Das Atemmuster eines Menschen ist so individuell wie seine Stimme oder sein Fingerabdruck. Israelische Forscher konnten daher Probanden mit einer Treffsicherheit von fast 97 Prozent anhand ihres Atems identifizieren und dabei auch Erkenntnisse über deren gesundheitlich-psychisches Befinden gewinnen.
Jeder Mensch macht es rund 20.000 Mal pro Tag völlig unbewusst, in der Regel zwölf bis 20 Mal pro Minute. Die Rede ist vom Atmen, einem hochkomplexen Prozess, der vom im unteren Hirnstamm ansässigen Atemzentrum – einem nicht scharf abgrenzbaren und zum autonomen Nervensystem gehörenden Zellverband des Zentralnervensystems – gleichsam automatisch gesteuert wird. Wobei gerade die Nasenatmung als besonders stark mit Hirnaktivitäten verknüpft gilt. In der Arbeitsgruppe Geruchssinn des in Rechovot südlich von Tel Aviv beheimateten Weizmann Institute for Science beschäftigen sich Forscher vor allem mit den neurobiologischen Mechanismen, die dem Geruchssinn zugrunde liegen, der sogenannten olfaktorischen Verarbeitung, wobei sie ganz gezielt nach Antworten auf die Frage suchen, wie sich diese spezielle Sinneswahrnehmung auf die Gesundheit und das Verhalten des Menschen auswirkt. Beim Menschen wie generell bei Säugetieren verarbeitet das Gehirn während des Einatmens jede Menge Geruchsinformationen. Diese besondere Verknüpfung zwischen Atmung und Gehirn war schließlich auch der Anstoß für eine spektakuläre Studie mit dem Titel „Menschen haben individuelle Nasenluftstrom-Fingerabdrücke“, die jüngst im Fachjournal „Current Biology“ unter Federführung des Neurobiologen Prof. Noam Sobel und mit der Doktorandin der Biologischen Fakultät Timna Soroka als Hauptautorin veröffentlicht wurde. Ausgangspunkt der Untersuchung war dabei die Hypothese: Da jedes menschliche Gehirn einzigartig ist, müssten auch die davon abhängigen Atmungsmuster ähnlich einzigartig sein. Wodurch das Atemmuster zu einem neuen biometrischen Identifikations-Merkmal vergleichbar dem Fingerabdruck aufsteigen könnte.
Überprüfung der Lungenfunktion
Das Atemmuster eines Individuums als einzigartiges Erkennungsmerkmal oder als persönliche Signatur zu verwenden, wurde bereits seit Jahrzehnten in der Atemwegsforschung diskutiert. Allerdings war es bislang noch niemandem gelungen, die praktischen Voraussetzungen für die Ermittlung aussagekräftiger Atemmuster zu etablieren. Die üblichen Atemtests konzentrieren sich im Wesentlichen auf die Überprüfung der Lungenfunktion, wobei diese nur wenige Minuten dauernden Schnappschüsse keine ausreichende Basis für die Erstellung von subtilen Atmungsmustern liefern können. Im Unterschied zu anderen Vitalfunktionen wie Puls oder Blutdruck lagen für das Atmen bislang noch keine aussagekräftigen Langzeit-Messungen vor. „Man sollte eigentlich meinen, dass die Atmung schon in jeder erdenklichen Weise gemessen und ausgewertet wurde. Aber wir sind auf einen neuen Ansatz gestoßen, um auf die Atmung zu schauen. Wir betrachten sie als eine Art Gehirnanalyse“, so Prof. Noam Sobel.
Wobei das Team ein neues, tragbares und leichtes Messgerät mit weichen Schläuchen für das Einführen in die beiden Nasenlöcher sowie zusätzlich einem Bewegungssensor entwickelt hatte. Timna Sorokoa zufolge „haben wir eine Methode entwickelt, um die Atmung zu untersuchen – nicht über kurze Zeiträume, sondern als langfristige Zeitreihe“. Als Probanden konnten die Forscher 100 gesunde junge Erwachsene gewinnen, wobei für die Studie letztlich nur die Daten von 97 Personen verwendet wurden. Das Besondere bei der Versuchsanordnung bestand darin, dass das Atemverhalten der Probanden erstmals über volle 24 Stunden hinweg kontinuierlich erfasst werden konnte, nicht etwa im Labor, sondern im ganz normalen Alltagsleben. Wobei die Luftströmung vom Messgerät für jedes Nasenloch getrennt im Wachzustand als auch im Schlaf analysiert werden konnte. In den so ermittelten Langzeitdaten suchten die Forscher anschließend mithilfe von KI nach Mustern in der Atmung und zogen Vergleiche zwischen den Werten der Testpersonen, wobei insgesamt 20 Parameter berücksichtigt wurden, beispielsweise die Dauer von Ein- und Ausatmung, das Luftvolumen von Ein- und Ausatmung oder die Regelmäßigkeit von Atempausen.
Das Ergebnis des Experiments war mehr als zufriedenstellend, denn die Atmung jedes Probanden blieb über längere Zeit hinweg höchst individuell stabil und präsentierte sich dabei so einzigartig wie ein Fingerabdruck. „Wir hatten eigentlich erwartet, dass es schwierig sein würde, jemanden auf diese Weise zu identifizieren, weil jeder andere Dinge tut, wie Laufen, Lernen oder Ausruhen. Aber es stellte sich heraus, dass die Atemmuster bemerkenswert individuell waren“, so Timna Soroka. Von daher konnte das Team allein auf Basis der Atemmuster beziehungsweise der persönlichen sogenannten Nasen-Luftstrom-Fingerabdrücke die Testpersonen mit einer Genauigkeit von 96,8 Prozent identifizieren. Womit die biometrische Personenerkennung per Atemtest laut den Forschern als ähnlich präzise einzuschätzen sei wie die Techniken zur individuellen Spracherkennung. Zudem konnten die Wissenschaftler dank Experiment-Wiederholungen über einen Zeitraum von bis zu zwei Jahren aufzeigen, dass die subtilen Unterschiede in der nasalen Atmung auch langfristig Bestand hatten. „Einige Probanden kamen nach ein oder zwei Wochen zurück, aber wir hatten auch jemanden, der nach 23 Monaten, also nach fast zwei Jahren, zurückkam. Und wir konnten die Personen immer noch mit derselben Genauigkeit identifizieren“, so Prof. Noam Sobel.
Auch wenn das Atemmuster daher fraglos ein neues biometrisches Erkennungsmerkmal darstellt, ist an eine alltagstaugliche Verwendung als Alternative zu Gesichtsscan oder Fingerabdruck bei der Kriminellen-Fahndung noch nicht zu denken. Auch wenn die Forscher das für die Zukunft nicht ausschließen möchten. „Die Genauigkeit ist zwar hoch, aber die praktische Anwendung im täglichen Leben, wie etwa bei Sicherheitskontrollen an Flughäfen, ist noch nicht realisierbar“, so Prof. Noam Sobel. Allein schon deshalb, weil laut den Wissenschaftlern die von ihnen entwickelte Methode eine Atem-Langzeitbeobachtung von wenigstens neun Stunden erfordert, um zuverlässige Ergebnisse erzielen zu können.
Mindestens ebenso spannend wie eine etwaige künftige Verwendung des Atemmusters in der Biometrie sind aber jetzt schon die von den israelischen Forschern gewonnenen Erkenntnisse, die den Fingerabdruck der Atmung zu einem wirksamen Instrument bezüglich Diagnose und womöglich sogar Therapie körperlichen und geistiger Leiden machen könnten. Das Team konnte bei der Datenauswertung einen Zusammenhang zwischen dem sogenannten respiratorischen Fingerabdruck und verschiedenen Gesundheitsmarkern der Testpersonen feststellen, beispielsweise dem Body-Mass-Index, dem Schlaf-Wach-Zyklus oder etwaigen Depressionen und Angstzuständen, wofür dem Team von den Probanden vorab ausgefüllte Fragebögen zu ihrer psychischen Gesundheit als Vergleichsmaterial zur Verfügung gestanden hatten.
Die Forscher kamen zu dem Ergebnis, dass Atemmuster offenbar nicht nur die Aktivität des vegetativen Nervensystems reflektieren, welches unwillkürliche Körperfunktionen wie Atmung, Herzschlag oder Verdauung reguliert, sondern auch bestimmte psychologische Merkmale. „Atemmuster wurden mit verschiedenen Aspekten der Kognition und Emotion in Verbindung gebracht“, so die israelischen Wissenschaftler. So stünden bestimmte Atemmuster mit erhöhten Werten für Depression und Ängste im Zusammenhang. Was sich darin manifestierte, dass Probanden, die in den Fragebögen vergleichsweise starke Anzeichen von Angst offenbart hatten, während des Schlafs kürzere Einatmungen hatten und die Pausen zwischen den Atemzügen deutlich stärker schwankten. „Der beste Indikator dafür, dass eine Person oft Angstzustände hat, ist, wie unterschiedlich lange ihre Pausen vor dem Einatmen sind. Menschen, die eine hohe Variabilität in ihrer Einatmungspause haben, leiden auch eher unter Angstzuständen“, so Prof. Noam Sobel. Auch der Body-Mass-Index ließ sich aus bestimmten Atemmustern zuverlässig ableiten. Dabei war vor allem der sogenannte Nasenzyklus aufschlussreich, also die abwechselnde Dominanz der linken und rechten Nasenseite beim Atmen – ein vom Gehirn gesteuerter Prozess, der als besonders sensible Schnittstelle zwischen Atem und neuronaler Aktivität gilt.
Was die Wissenschaftler zur Schlussfolgerung führte, dass durch eine langfristige Überwachung des nasalen Luftstroms das körperliche und geistige Wohlbefinden eines Menschen überprüft werden könnte. „Wir kommen zu dem Schluss, dass langfristige Muster des Nasenluftstroms die Treiber der Atmung im Gehirn widerspiegeln, da sie individuell einzigartig sind und erhebliche Auswirkungen auf Gesundheit, Emotion und Wahrnehmung haben“, so das Team.
Diagnostisches Werkzeug?
Zudem wurde die These aufgestellt, dass möglicherweise das Atmen nicht nur passiv durch körperliche oder seelische Zustände beeinflusst werden kann, sondern der Vorgang auch umgekehrt verlaufen könnte. „Sind wir depressiv und atmen deshalb anders – oder atmen wir auf eine bestimmte Weise, die uns depressiv fühlen lässt?“, so Timna Soroka. „Wir gehen intuitiv davon aus, dass Depressionen oder Ängste die Art und Weise verändern, wir wir atmen. Aber es könnte auch umgekehrt sein. Vielleicht macht uns die Art und Weise, wir wir atmen, ängstlich oder depressiv“, so Prof. Noam Sobel. „Wenn das stimmt, könnten wir vielleicht die Art und Weise, wie man atmet, verändern, um diese Zustände zu verändern.“
Sollte ein solcher Zusammenhang in künftigen Studien bestätigt werden können, könnten Atemmuster als diagnostisches Werkzeug für die physische und psychische Gesundheit genutzt werden. Zudem böten sich laut den Forschern nach einem langfristigen Atem-Monitoring erfolgversprechende Ansatzpunkte für Interventionen oder eine Therapie verschiedenster Erkrankungen, beispielsweise durch gezielte Atemübungen oder Biofeedback-Methoden. Die israelischen Wissenschaftler haben diesbezüglich schon eine Folgestudie in Angriff genommen, wobei sie untersuchen möchten, ob Menschen gesunde Atemmuster nachahmen können, um dadurch ihren mentalen und emotionalen Zustand verbessern zu können. Ob sich also durch Änderungen der Atmungsgewohnheiten positive Auswirkungen auf den Gesundheitszustand erzielen lassen.
Schon 2024 hatte das Team mit einer Studie für Aufsehen gesorgt, weil darin auf Basis der Atemkontrolle eine mögliche Frühdiagnose der Parkinson-Krankheit aufgezeigt werden konnte. Die Wissenschaftler konnten dokumentieren, dass die nasalen Inhalationen bei Parkinson-Patienten länger und weniger variabel waren als bei gesunden Personen. Dieser Unterschied ermöglichte es ihnen, die meisten Parkinson-Patienten und den Schweregrad ihrer Erkrankung genau zu bestimmen.
Abschließend räumen die israelischen Wissenschaftler ein, dass sie mit ihren technischen Möglichkeiten zur Gewinnung des individuellen Atemmusters noch ganz am Anfang stehen. Das betrifft vor allem auch das Messgerät, weil dieses noch viel zu auffällig ist, um es im Alltag mit sich herum zu tragen, und zudem während des Schlafs leicht verrutschen kann. Auch kann mit ihm bislang nur die Nasenatmung und noch nicht die Mundatmung erfasst werden. Das Team arbeitet daher schon daran, eine diskretere und bequemere Variante des Geräts inklusive Mundatmungsmessung für den täglichen Gebrauch zu entwickeln – um so noch mehr Erkenntnisse über die Zusammenhänge zwischen dem Gehirn, der Atmung und der Gesundheit gewinnen zu können.
„Wir können lernen, wie bestimmte Atemmuster verschiedene Krankheiten vorhersagen können. Aber natürlich werden wir in Zukunft untersuchen, ob wir Krankheiten auch durch die Veränderung von Atemmustern behandeln können“, so das Team.