Нейронна та хімічна регуляція дихання
Дихання — це автоматичний, ритмічний руховий акт, який безперервно коригується для узгодження вентиляції з метаболічними потребами. Цей розділ охоплює те, як мережа нейронів стовбура мозку генерує дихальний ритм, і як цей ритм модулюється хімічними сенсорами, що відстежують артеріальний вміст вуглекислого газу, кисню та pH, а також механічним та рефлекторним зворотним зв'язком від легень та дихальних шляхів.
Definition
Нейронна та хімічна регуляція дихання — це інтегрована регуляція дихального ритму та глибини дихання за допомогою нейронних кіл стовбура мозку, що генерують ритм, разом із хемосенсорним та механосенсорним зворотним зв'язком, що діє для підтримки артеріальних газів крові та pH у вузьких межах.
Scope
Цей розділ знайомить читача з основними компонентами системи контролю дихання: центральним генератором патернів у стовбурі мозку, центральними хеморецепторами, що відчувають pH/CO2 позаклітинної рідини мозку та спинномозкової рідини, периферичними хеморецепторами, що відчувають артеріальний вміст кисню та CO2, механорецепторним та пропріоцептивним зворотним зв'язком від грудної клітки та легень, а також вегетативними рефлексами, що захищають дихальні шляхи та пов'язують дихання з регуляцією серцево-судинної системи. Це концептуальний огляд; механізми, що сприяють цьому, детально описані в тематичних записах.
Sub-topics
Core questions
- Де і як генерується дихальний ритм?
- Як центральні та периферичні хеморецептори відчувають зміни CO2, O2 та pH і реагують на них?
- Як механічний зворотний зв'язок від легень та грудної клітки формує патерн дихання?
- Як захисні та вегетативні рефлекси інтегруються з автоматичним диханням?
Key concepts
- Центральний генератор дихального ритму
- Пре-Ботцінгеровий комплекс
- Центральна хеморецепція
- Периферична хеморецепція
- Рефлекс Герінга-Бройєра
- Петля зворотного зв'язку хеморефлексу
- Дихальна відповідь на CO2 та O2
- Регуляція артеріальних газів крові за допомогою негативного зворотного зв'язку
Mechanisms
Вдиховий ритм виникає в мережі нейронів стовбура мозку, причому пре-Ботцінгеровий комплекс вентролатеральної частини довгастого мозку ідентифікований як ядро для генерації вдихового ритму. Цей ритм формується навколишніми понтомедулярними колами та безперервно модулюється зворотним зв'язком. Центральні хеморецептори, сконцентровані в ретротрапецієподібному ядрі та інших ділянках стовбура мозку, виявляють підвищення CO2 та падіння pH і є домінуючим стимулом до дихання у стані спокою. Периферичні хеморецептори в каротидних тілах швидко реагують на артеріальну гіпоксемію та на CO2/pH, забезпечуючи швидкодіючу ланку хеморефлексу. Механорецептори в легенях та пропріорецептори в грудній клітці повідомляють про об'єм легень та дихальні зусилля, припиняючи вдих та стабілізуючи патерн. Разом ці сигнали інтегруються в стовбурі мозку як система негативного зворотного зв'язку, що захищає артеріальні напруження газів та pH.
Clinical relevance
Розуміння контролю дихання є основоположним для інтерпретації розладів дихання, таких як центральний та обструктивний апное сну, періодичне дихання та дихальні наслідки хронічних захворювань легень. Цей запис описує фізіологію та методи вивчення механізмів контролю; він не є посібником з діагностики чи лікування будь-якого індивідуального стану.
Evidence & guidelines
Представлена тут структура базується на первинній нейрофізіології (наприклад, ідентифікація пре-Ботцінгерового комплексу) та на всеосяжних оглядах та фізіологічних текстах, що синтезують десятиліття досліджень на тваринах та людях. Вона відображає механістичне розуміння, а не клінічні настанови.
History
Ідея дискретного дихального центру стовбура мозку сягає досліджень перерізів та уражень стовбура мозку дев'ятнадцятого та початку двадцятого століть. Рефлекторний контроль дихання шляхом інспіраторної інфляції був описаний Герінгом та Бройєром у 1860-х роках. Сучасні дослідження перейшли від концепції фіксованих центрів до розподілених, взаємодіючих нейронних мереж, кристалізованих ідентифікацією пре-Ботцінгерового комплексу як ядра генерації ритму у 1991 році.
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
- Що зазвичай стимулює бажання дихати у стані спокою?
- У стані спокою домінуючим стимулом є артеріальний вуглекислий газ, що діє через центральні хеморецептори, які відчувають pH мозку; периферичні хеморецептори, що відчувають кисень, стають важливішими, коли артеріальний вміст кисню падає.
- Чи дихання є суто автоматичним?
- Базовий ритм є автоматичним і генерується в стовбурі мозку, але він безперервно коригується хімічним та механічним зворотним зв'язком і може бути свідомо перекритий, а також під впливом поведінкових та емоційних факторів.