Скотт Менакер

В предыдущих главах обсуждались функциональная анатомия, механика и био­физика дыхательной системы, управляющие обменом О₂ и СО₂ между вдыхаемым воздухом и циркулирующей кровью. Чтобы потребление О₂ и продукция СО₂ соот­ветствовали разнообразным требованиям организма, связанным с повседневной ак­тивностью, а величины Ра()₂ и РаС()₂сохранялись в узких физиологических преде­лах, необходимы приспособительные изменения минутной вентиляции (Vl<;). Для достижения этого гомеостатического эффекта существует сложная система регуля­ции дыхания.

Эта глава посвящена главным образом хемо- и механорецепторам системы ре­гуляции дыхания. Кроме того, рассматриваются ее интегрированные ответы на зна­чительные патофизиологические возмущения.

Обзор системы регуляции дыхания

Подобно многим физиологическим системам контроля, система управления дыханием организована как контур отрицательной обратной связи (рис. 16-1). Вды­хаемый газ поступает по ВП к альвеолам, где он участвует в обмене газов на уровне альвеолярно-капиллярной мембраны (гл. 9). Рецепторы откликаются на информа­цию о механических явлениях (например, о наполнении легких) и гуморальных па­раметрах (например, Ра()₂ и РаС()₂). Эта информация интегрируется в дыхательном центре продолговатого мозга, который модулирует нервный импульс к мотонейро-мам, иннервирующим дыхательные мышцы. Координированное возбуждение рес­пираторных мотонейронов приводит к синхронному сокращению дыхательных мышц, создающему воздушный поток.

Когда химические возмущения, подобные гипоксии или гиперкапнии, распоз­наются хеморецепторами, их сигналы в дыхательном центре реализуются повышен­ной нервной импульсацией к респираторным мотонейронам, что вызывает повыше­ние минутной вентиляции. Артериальная гипокапния, напротив, вызывает умень­шение вентиляции.

Гуморальная регуляция дыхания

Дыхательная система поддерживает адекватные уровни О₂ в артериальной кро­ви, обеспечивая метаболизм периферических тканей, и предотвращает накопление СО₂, количество которого увеличивается в процессе метаболизма. Высокоспециа­лизированные ткани контролируют уровень О₂ в артериальной крови и уровень СО₂ в обильно перфузируемом органе — головном мозге. Эти два сенсорных механизма обеспечивают быстрое изменение характера вентиляции в зависимости от отклоне­ний в газообмене.

Рис. 16-1. Система регуляции .мхамим как копту р отри uaKvib-ioii обратной свя:ш

Центральные хеморецепторы

Из нескольких хемосенсоров, контролирующих обмен газов, ответственность за обнаружение отклонений в гомеостазисе СО₂ лежит в основном на центральных хеморецепторах. Несмотря на то, что нейроны, частота импульсации и возбуди­мость которых модулируются отклонениями Рсо₂, обнаружены во многих областях центральной нервной системы, клетки, способные передавать информацию в дыха­тельный центр, расположены в продолговатом мозге.

Центральные хеморецепторы располагаются вблизи вентральной поверхности продолговатого мозга, где корешки подъязычного нерва выходят из мозгового ство­ла. Хотя их точное расположение, нервные контакты и нейрохимия изучены недо­статочно, эти хемочувствительные клетки, вероятно, отличаются от соседних ней­ронов, которые обеспечивают дыхательный ритмогенез и составляют основу дыха­тельного центра.

Хемочувствительные клетки реагируют на отклонения в [1-Г ] и Рсо₂ во внекле­точной жидкости внутримозгового интерстициального пространства. Ранее измере­ния в цереброспинальной жидкости использовались для оценки химизма внутри-мозгового интерстициального пространства. Последние исследования с применени­ем рН-чувствительных электродов показали, что увеличение минутной вентиляции тесно связано с повышением [Н⁺] во внеклеточной, а не в спинномозговой жид­кости.

Когда местная [H^J увеличивается, что эквивалентно падению рН, дыхатель­ный центр увеличивает вентиляцию по сигналу от центральных хеморецепторов. Однако отклонения во внеклеточной [ tT j - не единственный стимул для централь­ных хеморецепторов. Рост вентиляции в ответ на изолированное повышение вне­клеточной [Н⁺] в отсутствие изменений Рсо-, (изокапнический метаболический ацидоз) происходит медленнее. Кроме того, вентиляторная реакция меньше по ве­личине (рис. 16-2), чем наблюдаемая при изолированном повышении Рсо^ (дыха­тельный ацидоз).

Одной из причин высокой скорости вентиляторного ответа на гииеркапнию является легкость диффузии СО₂ через барьерную систему кровь-головной мозг. Однако этот барьер относительно непроницаем для ионов II* и | НСО < ]. Более того, повышенное РС()-_г вызывает расширение сосудов, особенно церебральных, способ­ствуя тем самым усилению диффузии СО₂ через гемато-энцефалический барьер. Диффузия СО₂ представляет собой еще один важный механизм усиления связи отклонений в кислотно-основном состоянии организма с центральными хеморецеп-торами.

Рис. 16-2. Отношение между |11*| но и не клеточной жидкости продолгова­того мо.чга и частотой импульсации или "минутной активностью" диаф-рагмалыюго нериа. |1Г| в медулляр­ной внеклеточной жидкости повыша­лась при дыхательном ацидозе (круж­ки) и метаболическом ацидозе путем ипфузии HCI (треугольники). Венти­ляторная реакция на гинеркампию сильнее, чем на метаболический аци­доз, несмотря на сходство отклоне­ний в |1Г| медуллярной внеклеточ­ной жидкости. (Из: lildridge I^;.L., KileyJ.P., Millhorn D.H. Respiratory responses to medullary hydrogen ion changes in cats: Different effects of respiratory and metabolic acidosis. J. Physiol. 358: 285-297, 1985.)

При дыхательном ацидозе повышенное РаС( )₂ вызывает увеличение диффузии СО₂ через барьер кровь-головной мозг. Повышенное СО₂ приводит к росту [Н⁺] около центральных хеморецепторов, которые обнаруживают это изменение и сигна­лизируют в дыхательный центр о повышении вентиляции, компенсирующем дыха­тельный ацидоз. Поскольку вентиляторный ответ на увеличение [Н⁺], обусловлен­ное повышением РС()₂, больше, чем ответ на идентичное отклонение [ЬГ] в отсут­ствие роста Рсо, (рис, 16-2), то РС()₂ и [Н⁺] должны представлять независимые сти­мулы центральных хеморецепторов. Молекулярные механизмы рецепции остаются неизвестными: либо [Н*] и РС()₂ образуют различные стимулы для единого сенсор­ного механизма, либо специфические стимулы для различных сенсорных механиз-

мов.

Поскольку закисление мозговой интерстициальной жидкости является важ­ным этапом центральной хеморецепции, необходимо выделить главные факторы, влияющие на этот процесс.

В отличие от крови, церебральная интерстициальная жидкость содержит очень мало белка. Без белков с их буферной способностью сдвиги рН во внутримозговой внеклеточной жидкости происходят быстрее, чем в крови. Кроме того, компенса­торный вентиляторный ответ на хроническое закисление мозговой внеклеточной жидкости (как при хронической гиперкапнии) наступает быстрее, чем при закисле-нии крови. Перемещение [HCCV] из крови через гемато-энцефалический барьер в мозговую интерстициальную жидкость происходит влечение 24—48 ч. Задержка [ НСО;< ] в почках в ответ на закисление плазмы занимает от 48 до 72 ч.

Карогидные тельца

В то время как мониторинг РС()₂ происходит в стволе головного мозга, отсле­живание Р( )₂ является функцией исключительно каротидныхтелец (рис. 16-3). Они расположены у бифуркации общих сонных артерий на внутреннюю и наружную (рис. 16-3 А). Несмотря на свой миниатюрный размер, каротидные тельца получают огромный кровоток - от 1.4 до 2.0 л/мин на 100 г ткани, что соответствует особой роли этого органа, как главного датчика, чувствительного к колебаниям кислорода в артериальной крови.

Рис. 16-3. Каротидиос тельце. (А) бифуркация правой сонной артерии (вид спереди). Общая сон­ная артерия (1) делится па наружную (2) и внутреннюю (.4). Каротидное тельце (4) иппсрвирустся чувствительными волокнами, исходящими из каменистого ганглия (5) и проходящими в составе нерва каротидпого синуса (ft). Верхний шейный ганглий (7) тоже интернирует каротидное тельце посредством гапглиогломсрулярных нервов (8). Узловатый ганглий (9) расположен снаружи внут­ренней сонной артерии. (Б) Каротидиое тельце, состоит из хеморецепторпых (1) и поддерживаю­щих (2) клеток. В цитоплазме хсморецепторпых клеток находятся сииаптические пузырьки (Л), которые тесно соприкасаются с чувствительными окончаниями (4) ветвящихся волокон нерва каротидпого синуса (5). Вся совокупность этих клеток окружена капиллярами (ft). (Из: (ion/ale/. С'., Alinarax L, Obeso Д., Ritual R. Oxygen and acid chemorcccption in the carotid body chemoreceptors. Trends in Neuroscicncc 15: I/I ft-153/1992.)