Neural och kemisk reglering av andning
Andning är en automatisk, rytmisk motorisk handling som kontinuerligt justeras för att matcha ventilationen med den metaboliska efterfrågan. Detta område täcker hur ett nätverk av hjärnstamsneuroner genererar andningsrytmen och hur den rytmen finjusteras av kemiska sensorer som övervakar arteriellt koldioxid, syre och pH, samt av mekanisk och reflexmässig återkoppling från lungor och luftvägar.
Definition
Neural och kemisk reglering av andning är den integrerade regleringen av andningsrytm och djup genom hjärnstammens rytmgenererande kretsar tillsammans med kemosenorisk och mekanosenorisk återkoppling, som verkar för att hålla arteriella blodgaser och pH inom snäva gränser.
Scope
Området ger läsaren en överblick över andningsregleringssystemets huvudsakliga komponenter: den centrala mönstergeneratorn i hjärnstammen, centrala kemoreceptorer som känner av hjärnans extracellulära och cerebrospinalvätskans pH/CO2, perifera kemoreceptorer som känner av arteriellt syre och CO2, mekanoreceptorisk och proprioceptiv återkoppling från bröstkorgen och lungorna, samt de autonoma reflexer som skyddar luftvägarna och kopplar andningen till kardiovaskulär reglering. Det är en konceptuell översikt; de bidragande mekanismerna beskrivs i detalj i ämnesinträdena.
Sub-topics
Core questions
- Var och hur genereras andningsrytmen?
- Hur känner och svarar centrala och perifera kemoreceptorer på förändringar i CO2, O2 och pH?
- Hur formar mekanisk återkoppling från lungor och bröstkorg andningsmönstret?
- Hur integreras skyddande och autonoma reflexer med automatisk andning?
Key concepts
- Andningens centrala mönstergenerator
- Pre-Bötzinger-komplexet
- Central kemoreception
- Perifer kemoreception
- Hering-Breuers reflex
- Kemoreflexens återkopplingsloop
- Ventilatorisk respons på CO2 och O2
- Negativ återkopplingsreglering av arteriella blodgaser
Mechanisms
Inspiratorisk rytm uppstår från ett nätverk av hjärnstamsneuroner, där pre-Bötzinger-komplexet i den ventrolaterala medulla har identifierats som en kärna för generering av inspiratorisk rytm. Denna rytm formas av omgivande pontomedullära kretsar och moduleras kontinuerligt av återkoppling. Centrala kemoreceptorer, koncentrerade i nucleus retrotrapezoidus och andra hjärnstamsställen, detekterar ökningar av CO2 och fall i pH och utgör den dominerande drivkraften för andning i vila. Perifera kemoreceptorer i glomus caroticum svarar snabbt på arteriell hypoxemi och på CO2/pH, och ger den snabbverkande delen av kemoreflexen. Mekanoreceptorer i lungorna och proprioceptorer i bröstkorgen rapporterar lungvolym och andningsansträngning, avslutar inspiration och stabiliserar mönstret. Tillsammans integreras dessa signaler i hjärnstammen som ett negativt återkopplingssystem som försvarar arteriella gas- och pH-nivåer.
Clinical relevance
Förståelse av andningsreglering är grundläggande för tolkning av andningsstörningar såsom central och obstruktiv sömnapné, periodisk andning och de ventilatoriska konsekvenserna av kronisk lungsjukdom. Detta inträde beskriver fysiologi och hur regleringsmekanismer studeras; det är inte en guide för diagnos eller behandling av något individuellt tillstånd.
Evidence & guidelines
Det ramverk som sammanfattas här vilar på primär neurofysiologi (till exempel identifieringen av pre-Bötzinger-komplexet) och på omfattande narrativa översikter och fysiologiska texter som syntetiserar årtionden av djur- och mänskligt arbete. Det återspeglar mekanistisk förståelse snarare än kliniska riktlinjer.
History
Idén om ett diskret andningscentrum i hjärnstammen härstammar från studier av hjärnstamstranssektioner och lesioner under artonhundratalet och tidigt nittonhundratal. Reflexmässig reglering av andning genom lunginflation beskrevs av Hering och Breuer på 1860-talet. Modernt arbete har rört sig från konceptet med fasta centra mot distribuerade, interagerande neuronala nätverk, kristalliserat genom identifieringen av pre-Bötzinger-komplexet som en rytmgenererande kärna 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
- Vad driver normalt andningsträngen i vila?
- I vila är den dominerande stimulansen arteriellt koldioxid som verkar genom centrala kemoreceptorer som känner av hjärnans pH; syresensoriska perifera kemoreceptorer blir viktigare när arteriellt syre sjunker.
- Är andning helt automatisk?
- Den grundläggande rytmen är automatisk och genereras i hjärnstammen, men den justeras kontinuerligt av kemisk och mekanisk återkoppling och kan åsidosättas frivilligt och av beteendemässiga och emotionella input.