2 курс / Нормальная физиология / Физиология_дыхания_Частоедова_И_А_,_Еликов_А_В_

81

в) при форсированном дыхании нейроны вентральной группы подключаются к нейронам дорсальной группы и участвуют в формировании выдоха (усиливают выдох при его затруднении и тяжелой мышечной нагрузке).

Ростральнее ВДГ локализованы компактной группой экспираторные нейроны (комплекс Бетцингера), аксоны которых связаны только с другими типами нейронов дыхательного центра. Предполагают, что именно эти нейроны синхронизируют деятельность правой и левой половин дыхательного центра.

В связи с тем, что дыхательный цикл состоит из вдоха и выдоха, имеется несколько классификаций нейронов дыхательного центра.

Рис. 23. Активность основных групп дыхательных нейронов: 1 — ранние; 2 — полные; 3 — поздние инспираторные; 4 — постинспираторные; 5 – экспираторные; 6 —

преинспираторные нейроны

Выделяют следующие основные типы дыхательных нейронов: 1) ранние инспираторные, которые разряжаются с максимальной частотой в начале фазы вдоха; 2) поздние инспираторные, максимальная частота разрядов которых приходится на конец инспирации; 3) полные инспираторные с постоянной или с постепенно нарастающей активностью в течение фазы вдоха; 4)

постинспираторные, которые имеют максимальный разряд в начале фазы

82

выдоха; 5) экспираторные с постоянной или постепенно нарастающей активностью, которую они проявляют во вторую часть фазы выдоха; 6)

преинспираторные, которые имеют максимальный пик активности непосредственно перед началом вдоха. Имеются и другие классификации дыхательных нейронов. Тип нейронов определяется по проявлению его активности относительно фазы вдоха и выдоха (рис. 23).

Нейроны дыхательного центра, активность которых совпадает с ритмом дыхания, но они не иннервируют дыхательные мышцы, называются респираторно-связанными нейронами. К респираторно-связанным нейронам относят клетки дыхательного центра, иннервирующие мышцы верхних дыхательных путей, например гортани.

Нейроны дыхательного центра в зависимости от проекции их аксонов подразделяют на три группы: 1) нейроны, иннервирующие мышцы верхних дыхательных путей и регулирующие поток воздуха в дыхательных путях; 2)

нейроны, которые синаптически связаны с дыхательными мотонейронами спинного мозга и управляют таким образом мышцами вдоха и выдоха; 3)

проприобульбарные нейроны, которые связаны с другими нейронами дыхательного центра и участвуют только в генерации дыхательного ритма.

Контрольные вопросы

1.Какие отделы мозга входят в структуру дыхательного центра ?

2.Что такое автоматический дыхательный центр, где он расположен ?

3.Какие основные функции выполняет дыхательный центр ?

4.Какие нейроны входят в дорсальную дыхательную группу, их функции ?

5.Какие нейроны входят в вентральную дыхательную группу, их функции ?

6.Какова роль комплекса Бетцингера в регуляции дыхания ?

7.Какие существуют основные типы дыхательных нейронов ?

83

6.2.Другие области локализации дыхательных нейронов

Вмосту находятся два ядра дыхательных нейронов: медиальное парабрахиальное ядро и ядро Шатра (ядро Келликера). Иногда эти ядра называют пневмотаксическим центром. Главным в деятельности этого центра является контроль за точкой «выключения» нарастающего инспираторного сигнала и длительностью фазы вдоха. Первичной задачей пневмотаксического центра является укорочение вдоха. При этом возникает вторичный эффект –

увеличение скорости дыхания, т.к. ограничение вдоха укорачивает длительность выдоха. Это может увеличивать частоту дыхания до 30-40 в

минуту.

Некоторые авторы полагают, что в нижних отделах варолиева моста расположен еще один - апнейстический центр. Если произвести перерезку варолиева моста и отделить пневмотаксический центр, оставив бульбарный и апнейстический, то у животных можно наблюдать продолжительные судорожные вдохи, прерываемые короткими выдохами.

Диафрагмальные мотонейроны. Образуют диафрагмальный нерв.

Нейроны расположены узким столбом в медиальной части вентральных рогов от СIII до CV. Диафрагмальный нерв состоит из 700—800 миелинизированных и более 1500 немиелинизированных волокон. Подавляющее количество волокон является аксонами б-мотонейронов, а меньшая часть представлена афферентными волокнами мышечных и сухожильных веретен, локализованных в диафрагме, а также рецепторов плевры, брюшины и свободных нервных окончаний самой диафрагмы.

Мотонейроны сегментов спинного мозга, иннервирующие дыхательные мышцы. На уровне CI—СII вблизи латерального края промежуточной зоны серого вещества находятся инспираторные нейроны, которые участвуют в регуляции активности межреберных и диафрагмальных мотонейронов.

Мотонейроны, иннервирующие межреберные мышцы, локализованы в сером

84

веществе передних рогов на уровне от TIV до ТX. Причем одни нейроны регулируют преимущественно дыхательную, а другие — преимущественно позно-тоническую активность межреберных мышц. Мотонейроны,

иннервирующие мышцы брюшной стенки, локализованы в пределах вентральных рогов спинного мозга на уровне TIV—LIII.

Контрольные вопросы

1.Что такое пневмотаксический центр, где он расположен ?

2.Что такое апнейстический центр, где он расположен ?

3.Какова роль мотонейронов спинного мозга в регуляции дыхания ?

6.3. Генерация дыхательного ритма

Ритмическое сокращение и расслабление дыхательных мышц обеспечивается циркуляцией возбуждения в дыхательных нейронах продолговатого мозга, а также взаимодействием импульсации нейронов продолговатого мозга с импульсацией дыхательных нейронов моста.

Дыхательный цикл подразделяют на фазу вдоха и фазу выдоха относительно движения воздуха из атмосферы в сторону альвеол (вдох) и

обратно (выдох). Двум фазам внешнего дыхания соответствуют три фазы активности нейронов дыхательного центра продолговатого мозга:

инспираторная, которая соответствует вдоху; постинспираторная, которая соответствует первой половине выдоха и называется пассивной контролируемой экспирацией; экспираторная, которая соответствует второй половине фазы выдоха и называется фазой активной экспирации (рис. 24).

Дыхательный цикл начинается с возбуждения ранних инспираторных нейронов, которые полностью освобождаются от сильного торможения со стороны постинспираторных нейронов. Полное растормаживание ранних инспираторных нейронов происходит в момент, когда активируются

85

преинспираторные нейроны дыхательного центра, которые окончательно блокируют разряд экспираторных нейронов. Далее возбуждение переходит на полные инспираторные нейроны, которые способны совозбуждать друг друга.

Полные инспираторные нейроны, благодаря этому свойству, поддерживают и увеличивают частоту генерации потенциалов действия в течение фазы вдоха.

Именно этот тип дыхательных нейронов создает нарастающую активность в диафрагмальном и межреберных нервах, вызывая увеличение силы сокращения диафрагмы и наружных межреберных мышц.

Рис. 24. Соотношение фаз дыхательного цикла и фаз активности нейронов дыхательного центра

Ранние инспираторные нейроны в силу особых физиологических свойств их мембраны прекращают генерировать потенциалы действия к середине фазы вдоха. Это моносинаптически растормаживает поздние инспираторные нейроны, поэтому их активность появляется в конце вдоха.

Поздние инспираторные нейроны способны дополнительно активировать в конце вдоха сокращение диафрагмы и наружных межреберных мышц.

Одновременно поздние инспираторные нейроны выполняют функцию

86

начального выключения инспирации. В период своей активности они получают возбуждающие стимулы от легочных рецепторов растяжения, которые измеряют степень растяжения дыхательных путей во время вдоха.

Максимальный по частоте разряд поздних инспираторных нейронов приходится на момент прекращения активности других типов инспираторных

нейронов дыхательного центра.

Прекращение активности всех типов инспираторных нейронов дыхательного центра растормаживает постинспираторные нейроны. Причем процесс растормаживания постинспираторных нейронов начинается гораздо раньше, а

именно в период убывания разрядов ранних инспираторных нейронов. С

момента появления активности постинспираторных нейронов выключается инспирация и начинается фаза пассивной контролируемой экспирации.

Постинспираторные нейроны регулируют степень расслабления диафрагмы в первую половину фазы выдоха. В эту фазу заторможены все другие типы нейронов дыхательного центра. Однако в постинспираторную фазу сохраняется активность респираторно-связанных нейронов дыхательного центра, которые

регулируют тонус мышц верхних дыхательных путей, прежде всего гортани.

Вторая половина фазы выдоха, или фаза активной экспирации, полностью зависит от механизма ритмогенеза инспираторной и постинспираторной

активности. Например, при быстрых дыхательных движениях

постинспираторная фаза может непосредственно переходить в фазу следующей инспирации.

Активность дыхательных мышц в течение трех фаз нейронной активности дыхательного центра тоже изменяется (рис. 24). В инспирацию мышечные волокна диафрагмы и наружных межреберных мышц постепенно увеличивают силу сокращения. В этот же период активируются мышцы гортани, которые расширяют голосовую щель, что снижает сопротивление воздушному потоку на вдохе. Работа инспираторных мышц во время вдоха создает достаточный запас энергии, которая высвобождается в

87

постинспираторную фазу, или в фазу пассивной контролируемой экспирации. В

постинспираторную фазу дыхания объем выдыхаемого из легких воздуха контролируется медленным расслаблением диафрагмы и одновременным сокращением мышц гортани. Сужение голосовой щели в постинспираторную фазу увеличивает сопротивление воздушному потоку на выдохе. Это является очень важным физиологическим механизмом, который препятствует спадению воздухоносных путей легких при резком увеличении скорости воздушного потока на выдохе, например при форсированном дыхании или защитных рефлексах кашля и чиханья.

Во вторую фазу выдоха, или фазу активной экспирации, экспираторный поток воздуха усиливается за счет сокращения внутренних межреберных мышц и мышц брюшной стенки. В эту фазу отсутствует электрическая активность диафрагмы и наружных межреберных мышц.

Координация деятельности правой и левой половин дыхательного центра является еще одной функцией дыхательных нейронов. Дыхательный центр имеет дорсальную и вентральную группу нейронов как в правой, так и в левой половине продолговатого мозга и таким образом состоит из двух симметричных половин. Эта функция выполняется за счет синаптического взаимодействия различных типов дыхательных нейронов. Дыхательные нейроны взаимосвязаны как в пределах одной половины дыхательного центра,

так и с нейронами противоположной стороны. При этом наибольшее значение в синхронизации деятельности правой и левой половин дыхательного центра имеют проприобульбарные дыхательные нейроны и экспираторные нейроны комплекса Бетцингера.

Таким образом, смена вдоха на выдох обеспечивается торможением ранних инспираторных нейронов за счет трех источников импульсов: 1) от нейронов моста; 2) от рецепторов легких, импульсация от которых поступает по блуждающим нервам; 3) от самих инспираторных нейронов.

88

Контрольные вопросы

1.Какие существуют фазы активности нейронов дыхательного центра про-

долговатого мозга ?

2.С возбуждения каких нейронов начинается дыхательный цикл ?

3.Какие нейроны активны в инспираторную фазу ?

4.Какие нейроны активны в постинспираторную фазу ?

5.Какие нейроны активны в экспираторную фазу ?

6.Как изменяется активность дыхательных мышц в течение трех фаз нейронной активности дыхательного центра ?

7.Какие нейроны играют важную роль в синхронизации деятельности правой и левой половин дыхательного центра ?

6.4. Роль хеморецепторов в регуляции дыхания

Рo2 и Рсо2 в артериальной крови человека и животных поддерживается на достаточно стабильном уровне, несмотря на значительные изменения потребления О2 и выделение СО2. Гипоксия и понижение рН крови (ацидоз)

вызывают усиление вентиляции (гипервентиляция), а гипероксия и повышение рН крови (алкалоз) — понижение вентиляции (гиповентиляция) или апноэ.

Контроль за нормальным содержанием во внутренней среде организма О2, СО2

и рН осуществляется периферическими и центральными хеморецепторами.

Артериальные (периферические) хеморецепторы. Периферические хеморецепторы находятся в каротидных и аортальных тельцах. Каротидные тельца состоят из скопления клеток I типа (рис. 25) . Эти клетки окутаны глиаподобными клетками II типа и имеют контакт с открытыми капиллярами.

Гипоксия приводит к деполяризации мембраны клеток I типа (механизм возникновения возбуждения пока недостаточно изучен). Сигналы от артериальных хеморецепторов по синокаротидным и аортальным нервам первоначально поступают к нейронам ядра одиночного пучка продолговатого

89

мозга, а затем переключаются на нейроны дыхательного центра. Уникальной особенностью периферических хеморецепторов является их высокая чувствительность к уменьшению Ро2 артериальной крови, в меньшей степени они реагируют на увеличение Рco2 и рН.

Рис. 25. Каротидный (сонный) синус и каротидное (сонное) тельце А. Каротидный синус Б. Клубочек каротидного тельца

Недостаток О2 в артериальной крови является основным раздражителем периферических хеморецепторов. Импульсная активность в афферентных волокнах синокаротидного нерва прекращается при Рао2 выше 400 мм рт.ст. (53,2 кПа). При нормоксии частота разрядов синокаротидного нерва составляет

10% от их максимальной реакции, которая наблюдается при Раo2 около 50 мм рт.ст. и ниже. Гипоксическая реакция дыхания практически отсутствует у коренных жителей высокогорья и исчезает примерно через 5 лет у жителей равнин после начала их апаптации к высокогорью (3500 м и выше).

Центральные хеморецепторы. Окончательно не установлено местоположение центральных хеморецепторов. Исследователи считают, что такие хеморецепторы находятся в ростральных отделах продолговатого мозга вблизи его вентральной поверхности, а также в различных зонах дорсального дыхательного ядра.

Адекватным раздражителем для центральных хеморецепторов является изменение концентрации Н+ во внеклеточной жидкости мозга. Функцию

90

регулятора пороговых сдвигов рН в области центральных хеморецепторов выполняют структуры гематоэнцефалического барьера, который отделяет кровь от внеклеточной жидкости мозга. Через этот барьер осуществляется транспорт О2, СО2 и Н+ между кровью и внеклеточной жидкостью мозга. Поскольку проницаемость барьера для CO2 велика (в отличие от H+ и HCO–3), а CO2 легко диффундирует через клеточные мембраны, отсюда следует, что кнутри от барьера (в интерстициальной жидкости, в ликворе, в цитоплазме клеток)

наблюдается относительный ацидоз (сравнительно с кровью кнаружи от барьера) и что увеличение PCO2 приводит к большему уменьшению значения pH, чем в крови. Другими словами, в условиях ацидоза возрастает хемочувствительность нейронов к рCO2 и pH. Гиперкапния и ацидоз стимулируют, а гипокапния и алкалоз тормозят центральные хеморецепторы.

Контрольные вопросы

1.Где расположены периферические хеморецепторы ?

2.Что является основным стимулятором периферических хеморецепторов ?

3.Где расположены центральные хеморецепторы ?

4.Что является основным стимулятором центральных хеморецепторов ?

6.5. Роль механорецепторов в регуляции дыхания

Рефлекторная регуляция дыхания осуществляется благодаря тому, что нейроны дыхательного центра имеют связи с многочисленными механорецепторами дыхательных путей и альвеол легких и рецепторов сосудистых рефлексогенных зон. Рецепторы воздухоносных путей и респираторного отдела регистрируют изменения объёмов лёгких, наличие посторонних частиц и раздражающих веществ и проводят информацию по нервным волокнам блуждающего и языкоглоточного (от верхних отделов воздухоносных путей) нервов к нейронам дорсальной дыхательной группы. В