上の図は、呼吸リズムがニューロンから脳全体まで様々なレベルの活動に影響を及ぼす様子を示しています。

上段に示した波形が呼吸（吸息・呼息）のリズムです。

このリズムに同期して、細胞レベルでは単一ニューロンの膜電位が変動し（スパイクと休止状態の繰り返し）、ニューロン集団レベルでは多数の神経細胞の発火タイミングが揃っていきます。

局所回路レベルでは、脳波として観測されるゆっくりした振動（例えばデルタ波）と高速の振動（ガンマ波）が呼吸に合わせて振幅や位相を変化させます。

さらに脳全体のネットワークレベルでは、離れた脳領域同士の活動が呼吸の位相にしたがって同期し、ネットワークのつながり方にもリズミックなパターンが現れることが示されています。

言い換えれば、吸って吐くたびに生じる鼻からの感覚刺激が脳回路に波及し、ニューロン集団を呼吸の周期に同期させつつ、高周波の脳波（ガンマ波など）の振る舞いや神経細胞同士の連携（セルアセンブリの形成）、脳領域間の情報伝達を調整していると考えられるのです。

具体的な実験結果も数多く報告されています。

例えば、ノースウェスタン大学の研究では、てんかん患者の脳内電極記録を用いて人間の大脳辺縁系（扁桃体や海馬など）のニューロン活動が呼吸（特に鼻呼吸）に同期して変動することが示されました。

興味深いことに、この研究では呼吸の位相が人間の認知・感情処理に影響を与えることも明らかになりました。

被験者に恐怖表情か驚き表情の写真を一瞬見せてそれがどちらか判断させるテストでは、鼻から息を吸い込んでいる瞬間の方が、吐いている時よりも恐怖の表情を素早く正確に見分けることができたのです。

また記憶テストでは、吸気時に提示された物体の画像の方が呼気時より思い出しやすいという結果が得られました。

しかし、この効果は口呼吸の場合には消えてしまいました。

「吸う息と吐く息で脳の扁桃体や海馬の活動に劇的な差が生じることが分かりました。