Значение хеморецепторов в регуляции дыхания. Рефлекторная регуляция дыхания

Периферические или артериальные хеморецепторы расположены в известной рефлексогенной зоне – дуге аорты и каротидном синусе (рисунки 17А и Б), и представлены каротидными и аортальными телами. Здесь же локализованы и барорецепторы, принимающие участие в регуляции артериального давления.

Рисунок 17 А. Периферические хеморецепторы

В сосудистой рефлексогенной зоне

Из двух хеморецептивных зон артериального русла - аортальной и синокаротидной - в регуляции дыхания существенную роль играет синокаротидная зона. Эта роль значительно скромнее по сравнению с ролью бульбарных структур - у человека двустороннее удаление каротидных тел не вызывает заметных изменений дыхания в состоянии покоя. Каротидные тела расположены в месте деления общей сонной артерии на внутреннюю и наружную.

Тело представляет собой образование, заключенное в соединительнотканную капсулу, чрезвычайно богато кровоснабжается и иннервируется как афферентными, так и эфферентными нервами. Кровоток через каротидное тело очень велик - до 2л/мин/г, а потребление кислорода в 3 - 4 раза больше, чем мозгом.

Рисунок 17 Синокаротидная (а) и аортальная (б) рефлексогенные зоны

IX и X – языкоглоточный и блуждающий нервы, 1 – верхний шейный симпатический ганглий, 2 – синусный нерв, 3 – каротидное тело, 4 – общая сонная артерия, 5 - затылочная артерия, 6 – звездчатый ганглий, 7 – аортальный нерв, 8 – аортальные тела, 9 – дуга аорты

Схема строения и иннервации каротидного тела представлена на рисунке 18.

Рисунок 18. Схема строения каротидного тела

Клетки I типа

Клетки II типа

Синусный нерв

Афферентные волокна синусного нерва

Эфферентное волокно синусного нерва

Симпатическое волокно

Кровеносный сосуд

В ткани каротидного тела различают два типа клеток. I тип - главные клетки, крупные клетки, имеющие эпителиальное происхождение. В клетках этого типа содержатся гранулы, которые исчезают при острой гипоксии. Непосредственно с ними контактируют окончания афферентной ветви языкоглоточного нерва (нерв Геринга, синусный нерв). Именно этим клеткам принадлежит основная роль в хемочувствительности - разрушение этих клеток прекращает хеморецептивную активность каротидного тела. Мелкие клетки II типа гомологичны глиальным клеткам и напоминают Шванновские. Своими отростками они оплетают главные клетки.

Адекватными стимуляторами хеморецепторов каротидного тела служат следующие сдвиги в составе омывающей их артериальной крови: 1) снижение напряжения кислорода, 2) увеличение напряжения СО 2 , 3) увеличение концентрации водородных ионов.

Главным стимулятором активности каротидного центра является гипоксия . Даже умеренная гипоксия сопровождается более выраженным увеличением частоты импульсов синусного нерва, чем сильная гиперкапния.

Каким же образом рецепторы воспринимают информацию о снижении напряжения кислорода в крови? Цитоплазма клеток I типа содержит гранулы, в которых накапливается дофамин. Оценка уровня кислорода осуществляется специальными рецепторами, которые расположены на мембране клеток I типа. На основании экспериментальных данных предложена гипотетическая схема работы этих рецепторов, представленная на рисунке 19.

Рисунок 19. Кислородный сенсор каротидного тела

Взаимодействие кислородного сенсора с кислородом приводит к активации калиевых каналов. В таком состоянии клетка находится практически постоянно, а ток калия из цитоплазмы поддерживает потенциал клетки на уровне мембранного потенциала покоя. Снижение напряжения кислорода в крови приводит к освобождению кислородного сенсора, калиевые каналы закрываются, мембранный потенциал уменьшается и достигает критического уровня деполяризации, в клетках I типа возникает потенциал действия. Возникновение ПД приводит к тому, что в клетках открываются кальциевые каналы и выделяется дофамин.

Артериальные хеморецепторы возбуждаются и при повышении напряжения углекислого газа в артериальной крови. Гиперкапническая стимуляция артериальных хеморецепторов, так же как и центральных, осуществляется прямым влиянием ионов Н + при снижении рН крови. Воздействие водородных ионов в клетках каротидного тела обусловлено сдвигом метаболизма за счет работы редокс-систем. Таким образом, и гипоксия, и гиперкапния различными путями приводят к изменению метаболических процессов в клетках, а стимуляторами каротидных хеморецепторов служат продукты измененного обмена. Существенная и важная разница заключается в том, что реакция на снижение напряжения кислорода наступает значительно быстрее.

Возникающий импульс возбуждения проводится по аффрентным волокнам синусного нерва и достигает дорзальной группы дыхательных нейронов продолговатого мозга. Возбуждение нейронов повышает инспираторную активность. Особенно увеличивается частота импульсации в диапазоне напряжения кислорода от 80 до 20 мм рт.ст.

Хеморецепторы каротидного синуса находятся под нервным контролем: повышение активности симпатической нервной системы и выделение норадреналина повышает их чувствительность, а парасимпатические импульсы и ацетилхолин – снижают.

Аортальные тела сходны по строению с каротидными телами, не отличаются и важнейшие функции этих образований, прежде всего как кислородных сенсоров. Расположенные в аортальной зоне хеморецепторы принимают незначительное участие в регуляции дыхания, их основная роль проявляется в регуляции деятельности сердца и тонуса сосудов.

Периферические хеморецепторы дополняют деятельность центральных. Взаимодействие центральных и периферических структур особенно важно в условиях дефицита кислорода. Дело в том, что центральные хеморецепторы очень чувствительны к недостатку кислорода. Клетки при гипоксии могут совсем потерять свою чувствительность, при этом снижается активность дыхательных нейронов. В этих условиях дыхательный центр получает основную возбуждающую стимуляцию от периферических хеморецепторов, для которых основным стимулом является именно дефицит кислорода. Т аким образом, артериальные хеморецепторы служат «аварийным» механизмом стимуляции дыхательного центра в условиях снижения снабжения мозга кислородом.

Непременным условием эффективности легочного газообмена служит поддержание оптимальных вентиляционно-перфузионных отношений. Такое оптимальное соотношение обеспечивается сопряженной регуляцией систем дыхания и кровообращения. Проявлением такого сопряжения служит одновременное увеличение и вентиляции легких (МОД), и сосудистого тонуса, и деятельности сердца (МОК). Особенно выраженными такие одновременные изменения бывают во время физической нагрузки, при гипоксии, эмоциональном возбуждении. Периферические хеморецепторы расположены в тех же зонах, что и барорецепторы - нервные окончания лежащие непосредственно в стенке магистрального сосуда. Такое соседство, конечно, не случайно. Совместный контроль дыхания и кровообращения обеспечивает устойчивое снабжение кислородом жизненно важных органов, прежде всего мозга. Аортальная зона расположена у «ворот» всей артериальной системы, и здесь ведущую роль играют барорецепторы. Синокаротидная зона лежит у «ворот» всей сосудистой сети мозга, и здесь основная роль принадлежит хеморецепторам. Проекции хеморецепторных и барорецепторных афферентных волокон в ядрах ствола мозга (солитарное, парамедиальное) объединены межнейронными связями.

Итак, центральные и периферические хеморецепторы передают в дыхательный центр информацию о напряжении кислорода и углекислого газа в крови, они возбуждаются и увеличивают частоту импульсов при снижении содержания кислорода и повышении углекислого газа.

Регуляция дыхания - это согласованное нервное управление дыхательными мышцами, последовательно осуществляющими дыхательные циклы, состоящие из вдоха и выдоха.

Дыхательный центр - это сложное многоуровневое структурно-функциональное образование мозга, осуществляющее автоматическую и произвольную регуляцию дыхания.

Дыхание - процесс автоматический, но он поддается произвольной регуляции. Без такой регуляции невозможна была бы речь. Вместе с тем, управление дыханием построено на рефлекторных принципах: как безусловно-рефлекторных, так и условно-рефлекторных.

Регуляция дыхания построена на общих принципах автоматической регуляции, которые используются в организме.

Пейсмейкерные нейроны (нейроны - "создатели ритма") обеспечивают автоматическое возникновение возбуждения в дыхательном центре даже в том случае, если не будут раздражаться дыхательные рецепторы.

Тормозные нейроны обеспечивают автоматическое подавление этого возбуждения через определённое время.

В дыхательном центре используется принцип реципрокного (т.е. взаимоисключающего) взаимодействия двух центров: вдоха и выдоха . Их возбуждение находится в обратно пропорциональной зависимости. Это означает, что возбуждение одного центра (например, центра вдоха) тормозит связанный с ним второй центр (центр выдоха).

Функции дыхательного центра
- Обеспечение вдоха.
- Обеспечение выдоха.
- Обеспечение автоматии дыхания.
- Обеспечение приспособления параметров дыхания к условиям внешней среды и деятельности организма.
Например, при повышении температуры (как в окружающей среде, так и в организме) дыхание учащается.

Уровни дыхательного центра

1. Спинальный (в спинном мозге). В спинном мозге расположены центры, координирующие деятельность диафрагмы и дыхательных мышц - L-мотонейроны в передних рогах спинного мозга. Диафрагмальные нейроны - в шейных сегментах, межреберные - в грудных. При перерезке проводящих путей между спинным и головным мозгом дыхание нарушается, т.к. спинальные центры не обладают автономностью (т.е. самостоятельностью) и не поддерживают автоматию дыхания.

2. Бульбарный (в продолговатом мозге) - основной отдел дыхательного центра. В продолговатом мозге и варолиевом мосту располагаются 2 основных вида нейронов дыхательного центра - инспираторные (вдыхательные) и экспираторные (выдыхательные).

Инспираторные (вдыхательные) - возбуждаются за 0,01-0,02 с до начала активного вдоха. Во время вдоха у них увеличивается частота импульсов, а затем мгновенно прекращается. Подразделяются на несколько видов.

Виды инспираторных нейронов

По влиянию на другие нейроны:
- тормозные (прекращают вдох)
- облегчающие (стимулируют вдох).
По времени возбуждения:
- ранние (за несколько сотых долей секунды до вдоха)
- поздние (активны в процессе всего вдоха).
По связям с экспираторными нейронами:
- в бульбарном дыхательном центре
- в ретикулярной формации продолговатого мозга.
В дорсальном ядре 95% - инспираторные нейроны, в вентральном - 50%. Нейроны дорсального ядра связаны с диафрагмой, а вентрального - с межрёберными мышцами.

Экспираторные (выдыхательные) - возбуждение возникает за несколько сотых долей секунды до начала выдоха.

Различают:
- ранние,
- поздние,
- экспираторно-инспираторные.
В дорсальном ядре 5% нейронов являются экспираторными, а в вентральном - 50%. В целом экспираторных нейронов значительно меньше, чем инспираторных. Получается, что вдох важнее выдоха.

Автоматию дыхания обеспечивают комплексы из 4-х нейронов с обязательным присутствием тормозных.

Взаимодействие с другими центрами мозга

Дыхательные инспираторные и экспираторные нейроны имеют выход не только на дыхательные мышцы, но и на другие ядра продолговатого мозга. Например, при возбуждении дыхательного центра реципрокно тормозится центр глотания и в то же время, наоборот, возбуждается сосудо-двигательный центр регуляции сердечной деятельности.

На бульбарном уровне (т.е. в продолговатом мозге) можно выделить пневмотаксический центр , расположенный на уровне варолиева моста, выше инспираторных и экспираторных нейронов. Этот центр регулирует их активность и обеспечивает смену вдоха и выдоха . Инспираторные нейроны обеспечивают вдох и одновременно от них возбуждение поступает в пневмотаксический центр. Оттуда возбуждение бежит к экспираторным нейронам, которые возбуждаются и обеспечивают выдох. Если перерезать пути между продолговатым мозгом и варолиевым мостом, то уменьшится частота дыхательных движений, засчёт того, что уменьшается активирующее действие ПТДЦ (пневмотаксического дыхательного центра) на инспираторные и экспираторные нейроны. Это также приводит к удлинению вдоха засчёт длительного сохранения тормозного влияния экспираторных нейронов на инспираторные.

3. Супрапонтиальный (т.е. "надмостовый") - включает в себя несколько областей промежуточного мозга:
Гипоталамическая область - при раздражении вызывает гиперпноэ - увеличение частоты дыхательных движений и глубины дыхания. Задняя группа ядер гипоталамуса вызывает гиперпноэ, передняя группа действует противоположным образом. Именно засчёт дыхательного центра гипоталамуса дыхание реагирует на температуру окружающей среды.
Гипоталамус совместно с таламусом обеспечивает изменение дыхания при эмоциональных реакциях .
Таламус - обеспечивает изменение дыхания при болевых ощущениях.
Мозжечок - приспосабливает дыхание к мышечной активности.

4. Моторная и премоторная зона коры больших полушарий головного мозга. Обеспечивает условно-рефлекторную регуляцию дыхания. Всего за 10-15 сочетаний можно выработать дыхательный условный рефлекс. Засчёт этого механизма, например, у спортсменов перед стартом возникает гиперпноэ.
Асратян Э.А. в своих опытах удалял у животных эти области коры. При физической нагрузке у них быстро возникала одышка - диспноэ, т.к. им не хватало этого уровня регуляции дыхания.
Дыхательные центры коры дают возможность произвольного изменения дыхания.

Регуляция деятельности дыхательного центра
Бульбарный отдел дыхательного центра является главным, он обеспечивает автоматию дыхания, но его деятельность может изменяться под действием гуморальных и рефлекторных влияний.

Гуморальные влияния на дыхательный центр
Опыт Фредерика (1890). Он сделал перекрестное кровообращение у двух собак - голова каждой собаки получила кровь от туловища другой собаки. У одной собаки зажимали трахею, следовательно, возрастал уровень углекислого газа и понижался уровень кислорода в крови. После этого другая собака начинала часто дышать. Возникало гиперпноэ. В следствие этого в крови уменьшался уровень СО2 и возрастал уровень О2. Эта кровь поступала к голове первой собаки и тормозила ее дыхательный центр. Гуморальное торможение дыхательного центра могло довести эту первую собаку до апноэ, т.е. остановки дыхания.
Факторы, гуморально влияющие на дыхательный центр:
Избыток СО2 - гиперкарбия, вызывает активацию дыхательного центра.
Недостаток О2 - гипоксилия, вызывает активацию дыхательного центра.
Ацидоз - накопление ионов водорода (закисление), активирует дыхательный центр.
Недостаток СО2 - торможение дыхательного центра.
Избыток О2 - торможение дыхательного центра.
Алколоз - +++торможение дыхательного центра
Сами нейроны продолговатого мозга засчет высокой активности вырабатывают много СО2 и локально воздействуют на самих себя. Положительная обратная связь (сами себя усиливают).
Кроме прямого действия СО2 на нейроны продолговатого мозга существует рефлекторное действие через рефлексогенные зоны сердечно-сосудистой системы (рефлексы Рейманса). При гиперкарбии возбуждаются хеморецепторы и от них возбуждение поступает к хемочувствительным нейронам ретикулярной формации и к хемочувствительным нейронам коры головного мозга.
Рефлекторное влияние на дыхательный центр.
1. Постоянное влияние.
Рефлекс Гелинга-Брейера. Механорецепторы в тканях легких и дыхательных путей возбуждаются при растяжении и спадении легких. Они чувствительны к растяжению. От них импульсы по вакусу (блуждающий нерв) идет в продолговатый мозг к инспираторным L-мотонейронам. Вдох прекращается и начинается пассивный выдох. Этот рефлекс обеспечивает смену вдоха и выдоха и поддерживает активность нейронов дыхательного центра.
При перегрузке вакуса и перерезке рефлекс отменяется: снижается частота дыхательных движений, смена вдоха и выдоха осуществляется резко.
Другие рефлексы:
растяжение легочной ткани тормозит последующий вдох (экспираторно-облегчающий рефлекс).
Растяжение легочной ткани при вдохе сверх нормального уровня вызывает дополнительный вздох (парадоксальный рефлекс Хеда).
Рефлекс Гейманса - возникает от хеморецепторов сердечно-сосудистой системы на концентрацию СО2 и О2.
Рефлекторное влияние с пропреорецепторов дыхательных мышц - при сокращении дыхательных мышц возникает поток импульсов от пропреорецепторов к ЦНС. По принципу обратной связи изменяется активность инспираторных и экспираторных нейронов. При недостаточном сокращении инспираторных мышц возникает респираторно-облегчающий эффект и вдох усиливается.
2. Непостоянные
Ирритантные - расположены в дыхательных путях под эпителием. Являются одновременно механо- и хеморецепторами. Имеют очень высокий порог раздражения, поэтому работают в экстраординарных случаях. Например, при понижении легочной вентиляции объем легких уменьшается, возбуждаются ирритантные рецепторы и вызывают рефлекс форсированного вдоха. В качестве хеморецепторов эти же рецепторы возбуждаются биологически активными веществами - никотин, гистамин, простогландин. Возникает чувство жжения, першения и в ответ - защитный кашлевой рефлекс. В случае патологии ирритантные рецепторы могут вызвать спазм дыхательных путей.
в альвеолах рецепторы юкста-альвеолярные и юкста-капиллярные реагируют на объем легких и биологически активные вещества в капиллярах. Повышают частоту дыхания и сокращают бронхи.
На слизистых оболочках дыхательных путей - экстерорецепторы. Кашель, чихание, задержка дыхания.
На коже - тепловые и холодовые рецепторы. Задержка дыхания и активация дыхания.
Болевые рецепторы - кратковременная задержка дыхания, затем усиление.
Энтерорецепторы - с желудка.
Пропреорецепторы - со скелетных мышц.
Механорецепторы - с сердечно-сосудистой системы.

Рефлекторная регуляция дыхания модулирует работу дыхательного центра, приспосабливает глубину и частоту дыхательных движений и соответственно степень вентиляции легких с потребностями организма, обеспечивает защитные реакции дыхательных путей от химических и механических факторов повреждения. Дыхательные рефлексы развиваются вследствие раздражения не только собственных рецепторов, но и рецепторов других органов и тканей организма. Однако наибольшее значение в регуляции дыхания имеют хемочутливи структуры рефлексогенных зон сосудов и продолговатого мозга, каротидные и аортальные барорецепторы и механорецепторы легких.

Роль рецепторов в регуляции дыхания

1 Центральные хеморецепторы продолговатого мозга. В дыхательном центре продолговатого мозга, кроме дорсальных и вентральных групп дыхательных нейронов, не чувствительны к изменениям концентрации ионов водорода и углекислого газа, билатерально под вентральной поверхностью (на глубине 0,2 мм) находится хемочутливе поле, которое реагирует на изменения концентрации Н + и СО2 (рис. 11.17).

Повышенная концентрация СО2 в артериальной крови через гематоэнцефалический барьер диффундирует в цереброспинальной жидкости и в интерстициальное пространство, где под влиянием карбоангидразы образуется угольная кислота (СО2 + Н2О = Н2СO3), которая распадается на Н + + HCO3-.

Ионы Н + проникают вхемочутливе поле и непосредственно действуют на центральные хеморецепторы, информация от которых передается в дорсальных инспираторных нейронов, которые активируются и вызывают значительное увеличение вентиляции легких. В меньшей степени влияет СО2. Центральные рецепторы к изменениям концентрации O2 почти не чувствительны.

2 Периферические хеморецепторы расположены в ка ротидних (место бифуркации сонных артерий) и аортальных (вдоль дуги аорты) тельцах (рис. 11.18).

Кровоснабжение телец осуществляется маленькими артериями, отходящими от соседних артериальных ветвей. Масса артериальной крови, протекающей в них за 1 мин, в 20 раз больше массы самых телец, поэтому они реагируют на изменение Ро2, а не Рсо2, которая здесь почти постоянно. Афферентная информация от каротидных телец нервом Геринга (ветвь языко-глоточного нерва) и от телец дуги аорты по депрессорных нерва Циона (ветвь блуждающего нерва) направляется в дорсальную инспираторную зону продолговатого мозга.

РИС. 11.17. Роль центральных хеморецепторов в регуляции дыхания. И - инспираторные нейроны дорсальной зоны: СМР - спинномозговая жидкость

РИС. 11.18.

При уменьшении Ро 2 в артериальной крови в пределах 60-30 мм рт. ст. периферические хеморецепторы телец возбуждаются, информация от них передается в инспираторные нейроны, что приводит к увеличению глубины и частоты дыхания, восстановление кислородного гомеостаза.

При увеличении РСО 2 в артериальной крови также активируются периферические хеморецепторы и инспираторные нейроны, получающие от них информацию, вызывают увеличение вентиляции легких, восстановления Ро2 крови, но их роль значительно меньше (15%), чем центральных хеморецепторов (85%), которые активируются позже. При уменьшении pH артериальной крови стимулируются преимущественно каротидные хеморецепторы независимо от изменения Рсо2.

Механизм активации периферических хеморецепторов. Это вторичные хеморецепторы - гломусные клетки, входящие в состав сонных и аортального телец. В ответ на изменения концентрации Ро2, Рсо2 и pH крови они уменьшают проницаемость мембранных ионных каналов для калия, что приводит к деполяризации мембраны, увеличение ее проницаемости для ионов кальция. Следствием этого является выделение медиаторов, которые взаимодействуют с постсинаптической мембраны афферентных нервных волокон и вызывают постсинаптический потенциал с последующей генерацией ПД, передают информацию по IX и X черепных нервах к дорсальных инспираторных нейронов.

3 Рецепторы растяжения легких - расположены в гладких мышцах бронхов и бронхиол. Они активируются при перерастяжения легких воздухом при вдохе, когда дыхательный объем превышает 1,0 л, например, при интенсивной физической работе. Информация от рецепторов передается афферентными во-

РИС. 11.19. Рефлекс Геринга - Брейсра. Торможение ДДГ (дорсальная дыхательная группа) и стимуляция "+" ВДГ (вентральная дыхательная группа). ПТЦ - пневмотаксичний центр, Хп - блуждающий нерв

Локня блуждающего нерва в инспираторных нейронов дорсальной дыхательной группы, что приводит к прекращению вдоха и ускорения выдохе, увеличение частоты дыхательных движений (рефлекс Геринга - Брейера). Рефлекс имеет защитный характер, поскольку предупреждает чрезмерное растяжение легких (рис. 11.19).

4 Иритантни рецепторы - расположены в слизистой оболочке воздухоносных путей между эпителиальными клетками. Они стимулируются как механическими (вдыхание частиц пыли, дыма, накопления слизи), так и химическими раздражителями (пары серной кислоты, аммиака, серы) и быстро адаптируются. Раздражение иритантних рецепторов бронхов сокращает выдох, в результате чего дыхание становится частым и поверхностным. Возбуждение иритантних рецепторов трахеи приводит к чихания, кашля и бронхоспазма.

5 J-рецепторы (юкстакапилярни) - расположены в стенках альвеол, которые тесно прилегают к капиллярам. Активируются при отеке интерстициального пространства между стенкой альвеолы и капилляра. Сильным раздражителем этих рецепторов является повышение давления в малом круге кровообращения при сердечной недостаточности (отек легких). Возбуждение их приводит к рефлекторного сужения бронхов и гортани, апноэ, после чего возникает частое поверхностное дыхание.

6 Рецепторы суставов и мышц (проприорецепторы) - активируются при движении конечностей; важные для стимуляции дыхания при физической нагрузке.

7 Рецепторы кожи и висцеральные рецепторы - передают информацию в дыхательный центр. Во время боли, изменения температуры кожи, другой активации может возникать гипервентиляция.

text_fields

text_fields

arrow_upward

Основное назначение регуляции внешнего дыхания заключается в поддержании оптималь­ ного газового состава артериальной крови - напряжения О 2 , на­пряжения СО 2 и, тем самым, в значительной мере - концентрации водородных ионов .

У человека относительное постоянство напряже­ния О 2 и СО 2 артериальной крови сохраняется даже при физической работе, когда потребление О 2 и образование СО 2 возрастает в не­сколько раз. Это возможно потому, что при работе вентиляция легких увеличивается пропорционально интенсивности метаболичес­ких процессов. Избыток СО 2 и недостаток О 2 во вдыхаемом воздухе также вызывает увеличение объемной скорости дыхания, благодаря чему парциальное давление О 2 и СО 2 в альвеолах и в артериальной крови почти не изменяется.

Особое место в гуморальной регуляции деятельности дыхательного центра имеет изменение в крови напряжения СО 2 . При вдыхании газовой смеси, содержащей 5-7% СО 2 , увеличение парциального давления СО 2 в альвеолярном воздухе задерживает выведение СО 2 из венозной крови. Связанное с этим повышение напряжения СО 2 в артериальной крови приводит к увеличению легочной вентиляции в 6-8 раз. Благодаря такому значительному увеличению объема дыха­ния, концентрация СО 2 в альвеолярном воздухе возрастает не более, чем на 1%. Увеличение содержания СО 2 в альвеолах на 0.2% вы­зывает увеличение вентиляции легких на 100%. Роль СО 2 как глав­ного регулятора дыхания, выявляется и в том, что недостаток со­держания СО 2 в крови понижает деятельность дыхательного центра и приводит к уменьшению объема дыхания и даже к полному пре­кращению дыхательных движения (апное). Это происходит, напри­мер, при искусственной гипервентиляции: произвольное увеличение глубины и частоты дыхания приводит к гипокапнии - снижению парциального давления СО 2 в альвеолярном воздухе и артериальной крови. Поэтому после прекращения гипервентиляции появление очередного вдоха задерживается, а глубина и частота последующих вдохов вначале снижается.

Указанные изменения газового состава внутренней среды орга­низма оказывают влияние на дыхательный центр опосредованно, через специальные хемочувствителъные рецепторы , расположенные непосредственно в структурах продолговатого мозга («центральные хеморецепторы« ) и в сосудистых рефлексогенных зонах («перифери­ческие хеморецепторы «) .

Регуляции дыхания Центральными (медуллярными) хеморецепторами

text_fields

text_fields

arrow_upward

Центральными (медуллярными) хеморецепторами, постоянно участву­ющими в регуляции дыхания, называют нейрональные структуры в продолговатом мозге, чувствительные к напряжению СО 2 и кислотно-щелочному состоянию омывающей их межклеточной мозговой жид­кости. Хемочувствительные зоны имеются на переднебоковой поверх­ности продолговатого мозга около выходов подъязычного и блужда­ющего нервов в тонком слое мозгового вещества на глубине 0.2-0.4 мм. Медуллярные хеморецепторы постоянно стимулируются ионами водорода в межклеточной жидкости ствола мозга, концентрация кото­рых зависит от напряжения СО 2 в артериальной крови. Спинномоз­говая жидкость отделена от крови гемато-энцефалическим барьером, относительно непроницаемым для ионов Н + и НСО 3 , но свободно пропускающим молекулярный СО 2 . При повышении напряжения СО 2 в крови он диффундирует из кровеносных сосудов головного мозга в спинномозговую жидкость, в результате чего, в ней накапливаются ионы Н + , которые стимулируют медуллярные хеморецепторы. При повышении напряжения СО 2 и концентрации водородных ионов в жидкости, омывающей медуллярные хеморецепторы, увеличивается активность инспираторных и падает активность экспираторных нейро­нов дыхательного центра продолговатого мозга. В результате этого, дыхание становится более глубоким и вентиляция легких растет, глав­ным образом, за счет увеличения объема каждого вдоха. Напротив, снижение напряжения СО 2 и подщелачивание межклеточной жидкости ведет к полному или частичному исчезновению реакции увеличения объема дыхания на избыток СО 2 (гиперкапнию) и ацидоз, а также к резкому угнетению инспираторной активности дыхательного центра вплоть до остановки дыхания.

Регуляции дыхания Периферическими хеморецепторами

text_fields

text_fields

arrow_upward

Периферические хеморецепторы, воспринимающие газовый состав артериальной крови, расположены в двух областях:

1) Дуге аорты,

2) Месте деления (бифуркация) общей сонной артерии (каротидный си­ нус),

т.е. в тех же зонах, что и барорецепторы, реагирующие на изменения кровяного давления. Однако, хеморецепторы представля­ют собой самостоятельные образования, заключенные в особых тель­цах - клубочках или гломусах, которые находятся вне сосуда. Аффе­рентные волокна от хеморецепторов идут: от дуги аорты - в со­ставе аортальной ветви блуждающего нерва, а от синуса сонной артерии - в каротидной ветви языкоглоточного нерва, так называ­емом нерве Геринга. Первичные афференты синусного и аортально­го нерва проходят через ипсилатеральное ядро солитарного тракта. Отсюда хеморецептивные импульсы поступают к дорсальной группе дыхательных нейронов продолговатого мозга.

Артериальные хеморецепторы вызывают рефлекторное увеличение легочной вентиляции в ответ на снижение напряжения кислорода в крови (гипоксемию). Даже в обычных (нормоксических) условиях эти рецепторы находятся в состоянии постоянного возбуждения, которое исчезает только при вдыхании человеком чистого кислорода. Умень­шение напряжения кислорода в артериальной крови ниже нормаль­ного уровня вызывает усиление афферентации из аортальных и синокаротидных хеморецепторов.

Хеморецепторы каротидного синуса . Вдыхание гипоксической смеси ведет к учащению и увеличению регулярности импульсов, посыла­емых хеморецепторами каротидного тельца. Повышению напряжения СО 2 артериальной крови и соответству­ющему подъему вентиляции также сопутствует рост импульсной активности, направляемой в дыхательный центр от хеморецепторов каротидного синуса. Особенность роли, которую играют артериаль­ные хеморецепторы в контроле за напряжением углекислоты, состо­ит в том, что они ответственны за начальную, быструю, фазу вен­тиляторной реакции на гиперкапнию. При их денервации указанная реакция наступает позднее и оказывается более вялой, так как развивается в этих условиях лишь после того, как повысится на­пряжение СО 2 области хемочувствительных мозговых структур.

Гиперкапническая стимуляция артериальных хеморецепторов, по­добно гипоксической, носит постоянный характер. Эта стимуляция начинается при пороговом напряжении СО 2 20-30 мм рт.ст и, сле­довательно, имеет место уже в условиях нормального напряжения СО 2 в артериальной крови (около 40 мм рт.ст.).

Взаимодей­ствие гуморальных стимулов дыхания

text_fields

text_fields

arrow_upward

Важным моментом для регуляции дыхания является взаимодей­ствие гуморальных стимулов дыхания. Оно проявляется, например, в том, что на фоне повышенного артериального напряжения СО 2 или увеличенной концентрации водородных ионов вентиляторная ре­акция на гипоксемию становится интенсивнее. Поэтому снижение парциального давления кислорода и одновременное повышение пар­циального давления углекислого газа в альвеолярном воздухе вызы­вают нарастание легочной вентиляции, превышающее арифметичес­кую сумму ответов, которые вызывают эти факторы, действуя по­рознь. Физиологическое значение этого явления заключается в том, что указанное сочетание стимуляторов дыхания имеет место при мышечной деятельности, которая сопряжена с максимальным подъ­емом газообмена и требует адекватного ему усиления работы дыха­тельного аппарата.

Установлено, что гипоксемия снижает порог и увеличивает ин­тенсивность вентиляторной реакции на СО 2 . Однако, у человека при недостатке кислорода во вдыхаемом воздухе увеличение вентиляции происходит лишь при условии, когда артериальное напряжение СО 2 составляет не менее 30 мм рт.ст. При уменьшении парциального давления О 2 во вдыхаемом воздухе (например, при дыхании газовы­ми смесями с низким содержанием О 2 , при пониженном атмосфер­ном давлении в барокамере или в горах) возникает гипервентиля­ция, направленная на предупреждение значительного снижения пар­циального давления О 2 в альвеолах и напряжения его в артеальной крови. При этом из-за гипервентиляции наступает снижение пар­циального давления СО 2 в альвеолярном воздухе и развивается гипокапния, приводящая к уменьшению возбудимости дыхательного центра. Поэтому при гипоксической гипоксии, когда парциальное давление СО 2 во вдыхаемом воздухе снижается до 12 кПа (90 мм рт.ст.) и ниже, система регуляции дыхания может лишь частично обеспечить поддержание напряжения О 2 и СО 2 на должном уровне. В этих условиях, несмотря на гипервентиляцию, напряжение О 2 все же снижается, и возникает умеренная гипоксемия.

В регуляции дыхания функции центральных и периферических рецепторов постоянно дополняют друг друга и, в общем, проявляют синергизм. Так, импульсация хеморецепторов каротидного тельца усиливает эффект стимуляции медуллярных хемочувствительных структур. Взаимодействие центральных и периферических хеморе­цепторов имеет жизненно важное значение для организма, напри­мер, в условиях дефицита О 2 . При гипоксии из-за снижения окис­лительного метаболизма в мозге чувствительность медуллярных хе­морецепторов ослабевает или исчезает, вследствие чего снижается активность дыхательных нейронов. Дыхательный центр в этих усло­виях получает интенсивную стимуляцию от артериальных хеморе­цепторов, для которых гипоксемия является адекватным раздражи­телем. Таким образом, артериальные хеморецепторы служат «ава­рийным» механизмом реакции дыхания на изменение газового со­става крови, и, прежде всего, на дефицит кислородного снабжения мозга.

Оглавление темы "Дыхательный центр. Дыхательный ритм. Рефлекторная регуляция дыхания.":
1. Дыхательный центр. Что такое дыхательный центр? Где находится дыхательный центр? Комплекс Бетзингера.
2. Дыхательный ритм. Происхождение дыхательного ритма. Пребетзингерова область.
3. Пневмотаксический центр. Влияние моста на дыхательный ритм. Апнейстический центр. Апнейзис. Функция спинальных дыхательных мотонейронов.
4. Рефлекторная регуляция дыхания. Хеморецепторы. Хеморецепторный контроль дыхания. Центральный хеморефлекс. Периферические (артериальные) хеморецепторы.
5. Механорецепторы. Механорецепторный контроль дыхания. Рецепторы легких. Рецепторы реулирующие дыхание.
6. Дыхание при физической нагрузке. Нейрогенные стимулы дыхания. Влияние на дыхание физической нагрузки низкой и средней интенсивности.
7. Влияние на дыхание физической нагрузки высокой интенсивности. Энергетическая стоимость дыхания.
8. Дыхание человека при измененном барометрическом давлении воздуха. Дыхание при пониженном давлении воздуха.
9. Горная болезнь. Причины (этиология) горной болезни. Механизм развития (патогенез) горной болезни.
10. Дыхание человека при повышенном давлении воздуха. Дыхание при высоком атмосферном давлении. Кесонная болезнь. Газовая эмболия.

Рефлекторная регуляция дыхания. Хеморецепторы. Хеморецепторный контроль дыхания. Центральный хеморефлекс. Периферические (артериальные) хеморецепторы.

Хеморецепторный контроль дыхания осуществляется при участии центральных и периферических хеморецепторов . Центральные (медуллярные ) хеморецепторы расположены непосредственно в в ростральных отделах вентральной дыхательной группы, в структурах голубого пятна (locus coeruleus), в ретикулярных ядрах шва ствола мозга и реагируют на водородные ионы в окружающей их межклеточной жидкости мозга (рис. 10.23). Центральные хеморецепторы представляют собой нейроны, которые в определенной степени являются рецепторами углекислого газа, поскольку величина рН обусловлена парциальным давлением С02, согласно уравнению Гендерсона-Гасельбаха , а также тем, что концентрация ионов водорода в межклеточной жидкости мозга зависит от парциального давления углекислого газа в артериальной крови.

Рис. 10.23. Зависимость вентиляции легких от степени стимуляции центральных хеморецепторов изменениями [Н+]/РС02 в артериальной крови. Увеличение парциального давления С02 в артериальной крови выше порога (РС02 = 40 мм рт. ст.) линейно увеличивает объем вентиляции легких.

Увеличение вентиляции легких при стимуляции центральных хеморецепторов ионами водорода называется центральным хеморефлексом , который оказывает выраженное влияние на дыхание. Так, в ответ на уменьшение рН внеклеточной жидкости мозга в области локализации рецепторов на 0,01 легочная вентиляция возрастает в среднем на 4,0 л/мин. Однако центральные хеморецепторы медленно реагируют на изменения С02 в артериальной крови, что обусловлено их локализацией в ткани мозга. У человека центральные хеморецепторы стимулируют линейное увеличение вентиляции легких при увеличении С02 в артериальной крови выше порог, равного 40 мм рт. ст.

Периферические (артериальные ) хеморецепторы расположены в каротидных тельцах в области бифуркации общих сонных артерий и в аортальных тельцах в области дуги аорты. Периферические хеморецепторы реагируют как на изменение концентрации водородных ионов, так и парциального давления кислорода в артериальной крови. Рецепторы чувствительны к анаэробным метаболитам, которые образуются в ткани каротидных телец при недостатке кислорода. Недостаток кислорода в тканях каротидных телец может возникнуть, например, при гиповентиляции, ведущей к гипоксии, а также при гипо-тензии, вызывающей снижение кровотока в сосудах каротидных телец. При гипоксии (низкое парциальное давление кислорода) периферические хеморецепторы активируются под влиянием увеличения концентрации в артериальной крови, прежде всего, ионов водорода и РС02.

Рис. 10.24. Зависимость вентиляции легких от степени стимуляции периферических хеморецепторов гипоксическим стимулом . При стимуляции периферических хеморецепторов гипоксией имеет место мультипликативное взаимодействие парциального давления С02 в артериальной крови и гипоксии, в результате которого происходит максимальное увеличение вентиляции легких. Напротив, при высоком Парциальном давлении кислорода в артериальной крови периферические хеморецепторы слабо реагируют на увеличение РС02. Если в артериальной крови парциальное давление С02 становится ниже порога (40 мм рт.ст.), то периферические хеморецепторы также слабо реагируют на гипоксию.

Действие на периферические хеморецепторы этих раздражителей усиливается по мере снижения в крови Р02 (мультипликативное взаимодействие). Гипоксия увеличивает чувствительность периферических хеморецепторов к [Н+] и С02. Это состояние называется асфиксией и возникает при прекращении вентиляции легких. Поэтому периферические хеморецепторы называются часто рецепторами асфиксии. Импульсы от периферических хеморецепторов по волокнам синокаротидного нерва (нерв Геринга - часть языкоглоточного нерва) и аортальной ветви блуждающего нерва достигают чувствительных нейронов ядра одиночного тракта продолговатого мозга, а затем переключаются на нейроны дыхательного центра. Возбуждение последнего вызывают прирост вентиляции легких. Вентиляция легких увеличивается линейно в соответствии с величиной [Н+] и РС02 выше порога (40 мм рт. ст.) в артериальной крови, протекающей через каротидные и аортальные тельца (рис. 10.24). Наклон кривой на рисунке, который отражает чувствительность периферических хеморецепторов к [Н+] и РС02, варьирует в зависимости от степени гипоксии.