Регулювання дихання

                                                                      

ВСТУП

Дихання відбувається спонтанно внаслідок ритмічної імпульсації у мотонейронах, які іннервують дихальні м’язи. Реалізація такої активності повністю залежить від нервових імпульсів головного мозку. Дихання припиниться, якщо спинний мозок перетнути вище від місця виходу діаф-рагмальних нервів.

Ритмічну імпульсацію головного мозку, яка спричинює спонтанне дихання, регулюють зміни артеріального Рс,2, РС02 та концентрації Н\ Таке регулювання за допомогою хімічних чинників доповнене численними нехімічними впливами.

                                                                                                                                                                  

НЕРВОВЕ РЕГУЛЮВАННЯ ДИХАННЯ

                                                                                                                                                                  

Системи регулювання

Нервове регулювання дихання забезпечують дві окремі системи механізмів. Одна відповідає за довільне, а інша -за мимовільне (автоматичне) регулювання. Довільна система охоплює в себе структури, розташовані у корі великих півкуль, і надсилає імпульси у дихальні мотонейрони через кортикоспінальні провідні шляхи. Автоматична система міститься у мості та довгастому мозку, еферентні вихідні імпульси з неї прямують до дихальних мотонейронів через білу речовину, що розташована між латеральним і вентральним кортикоспінальними шляхами. Нервові волокна, завдяки яким розпочинається вдихання, конверґують на діафрагмальних мотонейронах, що розміщені у задніх рогах від СЗ до С5, а зовнішні міжреберні мотонейрони -у передніх рогах грудного відділу спинного мозку. Нервові волокна, що пов’язані з видиханням, конверґують перш за все на міжреберних мотонейронах у грудному відділі спинного мозку.

Мотонейрони, що йдуть до експіраторних дихальних м’язів, гальмуються, коли такі, що забезпечують інспіра-торні м’язи, активні і навпаки. Хоча, спінальні рефлекси сприяють реципрокній іннервації (див. Розділ 6), та вона виникає загалом унаслідок активності в низхідних провідних шляхах. Імпульси у низхідних шляхах збуджують агоністи та гальмують антагоністи. Винятком у реципрок-ному гальмуванні є короткотривала незначна активність у діафрагмальних аксонах після вдихання. Значення такого постінспіраторного вихідного імпульсу полягає у перериванні еластичної тяги легень і створенні дихання плавним.

                                                                                                                                                                  

Система довгастого мозку

Ритмічна імпульсація нейронів довгастого мозку та мосту забезпечує автоматичність дихання. Перетинання стовбура мозку нижче від довгастого мозку (розтин D на рис.

36-1) припиняє дихання, а в разі рострального перетинання мосту (розтин А на рис. 36-1) автоматичне дихання є нормальним. Дихальні нейрони стовбура головного мозку бувають двох типів: одні виявляють активність під час вдихання (інспіраторні, І-нейрони), а інші — під час видихання (експіраторні, Е-нейрони). Більшість активної імпульсації посилює частоту під час вдихання, у випадку І-нейронів, або під час видихання у випадку Е-нейронів. Деяка імпульсація послаблює частоту, а інша імпульсація перебуває на однаковому високому рівні під час вдихання або видихання. Однак видихання є пасивним під час спокійного дихання, і Е-нейрони тоді перебувають у стані спокою; вони стають активними, якщо легенева вентиляція збільшується.

Ділянку довгастого мозку, пов’язану з диханням, називають дихальним центром; у ньому розрізняють дві окремі групи нейронів (див. рис. 36-1). Дорсальна група нейронів міститься у або біля ядра поодинокого шляху. Вентральна група — це довгий стовпець нейронів, що простягається через подвійне та задньоподвійне ядро у вентролатеральній частині довгастого мозку. Дорсальну групу, головно, утворюють І-нейрони, деякі з яких виступають і моносинаптично поєднуються з діафрагмальними мотонейронами. До них, вірогідно, проектуються від дихальних шляхів та каротидних і аортальних клубочків аферентні шляхи, які закінчуються у ядрі поодинокого шляху. Вентральна група містить Е-нейрони у каудальній частині дихального центру, І-нейрони — у його середній частині, та Е-нейрони — на ростральному кінці. Деякі з цих нейронів проникають у дихальні мотонейрони; ті ж, що містяться на ростральному кінці групи, відповідають за гальмування І-нейронів під час видихання.

Головні компоненти генераторного комплексу регулювання дихання, відповідального за автоматичність дихання, містяться у довгастому мозку, тому спонтанне дихання триває, хоча деколи нерегулярно і з затрудненями, після перетинання стовбура головного мозку по нижньому краю мосту (розтин С на рис. 36-1).

Ні дорсальна, ні вентральна групи дихальних нейронів не є обов’язковою частиною генераторного комплексу, оскільки вибіркове ураження однієї або іншої зменшує амплітуду дихання, однак не припиняє його. Хоча після цього дихання буде ритмічним, ініційованим невеликою групою синаптично поєднаних пейсмейкерних клітин у

РЕГУЛЮВАННЯ ДИХАННЯ / 617

А

(\ґЛлЛ/\

Перетин

блукаючого нерва

Рис. 36-1. Респіраторні нейрони у стовбурі головного мозку. Дорсальний вигляд стобура головного мозку; мозочок видалений. Зображені також впливи різноманітних уражень та перетини стовбура головного мозку. Записи спірометрії праворуч відображають глибину і частоту дихання. ДРН — дорсальна група респіраторних нейронів; ВРН — вентральна група респіраторних нейронів; ПБЯ — парабрахіальне ядро (пневмотаксичний центр); 4-й шлун. — четвертий шлуночок; НГ — нижній горбик, МН -середні мозкові ніжки. Римські цифри позначають черепні нерви (модифіковано та відтворено за дозволом з Mitchell RA, Berger A: State of the art: Review of newral regulation of respiration. Am Rev Respir Dis 1975; 111:206).

комплексі пре-Буттзінґера на одному з двох боків довгастого мозку між подвійним і латеральним ретикулярним ядром (рис. 36-2). Ці нейрони імпульсують ритмічно й утворюють ритмічну імпульсивну активність у діафраг-мальних мотонейронах, яка зникає в разі перетинання між комплексом пре-Буттзінґера і цими мотонейронами.

                                                                                                                                                                  

Впливи мосту і блукаючих нервів

Ритмічна імпульсація нейронів довгастого мозку стосується спонтанності дихання, проте її змінюють нейрони мосту й аферентні волокна блукаючого нерва від рецепторів у дихальних шляхах та легенях. У ділянці, відомій як пневмотаксичний центр, у медіальних і парабрахі-альних ядрах та ядрі Куллікера-Фузе у дорсолатеральному мості містяться І- та Е-нейрони, і нейрони, активні у обох фазах дихання. Якщо зруйнувати цю ділянку (розтин В на рис. 36-1), то дихання стане повільнішим, а дихальний об’єм збільшиться; у разі перетинання блукаючого нерва в анестезованих тварин настає пролонгований інспіратор-ний спазм, подібний до затримки дихання. Дихання припиняється на фазі вдихання (апнейзис). Функція пневмо-таксичного центру у нормі досі остаточно не з’ясована, однак він може відігравати роль перемикача між вдиханням та видиханням, регулятора оптимального співвідношення тривалості вдихання, видихання і дихальної паузи.

Розтягнення легень під час вдихання ініціює імпульса-цію в аферентних легеневих вагусних волокнах. Ці імпульси гальмують інспіраторну імпульсацію. Власне тому збільшується глибина вдихання після ваготомії (див. рис. 36-1); апнейзис же виникає, якщо блукаючі нерви перетято після руйнування пневмотаксичного центру. Як зображено

Рис. 36-2. Ритмічна імпульсація (унизу) нейронів комплексу пре-Буттзінґера (затемнена ділянка, пре-БУТТЗ) у препараті головного мозку щура в неонатальному періоді; НО — нижні оливи; ЛРЯ — латеральне ретикулярне ядро; ПЯ — подвійне ядро; XII — ядро дванадцятого черепного нерва; 5СМ — спинномозкове ядро трійчастого нерва (модифіковано з Smith JC et al: Pre-Bpttzinger complex: A brainstem region that may generate respiratory rhythm in mammals. Science 1991;254:726).

на рис. 36-3, активність вагусного зворотного зв’язку не змінює рівня зростання нейрональної активності у дихальних мотонейронах, проте без них активність триває.

В інтактних тварин зі збільшенням активності інспіра-торних нейронів частота і глибина дихання зростають. Глибина дихання збільшується, оскільки легені розтягуються до більшого ступеня, перш ніж потужність інгібітор-ної активності вагусного та пневмотаксичного центру стане достатньою для подолання інтенсивнішої імпульсації в інспіраторних нейронах. Частота дихання посилюється тому, що післяімпульсація у блукаючих нервах та, вірогідно, в пневмотаксичних аферентних волокнах до довгастого мозку швидко переважає.

                                                                                                                                                                  

РЕГУЛЮВАННЯ ДИХАЛЬНОЇ АКТИВНОСТІ

Збільшення РС02 або концентрації Н+ в артеріальній крові або зменшення її Р02 збільшує рівень дихальної нейрональної активності у довгастому мозку, а зміни у зворотному напрямі зумовлюють незначний гальмівний вплив. На вентиляцію легень впливають зміни хімічних властивостей крові, що сприймаються дихальними хеморецепторами — каротидними й аортальними клубочками та накопиченнями у довгастому мозку і де-небудь ще клітин, які є чутливими до змін хімічних властивостей крові. Вони ініціюють імпульси, які подразнюють дихальний центр. На цій основі відбувається хімічне (гуморальне) регулювання дихання, інші аферентні шляхи забезпечують нехімічне регулювання дихання, яке впливає на дихальні рухи в особливих випадках (табл. 36-1).

                                                                                                                                                                  

ХІМІЧНЕ РЕГУЛЮВАННЯ ДИХАННЯ

Хімічні регулювальні механізми пристосовують вентиляцію легень у такому напрямі, що у нормі альвеолярний РСо2 є сталим, впливи надлишку Н+ у крові подолані, і Р02 підвищується, якщо його зниження досягає потенційно небезпечного рівня. Дихальний хвилинний об’єм пропорційний до рівня обміну речовин, проте зв’язок між обміном речовин і диханням визначений С02, а не 02. Рецептори у

Таблиця 36-1. Подразники, що впливають на респіраторний центр

Хімічне регулювання

С02 (через СМР і концентрацію Н+ інтестиційної рідини головного мозку)

^ } (через каротидні та аортальні клубочки)

Нехімічне регулювання

Вагусні аферентні волокна у дихальних шляхах і легенях

Аферентні волокна від мосту, гіпоталамуса і лімбічної системи

Аферентні волокна від пропріорецепторів

Аферентні волокна від барорецепторів: артеріальних, пульмональних та від передсердь і шлуночків серця

Рис. 36-3. Графічний запис двох варіантів дихання з рецепторів розтягу легень: з (А) та без (В) зворотного зв’язку впливу вагусної активності. Зверніть увагу, що рівень зростання активності діафрагмального нерва на діафрагму є незмінним, однак імпульсація триваліша без вагусного впливу.

каротидних та аортальних клубочках подразнювані підвищенням РСо2 або концентрацією Н+ в артеріальній крові чи зниженням Ро2. Після денервації каротидних хеморецепторів відповідь на зниження Р02 неможлива. Предомінант-ним впливом гіпоксії після денервації каротидних клубочків є безпосередня депресія дихального центру. Відповідь на зміни концентрації Н+ в артеріальній крові у межах pH

7,3-7,5 також нівельовані, хоча більші зміни впливають частково. З іншого боку, відповідь на зміни артеріального РСо2, виникають, однак повільніше; він зменшується не більше ніж на 30-35%.

                                                                                                                                                                  

Каротидні та аортальні клубочки

Каротидні клубочки розташовані у місці каротидної біфуркації з кожного боку, і звичайно два або більше аортальні клубочки — біля дуги аорти (рис. 36-4). Кожен каро-тидний або аортальний клубочок (гломус) містить острівці двох типів клітин: тип І або тип II, оточені фенестрованими синусоїдними гемокапілярами. Біля типу І, або гломусних клітин, близько є кубкоподібні закінчення аферентних нервів (рис. 36-5). Гломусні клітини подібні до хромато-фінних клітин надниркових залоз, у них є щільні Гранули, що містять катехоламіни, які вивільняються під впливом гіпоксії або ціанідів (див. нижче). Клітини стимулює гіпоксія і головний трансмітер, що з’являється, є дофамін, який збуджує нервові закінчення через П2-рецептори. Тип II -це гліоподібні клітини, кожна з яких оточена чотирма або шістьма клітинами типу І. Функції клітин типу II остаточно не з’ясовані.

Поза капсулою кожного клубочка нервові волокна мають мієлінову оболонку. Діаметр цих волокон 2-5 мкм. швидкість проходження через них — 7-12 м/с. Аферентні волокна від каротидних клубочків піднімаються до довгастого мозку через каротидний синус і язикогорлові нерви, а волокна від аортальних клубочків — через блукаючі нерви. Під час записування досліджень, за яких один з каротидних

РЕГУЛЮВАННЯ ДИХАННЯ / 619

клубочків був ізольований і перфузований, в аферентних нервових волокнах, які працювали, простежувалося ступінчасте збільшення імпульсного потоку, якщо Ро2 у пер-фузованій крові знижувався (рис. 36-6) або РСОз підвищувався.

Гломусні клітини типу І мають 02-чутливі К+-канали, у яких швидкість проходження зменшується пропорційно до ступеня гіпоксії, якій вони піддаються. Це зменшує витікання К+, деполяризує клітину і спричинює надходження Са2+ головно через L-тип Са2+-каналів. Надходження Са2+ є початковим моментом для утворення потенціалів дії та вивільнення трансмітера з послідовним збудженням аферентних нервових закінчень. Гладкі м’язи легеневих артерій містять подібні 02-чутливі К+-канали, які започатковують вазоконстрикцію, зумовлену гіпоксією (див. Розділ 37). Це є відмінним від загальних артерій, які містять АТФ-залежні К+-канали, що сприяють більшому витіканню К+ в разі гіпоксії і послідовно зумовлюють вазодилатацію замість вазоконстрикції.

Кровоплин у кожному 2 мг каротидному клубочку становить близько 0,04 мл/хв, або 2000 мл/100 г тканини/хв, що можна зіставити з аналогічним кровоплином у 100 г/хв і становитиме 54 мл у головному мозку і 420 мл у нирках (див. табл. 32-1). Оскільки кровоплин через одиницю тка

Рис. 36-5. Організація каротидного тільця. Клітини типу І (гло-мус) містять катехоламіни. Після впливу гіпоксії вони вивільняють ці катехоламіни, які подразнюють у каротидному синусі кубкоподібні закінчення нервових волокон, що є у складі язикогорлового нерва. Гліоподібні клітини типу II оточують клітини типу І і, ймовірно, виконують функцію підтримки.

нини відповідає нормі, то 02 клітини потребують більше, ніж окремо розчиненого 02. Тому подразнення рецепторів не відбувається за таких станів, як анемія або отруєння карбон монооксидом, коли кількість розчиненого кисню в крові, що досягає рецепторів, є нормальною, а вміст 02 у сполуках суттєво зменшений. Подразнення рецепторів виникає, коли артеріальний Ро2 низький або за наявності

Артеріальний Ро мм рт. ст.

Рис. 36-6. Зміни рівня імпульсації в окремому аферентному волокні, що проходять від каротидного клубочка зі зниженням Ро2(з дозволу S Sampson).

судинного стазу; кількість 02, що надходить до рецепторів за 1 хв, зменшується. Сильне подразнення також зумовлюють препарати, зокрема, такі як ціанід, які блокують утилізацію 02 на тканинному рівні. У достатніх дозах нікотин і лобелін активують хеморецептори. Також зафіксовано, що інфузійне введення К+ збільшує рівень імпуль-сації в аферентних волокнах хеморецепторів, тому рівень К+ у плазмі збільшується під час фізичного навантаження, збільшення може відповідати за спричинену навантаженням гіпервентиляцію.

Завдяки анатомічній локалізації аортальні клубочки не можна так детально вивчати, як каротидні. їхні реакції, ймовірно, подібні, проте з меншою амплітудою. У людей, в яких обидва каротидні клубочки видалені, однак інтактними є аортальні клубочки, реакції однакові, що важливо (як і у тварин з послідовно денервованими обома каторид-ними та аортальними клубочками). У них наявні невеликі зміни у легеневій вентиляції у разі спокою, проте вентиляційна відповідь на гіпоксію буде втрачена, і на 30% зменшені вентиляційні відповіді на С02.

Нейроепітеліальні тільця, створені з іннервованих кластерів аміновмісних клітин, містяться у дихальних шляхах людей і тварин. Ці клітини мають назовні спрямований К+-струм, який зменшується в разі гіпоксії, і це може спричинювати деполяризацію. Отже, функція цих чутливих до гіпоксії клітин повністю не з’ясована, оскільки, як описано вище, видалення одного з каротидних клубочків зумовлює зникнення респіраторної відповіді на гіпоксію.

                                                                                                                                                                  

Хеморецептори у стовбурі головного мозку

Хеморецептори, що започатковують гіпервентиляцію, спричинену збільшенням артеріального РСОз після денер-вації каротидних та аортальних клубочків, містяться у довгастому мозку, тому їх називають хеморецепторами довгастого мозку. Вони відокремлені від дорсальних та вентральних дихальних нейронів і локалізовані на вентральній поверхні довгастого мозку (рис. 36-7).

Моніторинг концентрації Н+ у СМР, а також в інтерсти-ційній рідині головного мозку, виконують хеморецептори; С02 швидко проникає через мембрани, зокрема, гематоен-цефалічний бар’єр, тоді як Н+ і НС03~ — повільно. Потрапляючи у головний мозок та СМР, С02 швидко гідратується. Унаслідок дисоціації Н 2С03 збільшується місцева концентрація Н+. В інтерстиційній рідині головного мозку концентрація Н+ зіставна з артеріальним Рсо,. Експериментально створені зміни у РС02 СМР незначно вливають на дихання стільки часу, скільки концентрація Н» є сталою, однак будь-яке збільшення концентрації Н+ у спинномозковій рідині стимулює дихання. Стимулювання пропорційне до збільшення концентрації Н+. Отже, впливи С02 на дихання головно залежать від його переміщення у СМР та інтерсти-ційну рідину головного мозку, унаслідок чого С02 збільшує концентрацію Н+ і стимулює рецептори, чутливі до Н+.

                                                                                                                                                                  

Вентиляційні реакції-відповіді на зміну кислотно-лужної рівноваги

За метаболічного ацидозу, зумовленого, наприклад, нагромадженням у кровообігу кетоацетонових продуктів у разі цукрового діабету, відбувається респіраторне стимулювання (дихання Куссмауля; див. Розділ 39). Натомість

Рис. 36-7. Ростральна (Р) та каудальна (К) хемочутливі ділянки на вентральній поверхні довгастого мозку.

за метаболічного алкалозу спричиненого, наприклад, довготривалим блюванням з втратою НС1, вентиляція легень пригнічується й артеріальний Рсс>2 підвищується, завдяки чому концентрація Н нормалізується (див. Розділ 39). Якщо ж посилюється вентиляція легень, що не є вторинною до збільшення артеріальної концентрації Н+, то зниження РС02 зменшує артеріальну концентрацію Н+ нижче норми (респіраторний алкалоз), і навпаки, гіпо-вентиляція, що не є вторинною до зменшення у плазмі концентрації ЕГ, спричинює респіраторний ацидоз.

                                                                                                                                                                  

Вентиляційні реакції-відповіді на С02

У нормі артеріальний Рсс>2 є на рівні 40 мм рт. ст. Якщо внаслідок пришвидшення обміну речовин у тканинах його рівень підвищується, то вентиляція легень посилюється, і рівень легеневої екскреції С02 збільшуватиметься, доки артеріальний РС02 не стане нормальним. Процес механізму цього зворотного зв’язку утримує екскрецію та утворення С02 у рівновазі.

Коли вдихають газову суміш, що містить С02, то підвищуються альвеолярний та артеріальний Рсс>2, і стимулювання вентиляції легень розпочинається, як тільки кров, що вміщує більшу кількість С02, досягне довгастого мозку. Елімінація С02 збільшується, і альвеолярний РС02 знижується до норми. Ось чому порівняно великі прирости Рсс>2 у повітрі, яке вдихають (наприклад, 15 мм рт. ст.) зумовлюють незначне підвищення альвеолярного Рсс>2 (наприклад, 3 мм рт. ст.). Отже, РШ2 не нормалізується, і нова рівновага настане, коли альвеолярний РС02 незначно підвищиться, а гіпервентиляція триватиме стільки, скільки вдихатимуть С02. Істинне лінійне співвідношення між дихальним хвилинним об’ємом і альвеолярним РСо2 зображене на рис. 36-8.

Проте є обмеження такої лінійності. Коли Рсс>2 газової суміші, яку видихають, близький до альвеолярного РС02, то елімінація С02 утруднена. Якщо ж вміст С02 у газовій суміші, яку видихають, понад 7%, то альвеолярний та артеріальний РС02 починають збільшуватись раптово,

РЕГУЛЮВАННЯ ДИХАННЯ / 621

Альвеолярний Рсо2, ММ рт. ст.

Рис. 36-8. Реакції відповіді здорових осіб, що вдихали 02 та близько 2, 4 і 6% С02. Хвилинний дихальний об’єм збільшується внаслідок збільшення частоти і глибини дихання (відтворено за дозволом з Lambertsen CJ in: Medical Physiology, 13th ed. Mountcastle VB [editor]. Mosby, 1974).

E

‘=r

ex

0

CO

40-

30-

20-

10-

0-

+ +

1—

о

120-

100-

ь

о.

80-

5

5

60-

о

40-

S

1-

20-

0-

21 20 15 10

02 у видихуваному газі, %

160 152 114 76

Po2 у видихуваному газі

Альвеолярний Ро2

* • •

Альвеолярний Рсо2

—і-1—

760 700

5

38

—і-1-г

400 300 200

600 500

Барометричний тиск, мм рт. ст.

Рис. 36-9. Угорі: середні значення хвилинного дихального об’єму після впливу газових сумішей з різним вмістом 02. Горизонтальна лінія у кожному випадку відповідає середньому значенню, вертикальна шкала — одному стандартному відхиленню. Внизу: значення альвеолярного Pq2 і Рсо2 під час вдихання повітря та за різних барометричних тисків. Два графіки вирівнюються, так що Ро2 у газових сумішах, які вдихають (верхній графік), узгоджується з Ро2 для різних барометричних тисків (нижній графік) (дані надані RH Kellogg).

незважаючи на гіпервентиляцію. Наслідком стає нагромадження С02 в організмі (гіперкапнія), що пригнічує центральну нервову систему, у тім числі дихальний центр, і спричинює біль голови, неспокій і, зрештою, кому (С02-наркоз).

                                                                                                                                                                  

Вентиляційні реакції-відповіді на втрату кисню

Коли вміст 02 у повітрі, яке вдихають, зменшується, то це спричинює збільшення хвилинного об’єму дихання. Стимулювання є незначне, доки Р02 у повітрі, яке вдихають, становить понад 60 мм рт. ст., і посилюється тільки у разі нижчих значень Р02 (рис. 36-9). Отже, будь-яке зниження артеріального Р до 100 мм рт. ст. зумовлює збільшення імпульсації в нервах від каротидних та аортальних хеморецепторів. Є два погляди на те, чому у здорових осіб у нормі таке збільшення імпульсного потоку не спричинює збільшення легеневої вентиляції доти, доки Ро2 не стане меншим 60 мм рт. ст. Оскільки НЬ є слабшою кислотою, ніж НЬ02 (див. Розділ 35), то простежується незначне збільшення концентрації Н+ в артеріальній крові, коли Р02 знижується, і гемоглобін стає менш насиченим 02. Унаслідок зменшення концентрації Н+ виникає схильність до гальмування дихання. Додатково будь-яке збільшення легеневої вентиляції, що знижує альвеолярний РС02, також

зумовлює пригнічення дихання. Тому стимулювальні впливи гіпоксії на легеневу вентиляцію не повністю з’ясовані, доки вони не стають вираженими, і достатньо знехтувати протилежними до врівноваження пригнічувальними впливами на зменшення артеріальної концентрації Н+ і РСОг

Вплив зниження альвеолярного Р за сталого альвеолярного РСо2 на вентиляцію зображено на рис. 36-10. Якщо альвеолярний Рссь стабілізований на рівні 2-3 мм рт. ст. понад норму, то взаємовідношення між вентиляцією легень і альвеолярним Р02 у межах 90-100 мм рт. ст. стають протилежними. Проте в разі нижчих від норми значень альвеолярного Рсо стимулювання гіпоксією вентиляції легень не відбуватиметься, доки альвеолярний Р02 не знизиться до 60 мм рт. ст. і менше.

                                                                                                                                                                  

Вплив гіпоксії на криву відповіді С02

У випадку протилежного експерименту, коли альвеолярний р02 є сталим, реакції відповіді на різноманітні кількості С02 визначені лінійними співвідношеннями (рис. 36-11). Коли реакції-відповіді на С02 мають різні значення Р02, то нахил кривої відповіді змінюється: збільшується зі зниженням альвеолярного Р02. Іншими словами, гіпоксія робить особу чутливішою до підвищення артеріального Рсс>2, хоча

Рис. 36-10. Вентиляція легень для різних значень альвеолярного Р02 за стійкого утримування РСо2на рівні 49, 44, або 37 мм рт. ст. (дані надані Loeschke НН і Gertz КН).

рівень альвеолярного РС02, за якого криві на рис. 36-11 перетинаються, є незмінним. У нормі в осіб таке порогове значення є нижчим від нормального альвеолярного Рсс>2, і це свідчить, що у нормі є дуже мале, однак відчутне “зміщення С02” для дихального центру.

                                                                                                                                                                  

Вплив Н+ на відповідь С02

Стимулювальні впливи Н+ і С02 на дихання виявляються, подібно як С02 і 02, що повністю взаємовідносно. У разі метаболічного ацидозу крива відповіді С02 подібна до кривих на рис. 36-11, за винятком того, що ці криві зміщені ліворуч. Іншими словами, дихальне стимулювання однаково виникає і за нижчих артеріальних рівнів РС02. Обчислено, що зміщення кривої відповіді С02 на 0,8 мм рт. ст. ліворуч на кожний наномоль збільшуватиме артеріальний вміст Н+. Понад 40% вентиляційної відповіді на С02 скасовуватиметься, якщо завадити збільшенню артеріального Н+, створеного С02. Як зазначено вище, решта 60%, можливо, відповідають за вплив С02 на концентрацію Н+ у спинномозковій або інтерстиційній рідині головного мозку.

                                                                                                                                                                  

Затримка дихання

Дихання можна свідомо затримувати на деякий час, проте остаточно довільне регулювання обмежене і його не беруть до уваги. Межа, коли дихання не можна більше утримувати затриманим, називають точкою розриву. Вона залежить від підвищення артеріального РС02 і зниження РОсоби можуть затримувати дихання довше після видалення каротидних клубочків. Дихання 100% киснем перед затримкою дихання зумовлює підвищення альвеолярного Ро2, завдяки чому точка розриву настає пізніше. Це однаково справджується в разі гіпервентиляції повітрям кімнати, оскільки С02 вивітрюється назовні й артеріальний РСо2 є низьким на початку. Рефлекторно або завдяки меха

Рис. 36-11. Графічне лінійне зображення (“віяло”) відповідей С02 у разі різних незмінних рівнів альвеолярного Ро2.

нічним факторам розпочинається вплив на точку розриву, тому особи, які затримують дихання якомога довше, а потім вдихають газову суміш з низьким вмістом 02 і високим С02, можуть затримати дихання на додаткових 20 с або більше. Психологічні фактори також відіграють роль, і особи, які можуть утримувати дихання довше, коли вони говорять, своїм виступом свідчать про добрий стан, ніж коли ні.

                                                                                                                                                                  

Гормональні впливи на дихання

Вентиляція легень збільшується під час лютеїнової фази місячного циклу, а також вагітності (див. Розділ 23). Експерименти з тваринами свідчать, що це залежить від активування естрогенозалежних прогестеронових рецепторів у гіпоталамусі. Однак фізіологічне значення такого збільшення остаточно не з’ясоване.

                                                                                                                                                                  

НЕХІМІЧНІ ВПЛИВИ НА ДИХАННЯ

                                                                                                                                                                  

Реакції-відповіді, зумовлені рецепторами дихальних шляхів та легень

Рецептори в дихальних шляхах та легенях іннервовані мієліновими та безмієліновими волокнами блукаючого нерва. Безмієлінові волокна утворені С-волокнами. Рецептори, іннервовані мієліновими волокнами, часто поділяють на дві групи: рецептори, що повільно адаптуються, і рецептори, що швидко адаптуються. Такий поділ підтверджують подразнення, що приводять до тривалої або короткочасної імпульсації у своїх аферентних нервових волокнах (табл. 36-2). Інша група рецепторів переважно складається із закінчень С-волокон; їх відповідно до локалізації поділяють на легеневі та бронхіальні.

Зменшення тривалості вдихання, спричинюване вагус-ною аферентною активністю (див. рис. 36-3), розпочинають рецептори, що повільно адаптуються. Таке зменшення

РЕГУЛЮВАННЯ ДИХАННЯ / 623

Таблиця 36-2. Рецептори дихальних шляхів та легень1

Вагусна іннервація

Тип

Розташування

Подразник

Реакція

Мієлінові

Повільно адаптуються

Серед гладких міоцитів дихальних шляхів (?)

Роздування легень

Зменшення тривалості вдихання Роздування Герінґ-Брайєра або рефлекторне спадання легені Бронходилатація Тахікардія

Швидко адаптуються

Серед епітеліоцитів дихальних шляхів

Гіпервентиляція

легень

Екзо- та ендогенні речовини

(наприклад, гістамін, простагландини)

Гіперпное

Кашель

Бронхоконстрикція Секреція слизу

Безмієлінові

Легеневі С-волокна

Ближче до

Легенева

Апное з наступним

С-волокна

Бронхіальні С-волокна

кровоносних судин

гіпервентиляція Екзо- та ендогенні речовини

(наприклад, капсаїцин, брадикінін, серотонін)

прискореним диханням Бронхоконстрикція Брадикардія Гіпотензія Секреція слизу

1 Модифіковано та відтворено за дозволом з Berger AJ, Hornbein TF: Control of respiration. In: Textbook of Physiology, 21st ed. Vol. 2. Patton HD et al [editors]. Saunders, 1989.

називають рефлексом Герінґа-Брайєра. Цей рефлекс -збільшення тривалості видихання у разі роздування легень і рефлекс випускання повітря Герінґа-Брайєра — зменшує тривалість видихання, створену відповідним випусканням повітря з легень.

Оскільки рецептори, що швидко адаптуються, подразнювані хімічними агентами, такими як гістамін, то їх називають іритантними рецепторами. Активування цього типу рецепторів у трахеї спричинює кашель, бронхоконст-рикцію та секрецію слизу, а в легенях може зумовлювати гіпервентиляцію.

Закінчення С-волокон, які розміщені близько біля легеневих судин, називають J-рецепторами (від англ. juxtacapi-llary — юкстакапілярні). їх подразнює гіпервентиляція у легенях, однак вони також реагують на внутрішньовенозне або внутрішньокардіальне введення хімічних речовин, таких як капсаїцин. Рефлекторною відповіддю є апное з наступними швидким диханням, брадикардією та гіпотензією (пульмональний хеморефлекс). Подібну відповідь спричинюють рецептори в серці (рефлекс Бецольда-Ярі-ша або вінцевий хеморефлекс; див. Розділ 31). Фізіологічна роль цього рефлексу остаточно не з’ясована, однак він частково простежується під час патологічних станів, таких як набряк легень або емболізація легеневих артерій, і розвивається в разі вивільнення ендогенних речовин.

                                                                                                                                                                  

Кашель та чхання

Кашель розпочинається глибоким вдиханням і продовжується наступним форсованим видиханням проти закритого голосника. Це збільшує внутрішньоплевральний тиск до 100 мм рт. ст. чи й більше. Потім голосник раптово відкривається, утворюючи своєрідний подібний до вибуху викид повітря назовні зі швидкістю до 965 км/год. Чхання

є подібною експіраторною спробою з тривалим відкритим голосником (див. Розділ 14). Ці рефлекси допомагають позбутися іритантних речовин і утримувати повітроносні шляхи чистими.

                                                                                                                                                                  

Реакції-відповіді хворих з серцево-легеневими трансплантатами

Трансплантація серця і легень завершила експериментальний етап і тепер це визнаний метод лікування для важких пульмонологічних хвороб і деяких інших станів. Зокрема в осіб з трансплантатами праве передсердя реципієнта приєднане до донорського серця; донорське серце не реін-нервоване, так що серцебиття у спокої частіше. Донорську трахею приєднують до реципієнтської саме до кіля трахеї, і аферентні волокна від легень не відновлюються. Отже, спостереження за хворими із серцево-легеневим транс-плантантом дає змогу оцінити роль іннервації легень у нормальній фізіології. Кашльові відповіді, зумовлені подразненням, відбуваються в них нормально, бо трахея іннервована, проте в разі подразнення дрібних повітряних шляхів кашлю не буде. У хворих із серцево-легеневим трансплантатом бронхи мають схильність бути дилатова-ними більше, ніж у нормі. Крім того, у них простежується нормальна кількість позіхань і зітхань, а це свідчить, що ці дії не залежать від іннервації легень. Для хворих з трансплататами характерна втрата рефлексів Герінґа-Брайєра, проте дихання у спокої відповідає нормі, отже, ці рефлекси не відіграють важливої ролі у регулюванні дихання під час спокою.

                                                                                                                                                                  

Аферентні шляхи до вищих центрів

Больові та емоційні подразники впливають на дихання, тому повинні бути аферентами від лімбічної системи та

гіпоталамуса до дихальних нейронів стовбура мозку. Крім того, рівне дихання не завжди є усвідомленим актом. Як вдихання, так і видихання перебувають під вольовим контролем. Провідні шляхи вольового регулювання проходять від нової кори до мотонейронів, що іннервують дихальні м’язи, оминаючи нейрони довгастого мозку.

Оскільки вольовий та автономний контроль за диханням відокремлені, то автономний контроль деколи переривається без втрати вольового. Клінічний стан, який виникає в цьому разі, називають прокляттям Ондін. У німецькій легенді Ондін була водяною німфою і мала підступного коханця з простих смертних людей. Король водяних німф жорстоко покарав коханця, забравши в нього всі автономні функції. Унаслідок цього він міг бути живим лише в стані бадьорості, пам’ятаючи про дихання, однак від цілковитого виснаження заснув, і його дихання припинилось. Такий стан мають хворі на бульбарний енцефаліт унаслідок поліомієліту або декомпресії довгастого мозку.

                                                                                                                                                                  

Аферентні волокна від пропріорецепторів

Завдяки високоточним дослідженням з’ясовано, що активні та пасивні рухи у суглобах стимулюють дихання, оскільки імпульси в аферентних провідних шляхах від пропріорецепторів у м’язах, сухожилках та суглобах подразнюють інспіраторні нейрони. Цей вплив, вірогідно, збільшує вентиляцію легень під час фізичного навантаження.

                                                                                                                                                                  

Респіраторні складові вісцеральних рефлексів

Пристосування дихання у разі блювання, ковтання та кашлю описано у Розділах 14 і 26. Гальмування дихання та закриття голосника під час цих дій не тільки попереджує аспірацію їжі або блювотних мас у трахею, а й під час блювання зупиняє рухи грудної клітки так, щоб скорочення черевних м’язів збільшувало внутрішньочеревний тиск. Подібно відбувається закривання голосника і гальмування дихання під час вольового та мимовільного напруження.

Гикавка — це спазматичне скорочення діафрагми та інших інспіраторних м’язів, що спричинюють вдихання, під час якого голосник раптово закривається. Закриття голосника відповідає за характерні відчуття і звук. Гикавка буває в плоду під час внутрішньоутробного розвитку і може виникнути упродовж усього життя людини. Її функція остаточно не з’ясована. Більшість приступів короткотри

валі і часто відповідають за затримку дихання або інші критерії, що сприяють підвищенню РСОг Тривала гикавка може бути виснажливою.

Позіхання є своєрідним заразним дихальним актом, фізіологічна основа та значення якого досі не відомі. Подібно до гикавки, позіхання простежується у внутрішньо-утробному періоді, а також властиве рибам, черепахам та ссавцям. Невентильовані альвеоли схильні до колапсу, тому вважають, що глибокі вдихання відкривають їх і попереджують розвиток ателектазу. Позіхання також збільшує надходження венозної крові до серця. Зітхання виконує подібні функції. Крім того, теперішні експерименти доводять анти-ателектичний вплив зітхання. Є також думка, що зітхання — це невербальний сигнал для спілкування звірів у групі, і дехто запевняє, що це ж справджується у людей, лише на іншому рівні.

                                                                                                                                                                  

Респіраторні впливи подразнення барорецепторів

Аферентні волокна від барорецепторів каротидного синуса, дуги аорти, передсердь та шлуночків передають імпульси як від респіраторних нейронів, так і від вазомоторних та кардіоінгібіторних нейронів у довгастому мозку. Імпульси від них гальмують дихання, однак такий вплив невеликий і фізіологічне значення його неважливе. Гіпер-вентиляція під час шоку спричинена ацидозом унаслідок подразнення хеморецепторів і вторинної гіпоксії завдяки місцевому застою кровоплину (це відбувається без участі барорецепторів). Активність інспіраторних нейронів впливає на артеріальний тиск та серцебиття (див. Розділ 28 та 31), а активність у вазомоторній та кардіальній зонах у довгастому мозку можуть лише незначно впливати на дихання.

                                                                                                                                                                  

Вплив сну

Дихання під час сну контрольоване не так чітко, як під час неспання, і короткі періоди апное трапляються в нормі у сплячих дорослих. Тоді формуються різні зміни вентиляції легень, спричинені гіпоксією. Якщо РСо2 знижується під час періоду неспання, то різноманітні подразники від пропріорецепторів та зовнішнього середовища підтримують дихання, однак під час сну дія цих подразників послаблена, і зниження РШ2 може спричинити апное. Під час періоду сну ШРО дихання нерегулярне, і відповідь на СО, дуже різноманітна.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

Вільям Ф. Ґанонґ. Фізіологія людини