การทำงานร่วมกันของระบบหายใจระหว่างการออกกำลังกาย

การทำงานร่วมกันของระบบหายใจระหว่างการออกกำลังกายเกี่ยวข้องกับการที่ปอด การควบคุมการหายใจ และการขนส่งก๊าซในเลือดมีการปรับตัวร่วมกันเพื่อตอบสนองต่อความต้องการทางเมตาบอลิซึมที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อกล้ามเนื้อทำงาน เมื่อการใช้ออกซิเจนและการผลิตคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้น การระบายอากาศ การแลกเปลี่ยนก๊าซในปอด การควบคุมสมดุลกรด-ด่าง และการนำส่งออกซิเจนจะถูกประสานงานกัน เพื่อให้ก๊าซในเลือดแดงและค่า pH คงที่อย่างน่าทึ่งในช่วงความหนักของการทำงานที่หลากหลาย พื้นที่นี้จะนำผู้อ่านไปสู่การตอบสนองของระบบหายใจแบบบูรณาการนี้ มากกว่าที่จะเป็นอวัยวะใดอวัยวะหนึ่งโดยลำพัง

Definition

การทำงานร่วมกันของระบบหายใจระหว่างการออกกำลังกายคือการปรับตัวที่ประสานกันของการระบายอากาศในปอด การแลกเปลี่ยนก๊าซที่เยื่อหุ้มถุงลม-เส้นเลือดฝอย สมดุลกรด-ด่าง และการขนส่งออกซิเจนในเลือด ซึ่งทั้งหมดนี้ทำงานร่วมกันเพื่อปรับการทำงานของระบบหายใจให้เข้ากับความต้องการออกซิเจนที่สูงขึ้นและการผลิตคาร์บอนไดออกไซด์จากการทำงานทางกายภาพ

Scope

พื้นที่นี้สำรวจการปรับตัวหลักของระบบหายใจต่อการออกกำลังกายแบบไดนามิก: การเพิ่มขึ้นของการระบายอากาศในปอดและการควบคุมโดยระบบประสาทและสารเคมี (ภาวะหายใจเกินจากการออกกำลังกาย), การแลกเปลี่ยนก๊าซและการแพร่ผ่านเยื่อหุ้มถุงลม-เส้นเลือดฝอยภายใต้การไหลเวียนสูง, การชดเชยทางระบบหายใจสำหรับภาวะเลือดเป็นกรดเมตาบอลิกจากการออกกำลังกายหนัก, และการขนส่งออกซิเจนจากปอดไปยังกล้ามเนื้อที่ทำงาน รวมถึงความแตกต่างของออกซิเจนในหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำที่กว้างขึ้น หัวข้อเหล่านี้ถือเป็นหัวข้อทางสรีรวิทยาแบบบูรณาการสำหรับการอ้างอิงและการศึกษา ไม่ใช่สำหรับการประเมินทางคลินิกหรือการกำหนดโปรแกรมการฝึก

Sub-topics

• Acid-Base Balance and Respiratory Compensation
• Gas Exchange and Diffusion During Exercise
• Oxygen Transport and Arterio-Venous Difference
• Ventilatory Control and Exercise Hyperpnea

Core questions

• การระบายอากาศถูกจับคู่กับอัตราการเผาผลาญได้อย่างไร เพื่อให้ CO2 ในหลอดเลือดแดงและ pH คงที่ใกล้เคียงค่าพักตลอดการออกกำลังกายระดับปานกลาง?
• ปอดรักษาระดับออกซิเจนในหลอดเลือดแดงได้อย่างไรเมื่อปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีด การไหลเวียนของเลือดในปอด และความเร็วการผ่านของเม็ดเลือดแดงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว?
• ระบบทางเดินหายใจชดเชยภาวะเลือดเป็นกรดเมตาบอลิกที่เกิดขึ้นระหว่างการออกกำลังกายหนักได้อย่างไร?
• อะไรเป็นตัวจำกัดการนำส่งและการสกัดออกซิเจนที่อัตราการทำงานสูงสุด?

Key concepts

• ภาวะหายใจเกินจากการออกกำลังกาย
• การจับคู่การระบายอากาศ-การไหลเวียน
• การแพร่ผ่านเยื่อหุ้มถุงลม-เส้นเลือดฝอย
• การชดเชยทางระบบหายใจสำหรับภาวะเลือดเป็นกรดเมตาบอลิก
• ลำดับการขนส่งออกซิเจน
• ความแตกต่างของออกซิเจนในหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำ
• การใช้ออกซิเจนสูงสุด (VO2max)

Mechanisms

เมื่อเริ่มออกกำลังกาย การระบายอากาศจะเพิ่มขึ้นเกือบจะทันทีทันใด จากนั้นจึงค่อยๆ เพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ โดยได้รับแรงกระตุ้นจากการรวมกันของสัญญาณป้อนไปข้างหน้าจากคำสั่งการเคลื่อนไหวและบริเวณการเคลื่อนที่ และการป้อนกลับจากเส้นประสาทรับความรู้สึกของกล้ามเนื้อและเคมีรับความรู้สึก เพื่อให้การระบายอากาศในถุงลมติดตามการผลิตคาร์บอนไดออกไซด์ และ CO2 ในหลอดเลือดแดงคงที่ใกล้เคียงระดับพักตลอดการทำงานระดับปานกลาง (Forster 2012) การไหลเวียนของเลือดในปอดและการระบายอากาศทั้งสองเพิ่มขึ้นและมีการกระจายตัวสม่ำเสมอมากขึ้น และเยื่อหุ้มถุงลม-เส้นเลือดฝอยจะต้องถ่ายเทออกซิเจนได้เร็วขึ้นแม้ว่าเวลาการผ่านของเม็ดเลือดแดงจะสั้นลง ในคนที่มีสุขภาพดีส่วนใหญ่ การได้รับออกซิเจนในหลอดเลือดแดงยังคงดีอยู่ แม้ว่าข้อจำกัดในการแพร่และการจับคู่การระบายอากาศ-การไหลเวียนที่ไม่สมดุลอาจทำให้ความแตกต่างของออกซิเจนในถุงลม-หลอดเลือดแดงกว้างขึ้นที่ความเข้มข้นสูงมาก (Dempsey 1999) เมื่อการทำงานหนักขึ้นและแลคเตทสะสม ภาวะเลือดเป็นกรดเมตาบอลิกที่เกิดขึ้นจะถูกบัฟเฟอร์และได้รับการกระตุ้นการระบายอากาศเพิ่มเติมที่ลด CO2 ในหลอดเลือดแดง ซึ่งเป็นการชดเชยทางระบบหายใจที่จำกัดการลดลงของ pH ในเลือด ตลอดกระบวนการนี้ ออกซิเจนจะถูกนำส่งจากถุงลมไปยังไมโทคอนเดรียตามลำดับการขนส่ง ซึ่งการเพิ่มขึ้นของปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดและการสกัดออกซิเจนที่เพิ่มขึ้น (ความแตกต่างของออกซิเจนในหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำที่กว้างขึ้น) ร่วมกันเพิ่มการใช้ออกซิเจนไปสู่ระดับสูงสุด (Wagner 1996)

Clinical relevance

ความเข้าใจเกี่ยวกับการตอบสนองของระบบหายใจแบบบูรณาการต่อการออกกำลังกายเป็นพื้นฐานในการตีความผลการทดสอบสมรรถภาพหัวใจและปอด และช่วยอธิบายว่าทำไมโรคระบบทางเดินหายใจและหลอดเลือดหัวใจจึงลดความทนทานต่อการออกกำลังกาย ที่นำเสนอในที่นี้เป็นข้อมูลอ้างอิงว่าระบบสุขภาพดีทำงานอย่างไรและสรีรวิทยาการออกกำลังกายมีการให้เหตุผลอย่างไร และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยรายบุคคล การกำหนดโปรแกรมการออกกำลังกาย หรือการรักษา

Evidence & guidelines

ภาพรวมแบบบูรณาการนี้อิงจากการศึกษาทางสรีรวิทยาของมนุษย์และสัตว์เปรียบเทียบเกี่ยวกับการระบายอากาศ การแลกเปลี่ยนก๊าซ และการขนส่งออกซิเจนระหว่างการออกกำลังกายมานานหลายทศวรรษ ซึ่งได้รับการสังเคราะห์ในบทความทบทวนและตำราสรีรวิทยาระบบหายใจและการออกกำลังกายมาตรฐาน (Forster 2012; Wagner 1996; ตำราของ West) หลักฐานส่วนใหญ่เป็นเชิงกลไกและการสังเกตการณ์มากกว่าที่จะได้มาจากการทดลองทางคลินิก และรายการหัวข้อด้านล่างนี้อ้างอิงแหล่งข้อมูลปฐมภูมิและบทความทบทวนที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้น

History

ความเข้าใจสมัยใหม่เกี่ยวกับการหายใจระหว่างการออกกำลังกายพัฒนามาจากการทำงานในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เกี่ยวกับการใช้ออกซิเจนและต้นทุนออกซิเจนของการออกกำลังกาย ตามด้วยการศึกษาในช่วงกลางศตวรรษที่กำหนดเกณฑ์การแลกเปลี่ยนก๊าซและการควบคุมการหายใจ และต่อมาเป็นการวิเคราะห์แบบบูรณาการของเส้นทางการขนส่งออกซิเจนและข้อจำกัดของการแลกเปลี่ยนก๊าซในปอดในการออกกำลังกายหนัก (Wasserman; Dempsey 1999; Wagner 1996)

Debates

อะไรเป็นตัวขับเคลื่อนการจับคู่ที่แม่นยำของการระบายอากาศกับการเผาผลาญในการหายใจเกินจากการออกกำลังกาย?

ไม่ว่าการเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดของการระบายอากาศกับการผลิตคาร์บอนไดออกไซด์จะถูกควบคุมโดยคำสั่งป้อนไปข้างหน้าจากส่วนกลางเป็นหลัก โดยการป้อนกลับจากกล้ามเนื้อและเคมีรับความรู้สึก หรือโดยการรวมกันที่เรียนรู้ของทั้งสอง ยังคงเป็นคำถามที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขในการควบคุมการหายใจ

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

ทำไมการหายใจถึงเพิ่มขึ้นระหว่างการออกกำลังกายแม้กระทั่งก่อนที่ก๊าซในเลือดจะเปลี่ยนแปลง?

การระบายอากาศจะเพิ่มขึ้นตั้งแต่เริ่มออกกำลังกายผ่านสัญญาณป้อนไปข้างหน้าซึ่งเชื่อมโยงกับคำสั่งการเคลื่อนไหวและการเคลื่อนไหวของแขนขา จากนั้นจะถูกปรับแต่งอย่างละเอียดโดยการป้อนกลับเพื่อให้ติดตามการผลิตคาร์บอนไดออกไซด์และรักษาก๊าซในเลือดแดงให้คงที่

ปอดจำกัดสมรรถภาพการออกกำลังกายในคนที่มีสุขภาพดีหรือไม่?

ในคนที่มีสุขภาพดีส่วนใหญ่ ระบบทางเดินหายใจจะรักษาระดับออกซิเจนในหลอดเลือดแดงได้ดี และการนำส่งออกซิเจนมักจะถูกจำกัดด้วยปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดและการสกัดออกซิเจนของกล้ามเนื้อมากกว่าปอด อย่างไรก็ตาม ที่ความเข้มข้นสูงมาก นักกีฬาบางคนอาจเกิดข้อจำกัดในการแลกเปลี่ยนก๊าซที่วัดได้