. Носовая канюля иногда смещалась во время сна участников, что прерывало сбор данных в ночное время.

Кроме того, датчики давления, размещаемые внутри носа, отлично измеряют точное время вдоха, но им не хватает абсолютной точности при расчете общего объема воздуха, поступающего в легкие. Внешний вид устройства также может ограничивать его повседневную полезность, поскольку ношение медицинских трубок на лице очень заметно.

В дальнейшем исследователи планируют расширить применение этой методики тестирования на более широкие группы населения. Поскольку особенности дыхания дают непосредственное представление о работе мозга, исследовательская группа предполагает применять этот подход для изучения различных заболеваний. Мониторинг уникального дыхательного профиля пациента в течение длительного времени в конечном итоге может служить пассивным, неинвазивным инструментом для отслеживания общего состояния неврологического здоровья.