Generierung des Atemmusters

Die Generierung des Atemmusters ist der Prozess, bei dem ein Netzwerk von Neuronen im Hirnstamm das rhythmische, dreiphasige Atemmuster aus Inspiration, Post-Inspiration und Exspiration erzeugt. Eine kleine Region der ventrolateralen Medulla, der prä-Bötzinger-Komplex, wird weithin als Kern für die Erzeugung des inspiratorischen Rhythmus angesehen.

Definition

Die Generierung des Atemmusters ist die Erzeugung des rhythmischen respiratorischen motorischen Musters durch ein verteiltes neuronales Netzwerk des Hirnstamms, wobei der inspiratorische Rhythmus im prä-Bötzinger-Komplex der ventrolateralen Medulla seinen Ursprung hat.

Scope

Dieser Eintrag behandelt, wo der Atemrhythmus generiert wird, die vorgeschlagenen zellulären und Netzwerkmechanismen, die ihn erzeugen, die Phasen des Atemzyklus und wie der Rhythmus durch Neuromodulation geformt wird. Er konzentriert sich auf die Rhythmus- und Mustergenerierung selbst; chemosensorische und Reflexmodulation werden in verwandten Themen behandelt.

Core questions

• Welche Hirnstammneuronen generieren den inspiratorischen Rhythmus?
• Erzeugen Schrittmachereigenschaften, Netzwerkinteraktionen oder beides den Rhythmus?
• Wie werden die inspiratorischen, post-inspiratorischen und exspiratorischen Phasen koordiniert?
• Wie formt Neuromodulation Rhythmus und Muster?

Key concepts

• Prä-Bötzinger-Komplex
• Bötzinger-Komplex
• Inspiratorische, post-inspiratorische und exspiratorische Phasen
• Parafaziale respiratorische Gruppe
• Schrittmacherneuronen
• Netzwerk-Rhythmogenese
• Neuromodulation des Rhythmus

Key theories

Prä-Bötzinger-Komplex als rhythmusgenerierender Kern

Eine diskrete Population von Neuronen in der ventrolateralen Medulla, der prä-Bötzinger-Komplex, ist in reduzierten Präparaten notwendig und ausreichend, um den inspiratorischen Rhythmus zu generieren, was einen lokalisierten Kern für die Rhythmogenese innerhalb eines größeren Netzwerks unterstützt.

Hybride Schrittmacher-Netzwerk-Rhythmogenese

Es wird angenommen, dass der Rhythmus aus dem Zusammenspiel intrinsischer Burst-Eigenschaften (schrittmacherähnlich) einiger Neuronen und rekurrenten exzitatorischen und inhibitorischen synaptischen Interaktionen im gesamten Netzwerk entsteht, anstatt aus einem der Mechanismen allein.

Mechanisms

Der inspiratorische Rhythmus wird primär im prä-Bötzinger-Komplex generiert, wo Neuronen mit konditionalen Burst-Eigenschaften über rekurrente exzitatorische Synapsen interagieren, um synchronisierte inspiratorische Bursts zu erzeugen. Umgebende Regionen tragen zum Muster bei: Der Bötzinger-Komplex liefert exspiratorische Hemmung, die parafaziale respiratorische Gruppe ist an der aktiven Exspiration beteiligt, und pontine Schaltkreise formen Phasenübergänge. Das Ergebnis ist ein dreiphasiger Zyklus aus Inspiration, Post-Inspiration und aktiver oder passiver Exspiration. Neuromodulatoren wie Serotonin, Noradrenalin und Substanz P passen die Erregbarkeit und Burst-Wahrscheinlichkeit an und verknüpfen die Rhythmusgenerierung mit dem Verhaltens- und chemischen Zustand. Das aktuelle Verständnis favorisiert den Rhythmus als emergente Eigenschaft intrinsischer zellulärer Dynamiken in Kombination mit der Netzwerkkonnektivität.

Clinical relevance

Störungen der rhythmusgenerierenden Schaltkreise sind bei Erkrankungen wie zentraler Schlafapnoe, kongenitaler zentraler Hypoventilation und abnormaler Atmung bei einigen neurologischen Erkrankungen impliziert. Dieser Eintrag beschreibt Mechanismen und deren Untersuchung und bietet keine diagnostische oder therapeutische Anleitung.

Evidence & guidelines

Evidenz stammt hauptsächlich aus In-vitro- und In-situ-Nagetiermodellen, Läsions- und optogenetischen Studien sowie synthetisierenden Übersichten. Dies sind mechanistische Befunde und keine klinischen Leitlinien, und mehrere Fragen zum präzisen rhythmusgenerierenden Mechanismus bleiben offen.

History

Frühe Arbeiten lokalisierten die respiratorische Funktion im Hirnstamm durch Durchtrennungsexperimente und das Konzept distinkter respiratorischer Zentren. Das Feld verlagerte sich 1991 entscheidend mit der Identifizierung des prä-Bötzinger-Komplexes als Kandidat für einen inspiratorischen Rhythmusgenerator, wonach sich die Forschung auf die zelluläre und Netzwerkbasis der Rhythmogenese und auf die zusätzlichen Schaltkreise konzentrierte, die für exspiratorische und post-inspiratorische Aktivität verantwortlich sind.

Debates

Schrittmacher- versus Netzwerkursprung des Rhythmus

Es wurde diskutiert, ob der Atemrhythmus von intrinsisch burstenden Schrittmacherneuronen abhängt oder aus synaptischen Netzwerkinteraktionen entsteht; aktuelle Ansichten betonen einen Hybridansatz, bei dem beide beitragen.

Key figures

• Jack L. Feldman
• Jeffrey C. Smith
• Diethelm W. Richter
• Christopher A. Del Negro

Seminal works

• smith-1991
• feldman-2013

Frequently asked questions

Wo im Gehirn wird der Atemrhythmus generiert?

Der inspiratorische Rhythmus wird hauptsächlich im prä-Bötzinger-Komplex, einer kleinen Region der ventrolateralen Medulla, generiert, der innerhalb eines größeren Hirnstammsnetzwerks arbeitet, das das gesamte Atemmuster formt.

Treibt eine einzelne Schrittmacherzelle die Atmung an?

Nein. Obwohl einige Neuronen intrinsische Burst-Eigenschaften aufweisen, wird der Rhythmus im Allgemeinen als Ergebnis einer Population von Neuronen verstanden, die über synaptische Verbindungen interagieren, und nicht als Ergebnis einer einzelnen Zelle.