Regulation of Respiration ( P513)

The nervous system normally adjusts the rate of alveolar ventilation almost exactly to the demands of the body so that the oxygen partial pressure (PO2) and carbon dioxide partial pressure (PCO2) in the arterial blood are hardly altered, even during heavy exercise and most other types of respiratory stress. This chapter describes the function of this neurogenic system for regulation of respiration RESPIRATORY CENTER The respiratory center is composed of several groups of neurons located bilaterally in the medulla oblongata and pons of the brain stem, as shown in Figure 42-1. It is divided into three major collections of neurons: (1) a dorsal respiratory group, located in the dorsal portion of the medulla, which mainly causes inspiration; (2) a ventral respiratory group, located in the ventrolateral part of the medulla, which mainly causes expiration; and (3) the pneumotaxic center, located dorsally in the superior portion of the pons, which mainly controls rate and depth of breathing. DORSAL RESPIRATORY GROUP OF NEURONS—ITS CONTROL OF INSPIRATION AND RESPIRATORY RHYTHM The dorsal respiratory group of neurons plays a fundamental role in the control of respiration and extends most of the length of the medulla. Most of its neurons are located within the nucleus of the tractus solitarius (NTS), although additional neurons in the adjacent reticular substance of the medulla also play important roles in respiratory control. The NTS is the sensory termination of both the vagal and the glossopharyngeal nerves, which transmit sensory signals into the respiratory center from (1) peripheral chemoreceptors, (2) baroreceptors, and (3) several types of receptors in the lungs. Rhythmical Inspiratory Discharges From the Dorsal Respiratory Group. The basic rhythm of respiration is generated mainly in the dorsal respiratory group of neurons. Even when all the peripheral nerves entering the medulla have been sectioned and the brain stem has been transected both above and below the medulla, this group of neurons still emits repetitive bursts of inspiratory neuronal action potentials. The basic cause of these repetitive discharges is unknown. In primitive animals, neural networks have been found in which activity of one set of neurons excites a second set, which in turn inhibits the first. Then, after a period, the mechanism repeats itself, continuing throughout the life of the animal. Most respiratory physiologists believe that some similar network of neurons is present in the human being, located entirely within the medulla; it probably involves not only the dorsal respiratory group but adjacent areas of the medulla as well, and it is responsible for the basic rhythm of respiration.

Hệ thống thần kinh bình thường điều chỉnh tỷ lệ thông khí ở phổi gần như chính xác với nhu cầu của cơ thể để áp suất riêng phần oxy (PO2) và áp suất riêng phần carbon dioxide (pCO2) trong máu động mạch hầu như không thay đổi, ngay cả khi vận động nặng và hầu hết các loại stress về đường hô hấp. Chương này mô tả các chức năng của hệ thống thần kinh này trong việc điều tiết hô hấp. TRUNG TÂM HÔ HẤP Các trung tâm hô hấp bao gồm một số nhóm tế bào thần kinh nằm hai phía trong tủy não và cầu não của thân não, như trong hình 42-1. Nó chia thành ba nhóm tế bào thần kinh chính: (1) một nhóm hô hấp lưng, nằm ở phần lưng tủy, mà chủ yếu là gây ra hít vào; (2) một nhóm hô hấp bụng, nằm ở phần bụng bên của tủy, trong đó chủ yếu gây thở ra; và (3) trung tâm điều chỉnh hô hấp, nằm ở lưng phần trên cầu não, chủ yếu là kiểm soát tần số và chiều sâu của hơi thở. NHÓM TẾ BÀO THẦN KINH HÔ HẤP LƯNG – KIỂM SOÁT THÌ HÍT VÀO VÀ NHỊP HÔ HẤP Các nhóm tế bào thần kinh hô hấp lưng đóng vai trò cơ bản trong việc kiểm soát hô hấp và kéo dài nhất của chiều dài của tủy. Hầu hết các tế bào thần kinh của nó được đặt trong các nhân bó đơn độc (NTS), mặc dù tế bào thần kinh khác trong chất lưới tiếp giáp  tủy cũng đóng vai trò quan trọng trong kiểm soát hô hấp. Các NTS là trạm cuối dẫn truyền cảm giác của cả hai dây thần kinh X và các dây thần kinh thiệt hầu, mà truyền tín hiệu cảm giác đến trung tâm hô hấp từ (1) thụ thể hóa học ngoại vi, (2) thụ thể áp suất, và (3) một số loại thụ thể trong phổi. Nhịp hít vào phát ra từ nhóm hô hấp lưng Các nhịp cơ bản của sự hô hấp được tạo ra chủ yếu ở nhóm của tế bào thần kinh hô hấp lưng. Ngay cả khi tất cả các dây thần kinh ngoại vi vào tủy đã được chia ra từng phần và thân não đã được cắt ra cả trên và dưới vùng tủy, nhóm tế bào thần kinh này vẫn phát ra xung động lặp đi lặp lại của điện thế hoạt động tế bào thần kinh thì hít vào. Nguyên nhân cơ bản của những phóng lặp đi lặp lại là không rõ. Ở động vật nguyên thủy, mạng lưới nơron đã được tìm thấy, trong đó hoạt động của một tập hợp các tế bào thần kinh kích thích một bộ thứ hai, mà lần lượt ức chế bộ đầu tiên. Sau đó, sau một thời gian, cơ chế tự động lập lại liên tục trong suốt cuộc đời của con vật. Hầu hết các nhà sinh lý học hô hấp tin rằng một số mạng lưới tế bào thần kinh tương tự trong con người, nằm hoàn toàn bên trong tủy; nó có thể liên quan đến không chỉ các nhóm hô hấp lưng mà còn các khu vực lân cận của tủy và nó nó chịu trách nhiệm về nhịp hô hấp cơ bản.

Inspiratory “Ramp” Signal.  The nervous signal that is transmitted to the inspiratory muscles, mainly the diaphragm, is not an instantaneous burst of action potentials. Instead, it begins weakly and increases steadily in a ramp manner for about 2 seconds in normal respiration.It then ceases abruptly for approximately the next 3 seconds, which turns off the excitation of the diaphragm and allows elastic recoil of the lungs and the chest wall to cause expiration. Next, the inspiratory signal begins again for another cycle; this cycle repeats again and again,with expiration occurring in between. Thus, the inspiratory signal is a ramp signal. The obvious advantage of the ramp is that it causes a steady increase in the volume of the lungs during inspiration, rather than inspiratory gasps. Two qualities of the inspiratory ramp are controlled,as follows: 1. Control of the rate of increase of the ramp signal so that during heavy respiration, the ramp increases rapidly and therefore fills the lungs rapidly. 2. Control of the limiting point at which the ramp suddenly ceases, which is the usual method for controlling the rate of respiration; that is, the earlier the ramp ceases, the shorter the duration of inspiration. This method also shortens the duration of expiration. Thus, the frequency of respiration is increased.

Tín hiệu “dốc” thì hít vào   Các tín hiệu thần kinh được truyền tới các cơ hít vào, chủ yếu là cơ hoành, không phải là một xung động tức thời của điện thế hoạt động. Thay vào đó, nó bắt đầu một cách yếu ớt và tăng đều đặn lên dốc trong khoảng 2 giây trong hô hấp bình thường.Sau đó nó chấm dứt đột ngột khoảng 3 giây tiếp theo, tắt các kích thích của cơ hoành và cho phép phổi co lại đàn hồi và thành ngực gây thở ra. Tiếp theo, các tín hiệu hít vào bắt đầu một lần nữa cho chu kỳ khác; chu trình này lặp đi lặp lại một lần nữa với thì thở ra xảy ra ở giữa. Như vậy, tín hiệu hít vào là một tín hiệu đoạn đường dốc. Lợi thế rõ ràng của đoạn đường dốc là nó gây ra một sự gia tăng ổn định thể tích phổi trong suốt thì hít vào, chứ không phải là thở hổn hển. Hai tính chất của đoạn đường dốc hít vào được kiểm soát, như sau: 1. Kiểm soát tốc độ tăng của tín hiệu dốc để trong hô hấp khó nhọc, tăng đường dốc nhanh chóng và do đó lấp đầy phổi nhanh chóng. 2. Kiểm soát các điểm giới hạn mà tại đó đoạn đường dốc đột nhiên ngưng lại, đó là phương pháp thông thường để kiểm soát tần số hô hấp; đó là, đoạn đường dốc càng sớm, quá trình hít vào càng ngắn. Phương pháp này cũng giúp rút ngắn thời gian thở ra. Như vậy, tần số hô hấp tăng. Người dịch: Xin Cute