व्यायाम के दौरान श्वसन एकीकरण

व्यायाम के दौरान श्वसन एकीकरण इस बात से संबंधित है कि जब मांसपेशियां काम करती हैं तो चयापचय की मांग में तीव्र वृद्धि को पूरा करने के लिए फेफड़े, श्वास नियंत्रण और रक्त गैस परिवहन एक साथ कैसे समायोजित होते हैं। जैसे-जैसे ऑक्सीजन की खपत और कार्बन डाइऑक्साइड का उत्पादन बढ़ता है, वेंटिलेशन, फुफ्फुसीय गैस विनिमय, अम्ल-क्षार विनियमन और ऑक्सीजन वितरण का समन्वय किया जाता है ताकि धमनी रक्त गैसें और पीएच (pH) कार्य दरों की एक विस्तृत श्रृंखला में उल्लेखनीय रूप से स्थिर रहें। यह क्षेत्र पाठक को किसी एक अंग के अलगाव के बजाय उस एकीकृत श्वसन प्रतिक्रिया से परिचित कराता है।

Definition

व्यायाम के दौरान श्वसन एकीकरण फुफ्फुसीय वेंटिलेशन, वायुकोशीय-केशिका गैस विनिमय, अम्ल-क्षार संतुलन और रक्त ऑक्सीजन परिवहन का समन्वित समायोजन है जो शारीरिक कार्य की बढ़ी हुई ऑक्सीजन मांग और कार्बन डाइऑक्साइड उत्पादन के साथ श्वसन क्रिया का मिलान करता है।

Scope

यह क्षेत्र गतिशील व्यायाम के लिए प्रमुख श्वसन समायोजन का सर्वेक्षण करता है: फुफ्फुसीय वेंटिलेशन में वृद्धि और इसका तंत्रिका और हास्य नियंत्रण (व्यायाम हाइपरपनिया), उच्च प्रवाह के तहत वायुकोशीय-केशिका झिल्ली (alveolar-capillary membrane) में गैस विनिमय और प्रसार, भारी व्यायाम के चयापचय अम्लरक्तता (metabolic acidosis) के लिए श्वसन क्षतिपूर्ति, और फेफड़ों से काम करने वाली मांसपेशियों तक ऑक्सीजन का परिवहन जिसमें धमनी-शिरापरक ऑक्सीजन अंतर (arterio-venous oxygen difference) का चौड़ा होना शामिल है। यह इन्हें संदर्भ और शिक्षा के लिए एकीकृत शरीर विज्ञान विषयों के रूप में मानता है, न कि नैदानिक मूल्यांकन या प्रशिक्षण निर्धारण के रूप में।

Sub-topics

• अम्ल-क्षार संतुलन और श्वसन क्षतिपूर्ति
• व्यायाम के दौरान गैस विनिमय और विसरण
• ऑक्सीजन परिवहन और धमनी-शिरापरक अंतर
• वेंटिलेटरी नियंत्रण और व्यायाम हाइपरपनिया

Core questions

• मध्यम व्यायाम के दौरान धमनी CO2 और पीएच (pH) को आराम के मूल्यों के करीब रखने के लिए वेंटिलेशन को चयापचय दर से कैसे मिलाया जाता है?
• जब कार्डियक आउटपुट, फुफ्फुसीय रक्त प्रवाह और लाल-कोशिका पारगमन गति तेजी से बढ़ती है तो फेफड़ा धमनी ऑक्सीजन को कैसे संरक्षित रखता है?
• भारी व्यायाम के दौरान विकसित होने वाली चयापचय अम्लरक्तता के लिए श्वसन प्रणाली कैसे क्षतिपूर्ति करती है?
• उच्चतम कार्य दरों पर ऑक्सीजन की डिलीवरी और निष्कर्षण को क्या सीमित करता है?

Key concepts

• व्यायाम हाइपरपनिया
• वेंटिलेशन-परफ्यूजन मिलान
• वायुकोशीय-केशिका प्रसार
• चयापचय अम्लरक्तता के लिए श्वसन क्षतिपूर्ति
• ऑक्सीजन परिवहन कैस्केड
• धमनी-शिरापरक ऑक्सीजन अंतर
• अधिकतम ऑक्सीजन ग्रहण (VO2max)

Mechanisms

व्यायाम की शुरुआत में वेंटिलेशन लगभग तुरंत बढ़ता है और फिर धीरे-धीरे बढ़ता है, जो मोटर कमांड और लोकोमोटर क्षेत्रों से केंद्रीय फीड-फॉरवर्ड संकेतों और मांसपेशियों के अभिवाही (afferents) और कीमोरेसेप्टर्स (chemoreceptors) से प्रतिक्रिया के संयोजन से प्रेरित होता है, ताकि वायुकोशीय वेंटिलेशन कार्बन डाइऑक्साइड उत्पादन को ट्रैक करे और मध्यम कार्य के दौरान धमनी CO2 को आराम के स्तर के करीब रखा जाए (फॉरस्टर 2012)। फुफ्फुसीय रक्त प्रवाह और वेंटिलेशन दोनों बढ़ते हैं और अधिक समान रूप से वितरित होते हैं, और वायुकोशीय-केशिका झिल्ली को कम लाल-कोशिका पारगमन समय के बावजूद ऑक्सीजन को तेजी से स्थानांतरित करना चाहिए; अधिकांश स्वस्थ लोगों में धमनी ऑक्सीजन अच्छी तरह से संरक्षित रहती है, हालांकि प्रसार सीमा और वेंटिलेशन-परफ्यूजन बेमेल बहुत उच्च तीव्रता पर वायुकोशीय-धमनी ऑक्सीजन अंतर को बढ़ा सकता है (डेम्पसे 1999)। जैसे-जैसे काम भारी होता जाता है और लैक्टेट जमा होता है, परिणामी चयापचय अम्लरक्तता को बफर किया जाता है और एक अतिरिक्त वेंटिलेटरी ड्राइव द्वारा पूरा किया जाता है जो धमनी CO2 को कम करता है, एक श्वसन क्षतिपूर्ति जो रक्त पीएच (pH) में गिरावट को सीमित करती है। पूरे समय, ऑक्सीजन को वायुकोशिका से माइटोकॉन्ड्रिया तक एक परिवहन कैस्केड (transport cascade) के साथ ले जाया जाता है जिसमें बढ़ता कार्डियक आउटपुट और बढ़ती ऑक्सीजन निष्कर्षण (एक चौड़ा धमनी-शिरापरक ऑक्सीजन अंतर) संयुक्त रूप से ऑक्सीजन ग्रहण को उसके अधिकतम तक बढ़ाते हैं (वैगनर 1996)।

Clinical relevance

व्यायाम के लिए एकीकृत श्वसन प्रतिक्रिया को समझना कार्डियोपल्मोनरी व्यायाम परीक्षण की व्याख्या का आधार है और यह समझने में मदद करता है कि श्वसन और हृदय रोग व्यायाम सहनशीलता को क्यों कम करते हैं। इसे यहां स्वस्थ प्रणाली कैसे व्यवहार करती है और व्यायाम शरीर विज्ञान के बारे में कैसे तर्क दिया जाता है, इसके लिए संदर्भ पृष्ठभूमि के रूप में प्रस्तुत किया गया है, और यह व्यक्तिगत निदान, फिटनेस निर्धारण या उपचार का आधार नहीं है।

Evidence & guidelines

एकीकृत चित्र व्यायाम के दौरान वेंटिलेशन, गैस विनिमय और ऑक्सीजन परिवहन के दशकों के मानव और तुलनात्मक शरीर विज्ञान अध्ययनों पर आधारित है, जिसे समीक्षा लेखों और मानक श्वसन और व्यायाम शरीर विज्ञान पाठ्यपुस्तकों (फॉरस्टर 2012; वैगनर 1996; वेस्ट पाठ्यपुस्तक) में संश्लेषित किया गया है। साक्ष्य का निकाय बड़े पैमाने पर यांत्रिक और अवलोकन संबंधी है, न कि नैदानिक परीक्षणों से प्राप्त, और नीचे दिए गए विषय प्रविष्टियां अधिक विशिष्ट प्राथमिक और समीक्षा स्रोतों का हवाला देती हैं।

History

व्यायाम श्वसन की आधुनिक समझ बीसवीं सदी के शुरुआती काम से ऑक्सीजन ग्रहण और व्यायाम की ऑक्सीजन लागत पर विकसित हुई, जिसके बाद मध्य-सदी के अध्ययनों ने गैस-विनिमय सीमा और श्वास के नियंत्रण को परिभाषित किया, और बाद में भारी व्यायाम में ऑक्सीजन परिवहन मार्ग और फुफ्फुसीय गैस विनिमय की सीमाओं के एकीकृत विश्लेषण (वासरमैन; डेम्पसे 1999; वैगनर 1996)।

Debates

व्यायाम हाइपरपनिया में वेंटिलेशन और चयापचय के सटीक मिलान को क्या प्रेरित करता है?

क्या वेंटिलेशन का कार्बन डाइऑक्साइड उत्पादन के साथ घनिष्ठ संबंध मुख्य रूप से केंद्रीय फीड-फॉरवर्ड कमांड द्वारा, मांसपेशियों और कीमोरेसेप्टर्स से प्रतिक्रिया द्वारा, या दोनों के एक सीखे हुए संयोजन द्वारा नियंत्रित होता है, यह श्वसन नियंत्रण में एक अनसुलझा प्रश्न बना हुआ है।

Key figures

• Jerome A. Dempsey
• Peter D. Wagner
• Hubert V. Forster
• Karlman Wasserman
• Brian J. Whipp

Seminal works

• forster-2012
• wagner-1996
• dempsey-1999

Frequently asked questions

रक्त गैसों के बदलने से पहले भी व्यायाम के दौरान श्वास क्यों बढ़ जाती है?

मोटर कमांड और अंग आंदोलन से जुड़े फीड-फॉरवर्ड संकेतों के माध्यम से व्यायाम की शुरुआत में वेंटिलेशन बढ़ जाता है, और फिर प्रतिक्रिया द्वारा इसे ठीक किया जाता है ताकि यह कार्बन डाइऑक्साइड उत्पादन को ट्रैक करे और धमनी रक्त गैसों को स्थिर रखे।

क्या फेफड़ा स्वस्थ लोगों में व्यायाम प्रदर्शन को सीमित करता है?

अधिकांश स्वस्थ व्यक्तियों में श्वसन प्रणाली धमनी ऑक्सीजन को अच्छी तरह से संरक्षित रखती है, और ऑक्सीजन वितरण आमतौर पर फेफड़े की तुलना में कार्डियक आउटपुट और मांसपेशियों के ऑक्सीजन निष्कर्षण द्वारा अधिक सीमित होता है; हालांकि, बहुत उच्च तीव्रता पर कुछ एथलीट मापने योग्य गैस-विनिमय सीमा विकसित कर सकते हैं।