تولید الگوی تنفسی

تولید الگوی تنفسی فرآیندی است که طی آن شبکه‌ای از نورون‌های ساقه مغز، الگوی حرکتی ریتمیک و سه‌فازی تنفس شامل دم، پسادَم و بازدم را تولید می‌کند. ناحیه کوچکی از بصل‌النخاع شکمی-جانبی، یعنی کمپلکس پیش‌بوتزینگر (pre-Bötzinger complex)، به طور گسترده‌ای به عنوان هسته اصلی تولید ریتم دمی شناخته می‌شود.

Definition

تولید الگوی تنفسی عبارت است از تولید الگوی حرکتی ریتمیک تنفسی توسط یک شبکه نورونی توزیع‌شده در ساقه مغز، که ریتم دمی آن از کمپلکس پیش‌بوتزینگر در بصل‌النخاع شکمی-جانبی منشأ می‌گیرد.

Scope

این مدخل به محل تولید ریتم تنفسی، مکانیسم‌های سلولی و شبکه‌ای پیشنهادی برای تولید آن، فازهای چرخه تنفسی، و چگونگی شکل‌گیری ریتم توسط تعدیل عصبی می‌پردازد. تمرکز آن بر خود تولید ریتم و الگو است؛ تعدیل شیمیایی-حسی و رفلکسی در موضوعات مرتبط دیگر پوشش داده شده‌اند.

Core questions

• کدام نورون‌های ساقه مغز ریتم دمی را تولید می‌کنند؟
• آیا ویژگی‌های ضربان‌ساز (pacemaker properties)، تعاملات شبکه، یا هر دو ریتم را تولید می‌کنند؟
• فازهای دمی، پسادمی و بازدمی چگونه هماهنگ می‌شوند؟
• تعدیل عصبی چگونه ریتم و الگو را شکل می‌دهد؟

Key concepts

• کمپلکس پیش‌بوتزینگر
• کمپلکس بوتزینگر
• فازهای دمی، پسادمی و بازدمی
• گروه تنفسی پارافاسیال
• نورون‌های ضربان‌ساز
• ریتم‌زایی شبکه‌ای
• تعدیل عصبی ریتم

Key theories

کمپلکس پیش‌بوتزینگر به عنوان هسته ریتم‌زا

جمعیت مجزایی از نورون‌ها در بصل‌النخاع شکمی-جانبی، یعنی کمپلکس پیش‌بوتزینگر، در آماده‌سازی‌های کاهش‌یافته (reduced preparations) برای تولید ریتم دمی ضروری و کافی است، که از یک هسته محلی برای ریتم‌زایی که در یک شبکه بزرگتر تعبیه شده است، حمایت می‌کند.

ریتم‌زایی هیبریدی ضربان‌ساز-شبکه‌ای

پیشنهاد می‌شود که ریتم از تعامل ویژگی‌های انفجاری ذاتی (شبیه ضربان‌ساز) برخی نورون‌ها و تعاملات سیناپسی تحریکی و مهاری بازگشتی در سراسر شبکه، و نه از هر یک از این مکانیسم‌ها به تنهایی، پدید می‌آید.

Mechanisms

ریتم دمی عمدتاً در کمپلکس پیش‌بوتزینگر تولید می‌شود، جایی که نورون‌هایی با ویژگی‌های انفجاری مشروط (conditional bursting properties) از طریق سیناپس‌های تحریکی بازگشتی (recurrent excitatory synapses) با یکدیگر تعامل می‌کنند تا انفجارهای دمی همزمان (synchronized inspiratory bursts) را تولید کنند. نواحی اطراف نیز در شکل‌گیری الگو نقش دارند: کمپلکس بوتزینگر (Bötzinger complex) مهار بازدمی را فراهم می‌کند، گروه تنفسی پارافاسیال (parafacial respiratory group) در بازدم فعال نقش دارد، و مدارهای پلی (pontine circuits) گذارهای فازی را شکل می‌دهند. خروجی یک چرخه سه‌فازی شامل دم، پسادَم و بازدم فعال یا غیرفعال است. تعدیل‌کننده‌های عصبی (neuromodulators) از جمله سروتونین، نورآدرنالین و ماده P، تحریک‌پذیری و احتمال انفجار را تنظیم می‌کنند و بدین ترتیب تولید ریتم را به وضعیت رفتاری و شیمیایی مرتبط می‌سازند. درک کنونی، ریتم را به عنوان یک ویژگی نوظهور (emergent property) از دینامیک‌های سلولی ذاتی همراه با اتصال‌پذیری شبکه می‌داند.

Clinical relevance

اختلال در مدارهای تولیدکننده ریتم در اختلالاتی مانند آپنه خواب مرکزی، هیپوونتیلاسیون مرکزی مادرزادی، و تنفس غیرطبیعی در برخی بیماری‌های عصبی نقش دارد. این مدخل مکانیسم‌ها و نحوه مطالعه آن‌ها را توصیف می‌کند و راهنمایی تشخیصی یا درمانی ارائه نمی‌دهد.

Evidence & guidelines

شواهد عمدتاً از آماده‌سازی‌های آزمایشگاهی (in vitro) و درجا (in situ) جوندگان، مطالعات ضایعه‌ای و اپتوژنتیک، و بررسی‌های ترکیبی (synthesizing reviews) به دست می‌آید. این‌ها یافته‌های مکانیکی هستند تا دستورالعمل‌های بالینی، و چندین سوال در مورد مکانیسم دقیق ریتم‌زایی همچنان باز است.

History

کارهای اولیه، عملکرد تنفسی را از طریق آزمایش‌های برش (transection experiments) و مفهوم مراکز تنفسی متمایز، در ساقه مغز محلی‌سازی کردند. این حوزه در سال 1991 با شناسایی کمپلکس پیش‌بوتزینگر به عنوان یک کاندید برای ژنراتور ریتم دمی، به طور قاطع تغییر کرد، و پس از آن تحقیقات بر اساس سلولی و شبکه‌ای ریتم‌زایی و بر مدارهای اضافی مسئول فعالیت بازدمی و پسادمی متمرکز شد.

Debates

منشأ ضربان‌ساز در مقابل منشأ شبکه‌ای ریتم

اینکه آیا ریتم تنفسی به نورون‌های ضربان‌ساز با انفجار ذاتی وابسته است یا از تعاملات سیناپسی شبکه پدید می‌آید، مورد بحث بوده است؛ دیدگاه‌های کنونی بر یک مدل هیبریدی تأکید دارند که در آن هر دو نقش دارند.

Key figures

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

Seminal works

• smith-1991
• feldman-2013

Frequently asked questions

ریتم تنفس در کجای مغز تولید می‌شود؟

ریتم دمی عمدتاً در کمپلکس پیش‌بوتزینگر، ناحیه کوچکی از بصل‌النخاع شکمی-جانبی، در چارچوب یک شبکه بزرگتر ساقه مغز که الگوی کامل تنفس را شکل می‌دهد، تولید می‌شود.

آیا یک سلول ضربان‌ساز واحد، تنفس را هدایت می‌کند؟

خیر. اگرچه برخی نورون‌ها ویژگی‌های انفجاری ذاتی دارند، اما به طور کلی ریتم از تعامل جمعیتی از نورون‌ها از طریق اتصالات سیناپسی پدید می‌آید، نه از یک سلول واحد.