Neuronalne i chemiczne sterowanie oddychania
Oddychanie jest automatycznym, rytmicznym aktem ruchowym, który jest stale dostosowywany, aby sprostać zapotrzebowaniu metabolicznemu przez wentylację. Ten obszar opisuje, jak sieć neuronów pnia mózgu generuje rytm oddechowy i jak ten rytm jest dostrajany przez czujniki chemiczne monitorujące dwutlenek węgla, tlen i pH we krwi tętniczej, a także przez sprzężenie zwrotne mechaniczne i odruchowe z płuc i dróg oddechowych.
Definition
Neuronalne i chemiczne sterowanie oddychania to zintegrowana regulacja rytmu i głębokości oddechu przez obwody generujące rytm w pniu mózgu wraz ze sprzężeniem zwrotnym od chemoreceptorów i mechanoreceptorów, działające w celu utrzymania gazów we krwi tętniczej i pH w wąskich granicach.
Scope
Obszar ten zapoznaje czytelnika z głównymi elementami układu kontroli oddechowej: centralnym generatorem wzorców w pniu mózgu, centralnymi chemoreceptorami wyczuwającymi pH/CO2 w płynie zewnątrzkomórkowym mózgu i płynie mózgowo-rdzeniowym, obwodowymi chemoreceptorami wyczuwającymi tlen i CO2 we krwi tętniczej, sprzężeniem zwrotnym od mechanoreceptorów i proprioreceptorów ze ściany klatki piersiowej i płuc oraz odruchami autonomicznymi chroniącymi drogi oddechowe i sprzęgającymi oddychanie z regulacją sercowo-naczyniową. Jest to przegląd koncepcyjny; szczegółowe mechanizmy są opisane w poszczególnych hasłach tematycznych.
Sub-topics
Core questions
- Gdzie i jak generowany jest rytm oddechowy?
- Jak centralne i obwodowe chemoreceptory wyczuwają i reagują na zmiany CO2, O2 i pH?
- Jak sprzężenie zwrotne mechaniczne z płuc i ściany klatki piersiowej kształtuje wzorzec oddechowy?
- Jak odruchy ochronne i autonomiczne są zintegrowane z automatycznym oddychaniem?
Key concepts
- Centralny generator wzorców oddechowych
- Kompleks pre-Bötzinger
- Chemorecepcja ośrodkowa
- Chemorecepcja obwodowa
- Odruch Heringa-Breuera
- Pętla sprzężenia zwrotnego chemorefleksowego
- Odpowiedź wentylacyjna na CO2 i O2
- Regulacja ujemnego sprzężenia zwrotnego gazów we krwi tętniczej
Mechanisms
Rytm wdechowy powstaje w sieci neuronów pnia mózgu, przy czym kompleks pre-Bötzinger w przyśrodkowej części brzusznej strony rdzenia przedłużonego został zidentyfikowany jako jądro generowania rytmu wdechowego. Rytm ten jest kształtowany przez otaczające obwody mostowo-rdzeniowe i stale modulowany przez sprzężenie zwrotne. Centralne chemoreceptory, skoncentrowane w jądrze tyłou trapezoidalnym i innych miejscach pnia mózgu, wykrywają wzrost CO2 i spadek pH, stanowiąc dominujący bodziec do oddychania w spoczynku. Obwodowe chemoreceptory w ciałkach szyjnych szybko reagują na hipoksemię tętniczą i na CO2/pH, stanowiąc szybko działające ramię chemorefleksu. Mechanoreceptory w płucach i proprioreceptory w ścianie klatki piersiowej raportują objętość płuc i wysiłek oddechowy, kończąc wdech i stabilizując wzorzec. Łącznie sygnały te są integrowane w pniu mózgu jako system ujemnego sprzężenia zwrotnego, który broni ciśnienia gazów tętniczych i pH.
Clinical relevance
Zrozumienie kontroli oddechowej jest podstawą do interpretacji zaburzeń oddychania, takich jak bezdech senny ośrodkowy i obturacyjny, oddychanie okresowe oraz konsekwencje wentylacyjne przewlekłej choroby płuc. Niniejsze hasło opisuje fizjologię i metody badania mechanizmów kontroli; nie jest to przewodnik po diagnostyce ani leczeniu żadnej jednostki chorobowej.
Evidence & guidelines
Przedstawiona tutaj rama opiera się na podstawowej neurofizjologii (na przykład identyfikacji kompleksu pre-Bötzinger) oraz na obszernych przeglądach narracyjnych i tekstach fizjologicznych, które syntetyzują dziesięciolecia badań na zwierzętach i ludziach. Odzwierciedla ona zrozumienie mechanistyczne, a nie wytyczne praktyki klinicznej.
History
Koncepcja odrębnego ośrodka oddechowego w pniu mózgu sięga badań nad transekcją i uszkodzeniem pnia mózgu z XIX i początku XX wieku. Odruchową kontrolę oddychania przez rozdęcie płuc opisali Hering i Breuer w latach 60. XIX wieku. Współczesne prace odeszły od koncepcji stałych ośrodków w kierunku rozproszonych, oddziałujących na siebie sieci neuronowych, skrystalizowanych przez identyfikację kompleksu pre-Bötzinger jako jądra generującego rytm w 1991 roku.
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
- Co normalnie napędza potrzebę oddychania w spoczynku?
- W spoczynku dominującym bodźcem jest dwutlenek węgla we krwi tętniczej działający poprzez centralne chemoreceptory wyczuwające pH mózgu; obwodowe chemoreceptory wyczuwające tlen stają się ważniejsze, gdy spada poziom tlenu we krwi tętniczej.
- Czy oddychanie jest czysto automatyczne?
- Podstawowy rytm jest automatyczny i generowany w pniu mózgu, ale jest on stale dostosowywany przez sprzężenie zwrotne chemiczne i mechaniczne, a także może być świadomie modyfikowany oraz pod wpływem bodźców behawioralnych i emocjonalnych.