呼吸の神経性および化学的制御
呼吸は、代謝要求に合わせて換気を継続的に調整する、自動的で律動的な運動行為です。この分野では、脳幹ニューロンのネットワークがどのように呼吸リズムを生成し、そのリズムが動脈血の二酸化炭素、酸素、pHを監視する化学センサー、および肺と気道からの機械的および反射的フィードバックによってどのように調整されるかを扱います。
Definition
呼吸の神経性および化学的制御とは、脳幹のリズム生成回路と化学感覚および機械感覚フィードバックが統合的に作用し、動脈血ガスとpHを狭い範囲内に維持するために、呼吸リズムと深さを調節することです。
Scope
この分野は、呼吸制御システムの主要な構成要素、すなわち脳幹の中枢パターン発生器、脳細胞外液および脳脊髄液のpH/CO2を感知する中枢化学受容器、動脈血酸素およびCO2を感知する末梢化学受容器、胸壁および肺からの機械受容器および固有受容性フィードバック、ならびに気道を保護し呼吸を心血管調節と結合させる自律神経反射について読者に概説します。これは概念的な概要であり、寄与するメカニズムはトピックエントリで詳細に説明されています。
Sub-topics
Core questions
- 呼吸リズムはどこで、どのように生成されるのか？
- 中枢および末梢化学受容器は、CO2、O2、pHの変化をどのように感知し、反応するのか？
- 肺と胸壁からの機械的フィードバックは、呼吸パターンをどのように形成するのか？
- 保護反射と自律神経反射は、自動的な呼吸とどのように統合されるのか？
Key concepts
- 呼吸中枢パターン発生器
- pre-Bötzinger複合体
- 中枢化学受容
- 末梢化学受容
- Hering-Breuer反射
- 化学反射フィードバックループ
- CO2およびO2に対する換気応答
- 動脈血ガスの負のフィードバック調節
Mechanisms
吸気リズムは脳幹ニューロンのネットワークから生じ、腹外側延髄のpre-Bötzinger複合体が吸気リズム生成の核として同定されています。このリズムは周囲の橋延髄回路によって形成され、フィードバックによって継続的に変調されます。網様体台形核および他の脳幹部位に集中する中枢化学受容器は、CO2の上昇とpHの低下を検出し、安静時の主要な呼吸駆動を形成します。頸動脈小体にある末梢化学受容器は、動脈低酸素症およびCO2/pHに迅速に反応し、化学反射の速効性のある部分を提供します。肺の機械受容器と胸壁の固有受容器は、肺容量と呼吸努力を報告し、吸気を終了させ、パターンを安定させます。これらの信号は脳幹で統合され、動脈血ガス分圧とpHを防御する負のフィードバックシステムとして機能します。
Clinical relevance
呼吸制御の理解は、中枢性および閉塞性睡眠時無呼吸、周期性呼吸、慢性肺疾患の換気障害などの呼吸障害を解釈するための基礎となります。この項目では生理学と制御メカニズムの研究方法について説明しており、個人の診断や治療のガイドではありません。
Evidence & guidelines
ここに要約されている枠組みは、一次神経生理学（例えばpre-Bötzinger複合体の同定）と、数十年にわたる動物およびヒトの研究を統合した包括的な総説および生理学の教科書に基づいています。これは臨床診療ガイドラインではなく、メカニズムの理解を反映しています。
History
脳幹に独立した呼吸中枢があるという考えは、19世紀から20世紀初頭の脳幹切断および病変の研究に遡ります。肺の膨張による呼吸の反射的制御は、1860年代にHeringとBreuerによって記述されました。現代の研究は、固定された中枢という概念から、分散した相互作用する神経ネットワークへと移行し、1991年にpre-Bötzinger複合体がリズム生成核として同定されたことで具体化されました。
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
- 安静時に呼吸を促す通常の要因は何ですか？
- 安静時には、脳のpHを感知する中枢化学受容器を介して作用する動脈血二酸化炭素が主要な刺激となります。動脈血酸素が低下すると、酸素を感知する末梢化学受容器の重要性が増します。
- 呼吸は完全に自動的なものですか？
- 基本的なリズムは自動的で脳幹で生成されますが、化学的および機械的フィードバックによって継続的に調整され、随意的に、また行動的および感情的な入力によっても上書きされることがあります。