Controllo neurale e chimico della respirazione
La respirazione è un atto motorio automatico e ritmico che viene continuamente aggiustato per soddisfare la ventilazione alla richiesta metabolica. Quest'area tratta di come una rete di neuroni del tronco encefalico generi il ritmo respiratorio e di come tale ritmo sia modulato da sensori chimici che monitorano l'anidride carbonica arteriosa, l'ossigeno e il pH, e dal feedback meccanico e riflesso dai polmoni e dalle vie aeree.
Definition
Il controllo neurale e chimico della respirazione è la regolazione integrata del ritmo e della profondità respiratoria da parte dei circuiti generatori di ritmo del tronco encefalico, insieme al feedback chemocettivo e meccano-sensoriale, che agisce per mantenere i gas del sangue arterioso e il pH entro limiti ristretti.
Scope
L'area orienta il lettore verso i componenti principali del sistema di controllo respiratorio: il generatore centrale di pattern nel tronco encefalico, i chemocettori centrali che rilevano il pH/CO2 del fluido extracellulare cerebrale e del liquido cerebrospinale, i chemocettori periferici che rilevano l'ossigeno e la CO2 arteriosi, il feedback meccano- e propriocettivo dalla parete toracica e dai polmoni, e i riflessi autonomi che proteggono le vie aeree e accoppiano la respirazione alla regolazione cardiovascolare. Si tratta di una panoramica concettuale; i meccanismi che contribuiscono sono dettagliati nelle voci tematiche.
Sub-topics
Core questions
- Dove e come viene generato il ritmo respiratorio?
- Come i chemocettori centrali e periferici rilevano e rispondono alle variazioni di CO2, O2 e pH?
- Come il feedback meccanico dai polmoni e dalla parete toracica modella il pattern respiratorio?
- Come i riflessi protettivi e autonomi vengono integrati con la respirazione automatica?
Key concepts
- Generatore centrale di pattern respiratorio
- Complesso pre-Bötzinger
- Chemocettività centrale
- Chemocettività periferica
- Riflesso di Hering-Breuer
- Ciclo di feedback chemocettivo
- Risposta ventilatoria a CO2 e O2
- Regolazione a feedback negativo dei gas del sangue arterioso
Mechanisms
Il ritmo inspiratorio nasce da una rete di neuroni del tronco encefalico, con il complesso pre-Bötzinger del midollo ventrolaterale identificato come un nucleo per la generazione del ritmo inspiratorio. Questo ritmo è modellato dai circuiti pontomedullari circostanti e continuamente modulato dal feedback. I chemocettori centrali, concentrati nel nucleo retrofagico e in altri siti del tronco encefalico, rilevano aumenti di CO2 e cadute di pH e costituiscono lo stimolo dominante per la respirazione a riposo. I chemocettori periferici nei corpi carotidei rispondono rapidamente all'ipossiemia arteriosa e a CO2/pH, fornendo il braccio ad azione rapida del chemoriflesso. I meccanocettori nei polmoni e i propriocettori nella parete toracica segnalano il volume polmonare e lo sforzo respiratorio, terminando l'inspirazione e stabilizzando il pattern. Insieme, questi segnali vengono integrati nel tronco encefalico come un sistema a feedback negativo che difende le tensioni dei gas arteriosi e il pH.
Clinical relevance
La comprensione del controllo respiratorio è fondamentale per interpretare disturbi della respirazione come l'apnea centrale e ostruttiva del sonno, la respirazione periodica e le conseguenze ventilatore della malattia polmonare cronica. Questa voce descrive la fisiologia e come vengono studiati i meccanismi di controllo; non è una guida alla diagnosi o al trattamento di alcun individuo.
Evidence & guidelines
Il quadro qui riassunto si basa sulla neurofisiologia primaria (ad esempio l'identificazione del complesso pre-Bötzinger) e su revisioni narrative complete e testi di fisiologia che sintetizzano decenni di lavoro su animali e umani. Riflette la comprensione meccanicistica piuttosto che le linee guida sulla pratica clinica.
History
L'idea di un centro respiratorio discreto nel tronco encefalico risale agli studi di resezione e lesione del tronco encefalico del XIX e inizio XX secolo. Il controllo riflesso della respirazione da parte dell'inflazione polmonare fu descritto da Hering e Breuer negli anni '60 del XIX secolo. Il lavoro moderno si è spostato dal concetto di centri fissi verso reti neuronali distribuite e interagenti, cristallizzato dall'identificazione del complesso pre-Bötzinger come nucleo generatore di ritmo nel 1991.
Key figures
- Jack L. Feldman
- Jeffrey C. Smith
- Patrice G. Guyenet
- Eugene Nattie
Related topics
Seminal works
- smith-1991
- feldman-2013
- guyenet-2014
Frequently asked questions
- Cosa guida normalmente lo stimolo a respirare a riposo?
- A riposo, lo stimolo dominante è l'anidride carbonica arteriosa che agisce attraverso i chemocettori centrali che rilevano il pH cerebrale; i chemocettori periferici che rilevano l'ossigeno diventano più importanti quando l'ossigeno arterioso diminuisce.
- La respirazione è puramente automatica?
- Il ritmo di base è automatico e generato nel tronco encefalico, ma viene continuamente aggiustato dal feedback chimico e meccanico e può essere sovrascritto volontariamente e da input comportamentali ed emotivi.