Фізіологія людини - Вільям Ф. Ґанонґ 2002

Дихання
Регулювання дихання
Хімічне регулювання дихання

Хімічні регулювальні механізми пристосовують вентиляцію легень у такому напрямі, що у нормі альвеолярний Р_СО2 є сталим, впливи надлишку Н⁺ у крові подолані, і Р_О2 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 СО₂, а не О₂. Рецептори у каротидних та аортальних клубочках подразнювані підвищенням Р_СО2 або концентрацією Н⁺ в артеріальній крові чи зниженням Р_О2. Після денервації каротидних хеморецепторів відповідь на зниження Р_О2 неможлива. Предомінантним 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 Р_СО2, виникають, однак повільніше; він зменшується не більше ніж на 30-35%.

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

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.

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 каротидний 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 хроматофінних 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 О₂-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 клубочків був ізольований і перфузований, в аферентних нервових волокнах, які працювали, простежувалося ступінчасте збільшення імпульсного потоку, якщо Р_О2 у перфузованій крові знижувався (рис. 36-6) або Р_СО2 підвищувався.

Рис. 36-4. Розташування каротидних та аортальних клубочків

Гломусні клітини типу І мають О₂-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 О₂-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 тканини відповідає нормі, то О₂, клітини потребують більше, ніж окремо розчиненого О₂. 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 О₂ у сполуках суттєво зменшений. Подразнення рецепторів виникає, коли артеріальний Ро₂, низький або за наявності судинного стазу; кількість О₂, що надходить до рецепторів за 1 хв, зменшується. Сильне подразнення також зумовлюють препарати, зокрема, такі як ціанід, які блокують утилізацію О₂ на тканинному рівні. У достатніх дозах нікотин і лобелін активують хеморецептори. Також зафіксовано, що інфузійне введення К⁺ збільшує рівень імпульсації в аферентних волокнах хеморецепторів, тому рівень K⁺ у плазмі збільшується під час фізичного навантаження, збільшення може відповідати за спричинену навантаженням гіпервентиляцію.

Рис. 36-5. Організація каротидного тільця. Клітини типу І (гломус) 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.

Рис. 36-6. Зміни рівня імпульсації в окремому аферентному волокні, що проходять від каротидного клубочка зі зниженням Р_О2 (з дозволу S Sampson).

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 каторидними 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 СО₂.

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 Р_СО2 після денервації 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 інтерстиційній рідині головного мозку, виконують хеморецептори; СО₂ швидко проникає через мембрани, зокрема, гематоенцефалічний бар’єр, тоді як Н⁺ і НСО₃ - повільно. Потрапляючи у головний мозок та СМР, СО₂ швидко гідратується. Унаслідок дисоціації Н₂СО₃ збільшується місцева концентрація Н⁺. В інтерстиційній рідині головного мозку концентрація Н⁺ зіставна з артеріальним Р_СО2. Експериментально створені зміни у Р_СО2 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 СО₂ на дихання головно залежать від його переміщення у СМР та інтерстиційну рідину головного мозку, унаслідок чого СО₂ 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 за метаболічного алкалозу спричиненого, наприклад, довготривалим блюванням з втратою НСl, вентиляція легень пригнічується й артеріальний Р_СО2 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 Р_СО2 зменшує артеріальну концентрацію Н⁺ нижче норми (респіраторний алкалоз), і навпаки, гіповентиляція, що не є вторинною до зменшення у плазмі концентрації Н⁺, спричинює респіраторний ацидоз.

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

Вентиляційні реакції-відповіді на СО₂

У нормі артеріальний P_CО2 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 СО₂ збільшуватиметься, доки артеріальний Р_СО2 не стане нормальним. Процес механізму цього зворотного зв’язку утримує екскрецію та утворення СО₂ у рівновазі.

Коли вдихають газову суміш, що містить СО₂, то підвищуються альвеолярний та артеріальний Р_СО2, і стимулювання вентиляції легень розпочинається, як тільки кров, що вміщує більшу кількість СО₂, досягне довгастого мозку. Елімінація СО₂ збільшується, і альвеолярний Р_СО2 знижується ДО норми. Ось чому порівняно великі Прирости Р_СО2 у повітрі, яке вдихають (наприклад, 15 мм рт. ст.) зумовлюють незначне підвищення альвеолярного Р_СО2 (наприклад, 3 мм рт. ст.). Отже, Р_СО2 не нормалізується, і нова рівновага настане, коли альвеолярний Р_СО2 незначно підвищиться, а гіпервентиляція триватиме стільки, скільки вдихатимуть СО₂. Істинне лінійне співвідношення між дихальним хвилинним об’ємом і альвеолярним Р_СO2 зображене на рис. 36-8. Проте є обмеження такої лінійності. Коли Р_СО2 газової суміші, яку видихають, близький до альвеолярного Р_СО2, то елімінація СО₂ утруднена. Якщо ж вміст СО₂ у газовій суміші, яку видихають, понад 7%, то альвеолярний та артеріальний Р_СО2 починають збільшуватись раптово незважаючи на гіпервентиляцію. Наслідком стає нагромадження СО₂ в організмі (гіперкапнія), що пригнічує центральну нервову систему, у тім числі дихальний центр, і спричинює біль голови, неспокій і, зрештою, кому (СО₂- наркоз).

,

Рис. 36-8. Реакції відповіді здорових осіб, що вдихали 0₂ та близько 2, 4 і 6% СО₂. 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).

Вентиляційні реакції-відповіді на втрату кисню

Коли вміст О₂ у повітрі, яке вдихають, зменшується, то це спричинює збільшення хвилинного об’єму дихання. Стимулювання є незначне, доки Р_CО2 у повітрі, яке вдихають, становить понад 60 мм рт. ст., і посилюється тільки у разі нижчих значень Р_CО2 (рис. 36-9). Отже, будь-яке зниження артеріального Р_CО2 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 Р_О2 не стане меншим 60 мм рт. ст. Оскільки Нb є слабшою кислотою, ніж НbО₂ (див. Розділ 35), то простежується незначне збільшення концентрації Н⁺ в артеріальній крові, коли Р_О2 знижується, і гемоглобін стає менш насиченим О₂. Унаслідок зменшення концентрації Н⁺ виникає схильність до гальмування дихання. Додатково будь-яке збільшення легеневої вентиляції, що знижує альвеолярний Р_СО2, 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 Р_СО2.

Рис. 36-9. Угорі: середні значення хвилинного дихального об’єму після впливу газових сумішей з різним вмістом О₂. Горизонтальна лінія у кожному випадку відповідає середньому значенню, вертикальна шкала - одному стандартному відхиленню. Внизу: значення альвеолярного P_О2 і Р_СО2 під час вдихання повітря та за різних барометричних тисків. Два графіки вирівнюються, так що Р_О2 у газових сумішах, які вдихають (верхній графік), узгоджується з Р_О2 для різних барометричних тисків (нижній графік) (дані надані RH Kellogg).

Вплив зниження альвеолярного Р_O2 за сталого альвеолярного Р_СО2 на вентиляцію зображено на рис. 36-10. Якщо альвеолярний Р_СО2 стабілізований на рівні 2-3 мм рт. ст. понад норму, то взаємовідношення між вентиляцією легень і альвеолярним Р_О2 у межах 90-100 мм рт. ст. стають протилежними. Проте в разі нижчих від норми значень альвеолярного P_CО2 стимулювання гіпоксією вентиляції легень не відбуватиметься, доки альвеолярний Р_О2 не знизиться до 60 мм рт. ст. і менше.

Вплив гіпоксії на криву відповіді СО₂

У випадку протилежного експерименту, коли альвеолярний Р_О2 є сталим, реакції відповіді на різноманітні кількості СО₂ визначені лінійними співвідношеннями (рис. 36-11). Коли реакції-відповіді на СО₂ мають різні значення Р_О2, то нахил кривої відповіді змінюється: збільшується зі зниженням альвеолярного Р_О2. Іншими словами, гіпоксія робить особу чутливішою до підвищення артеріального Р_СО2, хоча рівень альвеолярного Р_СО2, за якого криві на рис. 36-11 перетинаються, є незмінним. У нормі в осіб таке порогове значення є нижчим від нормального альвеолярного Р_СО2, і це свідчить, що у нормі є дуже мале, однак відчутне «зміщення СО₂» для дихального центру.

Рис. 36-10. Вентиляція легень для різних значень альвеолярного Р_О2 за стійкого утримування Р_СО2 на рівні 49, 44, або 37 мм рт. ст. (дані надані Loeschke НН і Gertz КН).

Вплив Н⁺ на відповідь СО₂

Стимулювальні впливи Н⁺ і СО₂ на дихання виявляються, подібно як СО₂ і О₂, що повністю взаємовідносно. У разі метаболічного ацидозу крива відповіді СО₂ 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 Р_СО2. Обчислено, що зміщення кривої відповіді СО₂ на 0,8 мм рт. ст. ліворуч на кожний наномоль збільшуватиме артеріальний вміст Н⁺. Понад 40% вентиляційної відповіді на СО₂ скасовуватиметься, якщо завадити збільшенню артеріального Н⁺, створеного СО₂. Як зазначено вище, решта 60%, можливо, відповідають за вплив СО₂ 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 Р_СО2 і зниження Р_О2. Особи можуть затримувати дихання довше після видалення каротидних клубочків. Дихання 100% киснем перед затримкою дихання зумовлює підвищення альвеолярного Р_О2, завдяки чому точка розриву настає пізніше. Це однаково справджується в разі гіпервентиляції повітрям кімнати, оскільки СО₂ вивітрюється назовні й артеріальний Р_СО2 є низьким на початку. Рефлекторно або завдяки механічним факторам розпочинається вплив на точку розриву, тому особи, які затримують дихання якомога довше, а потім вдихають газову суміш з низьким вмістом О₂ і високим СО₂, 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.

Рис. 36-11. Графічне лінійне зображення («віяло») відповідей СО₂ у разі різних незмінних рівнів альвеолярного Р_О2.

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.