Методички по нормальной физиологии / Физиология дыхания

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.

Механорецепторы

Дыхательный центр получает информацию и от механорецепторов. Эта информация поступает от чувствительных нервных окончаний, расположенных в гладких мышцах, в подслизистом слое и эпителии воздухоносных путей. Выделяют три основные вида рецепторов: 1) рецепторы растяжения легких, 2) ирритантные рецепторы, 3) J - рецепторы - юкстакапиллярные рецепторы легких

Рецепторы растяжения легких расположены в гладких мышцах воздухоносных путей - в трахее и бронхах всех калибров. В каждом легком около 100 таких рецепторов, они связаны с дыхательным центром толстыми миелинизированными волокнами блуждающего нерва с высокой (40м/сек) скоростью проведения. Возбуждение этих рецепторов возникает или усиливается при увеличении объема легких. Чем глубже вдох, тем больше частота импульсов, посылаемых рецепторами растяжения в дыхательный центр. Рецепторы обладают разными порогами возбуждения. Часть рецепторов обладает низким порогом - эти рецепторы возбуждены в течение выдоха и даже при спадении легких, во время вдоха частота импульсов резко возрастает. Высокопороговые рецепторы возбуждаются только при увеличении объема легких сверх функциональной остаточной емко-

сти. Таким образом, информация от механорецепторов поступает в дыхательный центр на протяжении всего дыхательного цикла, этому способству-

ет и медленная адаптация рецепторов.

Увеличение объема легких стимулирует рецепторы растяжения косвенно. Непосредственным раздражителем является внутреннее напряжение стенки воздухоносных путей. Это напряжение зависит от разности давлений по обе стороны стенки. При увеличении объема легких возрастает и их эластическая тяга. Альвеолы, стремящиеся к спадению, растягивают стенки бронхов в радиальном направлении. Поэтому возбуждение рецепторов зависит не только от объема легких, но и от свойств легочной ткани, ее растяжимости.

41

Большая часть афферентных волокон от рецепторов растяжения направляется в дорзальное дыхательное ядро продолговатого мозга, в этом ядре активность инспираторных нейронов изменяется не одинаково, около 60 % этих нейронов тормозится, тормозится и инспирация в целом. Таким образом, рецепторы растяжения легких обеспечивают обратную связь между дыхательным центром и глубиной дыхания (ДО). Рецепторы сигнализируют об объеме легких и ско-

рости его изменения. Способность рецепторов растяжения возбуждаться при увеличении объема легких лежит в основе рефлекторной саморегуляции дыхания, в соответствии с которой длительность фаз дыхательного цикла и дыхательный объем определяются частотой импульсов от механорецепторов. Воз-

буждение рецепторов растяжения легких вызывает рефлекторное торможение вдоха и переход к выдоху. Этот рефлекс называется инспираторнотормозящим рефлексом Геринга-Брейера. Следует отметить, что у взрослого человека рефлексы Геринга-Брейера включаются, когда дыхательный объем превышает 1 литр (например, при физической нагрузке), тормозной рефлекс проявляется так же во сне или под наркозом.

Ирритантные рецепторы - это быстро адаптирующиеся рецепторы воздухоносных путей, слизистой оболочки трахеи и бронхов. Особенно много их у кор-

ней легких. Ирритантные рецепторы обладают одновременно свойствами и механо- и хеморецепторов. Пороги возбуждения этих рецепторов выше, чем у рецепторов растяжения, они возбуждаются лишь при резких изменениях объема легких. Кроме того, ирритантные рецепторы возбуждаются при дейст-

вии пылевых частиц, накапливающейся в воздухоносных путях слизи, при действии паров едких веществ (аммиака, эфира, табачного дыма), некоторых биологически активных веществ, например, гистамина. Это быстро адаптирующиеся рецепторы. При раздражении рецепторов этого типа в трахее - возникает кашель, неприятные ощущения типа першения, жжения, при возбуждении ирритантных рецепторов бронхов дыхание становится частым и поверхностным. Кроме того, импульсы от этих рецепторов вызывают рефлекторное сужение бронхов - бронхоконстрикцию.

Вблизи от капилляров малого круга кровообращения в интерстициальной тка-

ни альвеол расположены J-рецепторы - юкстакапиллярные рецепторы лег-

ких. Раздражителем для этих рецепторов является повышение артериального давления в малом круге, увеличение объема интерстициальной жидкости в легких, эти рецепторы чувствительны к некоторым биологически активным веществам, например простагландинам, гистамину, никотину. Импульсы от этих рецепторов направляются к дыхательному центру по медленным немиелинизированным волокнам блуждающего нерва. Раздражение этих рецепторов приводит к частому, поверхностному дыханию и бронхоконстрикции. Сильное и устойчивое возбуждение J-рецепторов наблюдается при застое крови в малом круге, отеке легких, закупорке мелких сосудов и других повреждениях легочной ткани.

Информация от всех перечисленных рецепторов поступает в дыхательный центр, расположенный в продолговатом мозге.

Дыхательный центр

42

Дыхательный центр это совокупность связанных между собой нейронов центральной нервной системы, обеспечивающих 1) координированную ритмическую деятельность дыхательных мышц и 2) приспособление дыхания к меняющимся условиям окружающей и внутренней среды. Дыхатель-

ный центр был описан в 1885 году Н.А. Миславским. Этот центр, как и любой нервный центр, не является абсолютно автономным образованием, он представляет часть функциональной системы, регулирующей параметры внутренней среды - напряжение кислорода, углекислого газа и рН, и обеспечивает ее гомеостаз.

Мы уже упоминали о том, что в продолговатом мозге на дне IV желудочка расположены структуры, разрушение которых уколом иглы ведет к прекращению дыхания и гибели организма. В экспериментах с перерезками ствола мозга на различных уровнях было установлено, что центр, расположенный в продолговатом мозге является важнейшим в регуляции дыхания. Основной вклад в изучение центральных механизмов регуляции дыхания в последние годы вносят эксперименты с регистрацией активности отдельных нейронов. В ствол мозга вводят внутриклеточные или внеклеточные микроэлектроды, регистрируют активность отдельных нейронов и сопоставляют ее с одновременной записью дыхательных движений. Применение микроэлектродной техники позволило установить, что в состав дыхательного центра входят несколько типов клеток, активность которых соответствует фазам дыхательного цикла. Эти клетки были на-

званы дыхательными нейронами.

Среди дыхательных нейронов выделяются две основные популяции клеток: к первой относятся нейроны, возбуждение которых совпадает с фазой вдоха - инспираторные нейроны, ко второй относятся нейроны, которые возбуждаются в фазу выдоха - экспираторные нейроны.

Природа ритмической активности дыхательного центра до настоящего времени не полностью понятна. Мы приведем гипотезы, существующие по этому вопросу, а в дальнейшем - факты, подтверждающие или опровергающие их.

1.Инспираторные нейроны спонтанно непрерывно активны и периодически тормозятся экспираторными. Экспираторные нейроны возбуждаются влияниями блуждающего нерва и вышележащих отделов мозга.

2.Обе группы нейронов спонтанно активны, а между ними существуют реципрокные отношения (это значит, что при возбуждении одной группы нейронов другая затормаживается, и наоборот).

3.Дыхательные нейроны не обладают спонтанной активностью, а возбуждаются от других отделов мозга. Обе группы нейронов связаны реципрокными отношениями через тормозные нейроны.

4.Существует нейронная сеть, содержащая несколько подтипов нейронов. Их взаимодействие приводит к ритмической активности всей сети. Возникновение этой ритмической активности обусловлено импульсами, поступающими от хеморецепторов и активирую-

щей ретикулярной формации продолговатого мозга.

Как видим, существуют две противоположные точки зрения относительно спонтанной активности дыхательных нейронов.

Локализация дыхательного центра

В продолговатом мозге не обнаружено обособленных ядер, которые содержали бы или исключительно инспираторные, или экспираторные нейроны. Дыха-

43

тельные нейроны обнаружены почти на всем протяжении продолговатого мозга, однако некоторые закономерности их локализации установлены.

В правой и левой половинах продолговатого мозга содержатся по два скопления дыхательных нейронов - дорсальные и вентральные дыхательные ядра. Ориентиром их расположения служит задвижка (obex), находящаяся у нижнего угла ромбовидной ямки (рисунок 20). Скопления преимущественно инспираторных нейронов (95 %) образуют дорсальную группу поблизости от ядра одиночного тракта. Инспираторные нейроны обнаружены и в вентральном ядре, вблизи обоюдного ядра.

Рисунок 20. Расположение инспираторных (И) и экспираторных (Э) нейронов в продолговатом мозге

Слева – вентральная поверхность, справа – два поперечных среза, на которых изображены области сосредоточения дыхательных нейронов, положения ядра одиночного тракта (ЯОТ), корешков языкоглоточного и блуждающего нервов и первого шейного спинномозгового корешка.

Вентральное дыхательное ядро имеет большую протяженность - от каудального края ядра лицевого нерва до первого шейного сегмента спинного мозга, в нем можно выделить три скопления дыхательных нейронов. 1. В непосредственно близости от ядра лицевого нерва обнаружены скопления экспираторных нейронов, это скопление называется комплекс Бетцингера. 2. Каудальнее расположено параамбигуальное ядро, это ядро включает в себя обоюдное ядро, в котором находятся мотонейроны мышц гортани и глотки. Здесь же расположено скопление инспираторных нейронов. Часть вентрального ядра, расположенная латеральнее и каудальнее обоюдного ядра, называется ретроамбигуальным ядром, здесь располагаются экспираторные нейроны. Таким образом, вентраль-

ное ядро имеет сложную структуру и включает как инспираторные, так и экспираторные нейроны. В непосредственной близости, еще немного каудальнее, уже в 1, 2 шейных сегментах спинного мозга обнаружены скопления инспираторных нейронов, но эти нейроны не относят к вентральному ядру.

44

Большая часть аксонов нейронов дорсальной группы направляется в спинной мозг к диафрагмальным ядрам, расположенным в шейном отделе.

Часть аксонов отдают коллатерали в вентральное ядро. Нейроны вентральной

группы посылают нисходящие волокна к спинномозговым мотонейронам межреберных мышц и мышц живота.

Инспираторные мотонейроны спинного мозга расположены во 2 - 6, а экспираторные в 8 - 10 грудных сегментах. В вентральной группе нейронов находятся эфферентные преганглионарные волокна блуждающего нерва, которые обеспечивают изменение просвета дыхательных путей. Максимальная активность нейронов блуждающего нерва соответствует концу выдоха, минимальная концу вдоха.

В экспериментах с перерезкой мозга ниже варолиева моста удалось установить, что кроме дорсальной и вентральной групп нейронов продолговатого мозга, в регуляции дыхания принимают участие и дыхательные нейроны,

расположенные в районе моста. После перерезки и отделения продолговатого мозга от моста периодические дыхательные движения сохраняются, однако ритм становится другим: длительный выдох периодически прерывается короткими вздохами. Оказалось, что для ритмичного дыхания и равномерной смены дыхательных фаз необходима целостность нейронов, расположенных в медиальном парабрахиальном ядре и ядре Келликера-Фузе и их связь с дыхательными нейронами продолговатого мозга. Этот отдел моста получил название пневмотак-

сического центра.

Дыхательный цикл

Для того чтобы понять нейронные процессы, лежащие в основе дыхания, необходимо вспомнить о том, что дыхание - это ритмическое сокращение и расслабление дыхательных мышц. При спокойном дыхании это сокращение мышечной части диафрагмы и прекращение этого сокращения. Явления, происхо-

дящие в аппарате внешнего дыхания между началом следующих друг за другом вдохов (инспираций), называются дыхательным циклом. Длительность дыхательного цикла у человека от 3 до 5 секунд. Важно учесть, что ды-

хательный цикл состоит не из двух, а из трех фаз.

Первая фаза дыхательного цикла - инспирация. В эту фазу возникает воз-

буждение диафрагмальных мотонейронов. Вслед за инспираторной активностью появляется ток воздуха в легкие. Далее наблюдается повышение активности инспирации, в это время воздух с постоянной скоростью поступает в легкие. Возбуждение постепенно усиливается в течение 1 - 2,5 секунд (при спокойном дыхании) за счет подключения дополнительных мотонейронов. В диафрагмальном нерве содержится около 1000 аксонов мотонейронов, которые возбуждаются не одновременно. Затем возбуждение диафрагмальных мотонейронов резко ослабляется, прекращается инспираторная активность. Это прекращение инспираторной активности, которое является началом экспирации, приводит к расслаблению инспираторных мышц.

Экспирация состоит из двух фаз. Упругие силы, накопившиеся в легких во время инспирации (растяжение эластических компонентов легочной ткани), обеспечивают ток воздуха из легких. Следует обратить внимание на то, что в

45

конце инспирации силы растяжения легких настолько велики, что им требуется противодействие (в противном случае выдох будет слишком быстрым). Инспи-

раторные мышцы на некоторое время остаются сокращенными. Эта фаза называется постинспирация. Постинспираторная активность противодействует упругим силам и делает выдох более медленным и плавным. Во время второй фазы экспирации импульсная активность диафрагмальных мотонейронов отсутствует. При спокойном дыхании не наблюдается и активности мотонейронов экспираторных мышц. При углублении дыхания появляется активность экспираторных нейронов и мышц, и выдох становится активным.

Основными параметрами дыхательного цикла, которые можно измерить, являются: дыхательный объем, общая длительность цикла, длительность инспира-

ции, длительность экспирации. Совокупность параметров, характеризующих

объемно - временные отношения дыхательного цикла принято называть паттерном дыхания (от слова pattern - образец, модель).

Характеристика дыхательных нейронов

В экспериментах с регистрацией электрической активности были выделены несколько типов дыхательных нейронов. Для каждого типа характерен свой рисунок импульсной активности в соответствии с фазами дыхательного цикла, свои стимулы возбуждения и торможения, свои связи и локализация.

По связям среди нейронов дыхательного центра выделены две основные группы: нейроны, аксоны которых не покидают дыхательного центра, а заканчиваются на дендритах или телах нейронов в пределах одного дыхательного ядра, или переходят в другое. Эти нейроны называются проприобульбарными. Предполагается, что именно эти нейроны формируют нейронные сети, которые обеспечивают автоматизм дыхательного центра. Возбуждаясь, они вовлекают в процесс возбуждения другие нейроны и формируют паттерн дыхания: глубину и частоту вдохов. Вторая группа нейронов - бульбоспинальные - это нейроны фактически являются премоторными, их аксоны оканчиваются на мотонейронах дыхательных мышц (спинной мозг). Вместе с тем, эти премоторные нейроны часто отдают коллатерали аксонов к проприобульбарным нейронам, и таким об-

46

разом, могут оказывать влияние на паттерн дыхания. Оба вида нейронов встречаются во всех отделах дыхательного центра, однако в их распределении есть определенные закономерности: экспираторные нейроны комплекса Бетцингера и инспираторные параамбигуального ядра преимущественно проприобульбарные. Экспираторные нейроны ретроамбигуального ядра преимущественно бульбоспинальные.

По возбуждающему стимулу среди инспираторных нейронов выделены две популяции: нейроны, которые возбуждаются при возбуждении рецепторов рас-

тяжения легких (нейроны И ), и нейроны, активность которых снижается в этой ситуации (нейроны И ).

По активности в различные фазы дыхательного цикла выделены:

Ранние инспираторные нейроны (Р-И) - частота импульсации очень быстро возрастает и приблизительно на 40 миллисекунд опережает появление импульсов в диафрагмальном нерве, а затем медленно снижается в фазе инспирации. Это нейроны с убывающей активностью, частота импульсов максимальна в начале инспирации и постепенно убывает. Большинство из них проприобульбарные. Активность этих нейронов тормозится при возбуждении рецепторов растяжения легких, вероятно, они являются преимущественно нейронами И .

Полные инспираторные нейроны с медленно нарастающей импульсаци-

ей, частота импульсации медленно нарастает в фазе инспирации (ПН-И). Эти

нейроны активируются от рецепторов растяжения легких (И ) и от хеморецепторов, причем частота импульсов нарастает тем круче, чем выше отклонения в концентрации газов. Во время инспирации на этих нейронах обнаруживается три волны торможения: в начале и в конце инспирации, а также во 2 фазу экспирации. Функциональное значение такого торможения заключается в том, чтобы не допустить новой инспирации до окончания предыдущей. Откуда эти нейроны получают тормозные импульсы пока не известно, но такой вариант их деятельности свидетельствует о многочисленности синаптических входов. Важным в функциональной характеристике этих нейронов является снижение их возбудимости в течение фазы инспирации.

Поздние инспираторные нейроны, выдают короткую вспышку импульсов в конце фазы инспирации (П-И). Таких нейронов немного, они представлены в дорсальной и вентральной дыхательных группах, Это преимущественно бульбоспинальные нейроны. Эти нейроны в начале инспирации заторможены и постепенно растормаживаются во время инспирации. Предполагается, что эти нейроны являются механизмом выключения вдоха.

Экспираторные нейроны с убывающей активностью, ранние экспиратор-

ные (Р-Э). Это проприобульбарные нейроны, которые возбуждаются в конце инспирации, они представлены везде, где есть экспираторные нейроны. Эти нейроны возбуждаются от рецепторов растяжения легких и тормозят инспираторные нейроны. Их функциональная роль заключается в предотвращении следующего вдоха до окончания текущего дыхательного цикла.

Среди ранних экспираторных нейронов выделяют группу постинспираторных нейронов, которые активируются в конце инспирации.

47

Экспираторные нейроны с нарастающей активностью, поздние экспира-

торные (П-Э). Поздних экспираторных нейронов выделено две группы. Первая - это нейроны ретроамбигуального ядра, практически все являются бульбоспинальными премоторными нейронами. Эти нейроны во время всего вдоха заторможены, однако на них в это время фиксируются ВПСП. Во время инспирации эта деполяризация слаба и не достигает критического уровня. Вторая группа поздних экспираторных нейронов находится в комплексе Бетцингера, они похожи на нейроны первой группы, но в отличие от них, имеют много связей в области продолговатого мозга, являются проприобульбарными. Кроме того, их аксоны достигают мотонейронов диафрагмального нерва и затормаживают их. Экспираторные нейроны второй группы являются тормозными по отношению к инспираторным нейронам. Функциональная роль этих нейронов также заключается в предотвращении следующего вдоха до окончания текущего дыхательного цикла.

Кроме перечисленных дыхательных нейронов, которым отводится основная роль в образовании паттерна дыхания - его частоты и глубины - описаны и переходные нейроны, активность которых увеличивается при переходах вдоха в выдох и наоборот. Есть также полные нейроны, которые генерируют импульсы в течение всего дыхательного цикла.

В заключении следует отметить, что к настоящему времени в пределах дыха-

тельного центра не обнаружено нейронов, обладающих спонтанной ритмической активностью, которые могли бы выполнять функции водителя рит-

ма, подобно сердечному водителю ритма, следовательно, первая из предложенных выше гипотез не нашла пока своего подтверждения.

Таблица 5

Активность различных дыхательных нейронов в соответствии с фазами дыхательного цикла.

Из описания свойств дыхательных нейронов становится ясно, что для каждой фазы цикла характерна преимущественная активность определенной группы нейронов. Попытаемся на схеме представить организацию нейронов в сеть, их взаимодействие и участие в организации дыхательного цикла. Оговоримся сразу

48

- все схемы, которые на сегодняшний день представлены в учебниках и данном пособии - лишь гипотезы, которые в большей или меньшей степени подтверждаются сложными экспериментами.

Рисунок 21. Схема нейронной организации дыхательного цикла

Простейшая схема организации дыхательного цикла (рис. 21) может быть представлена следующим образом: Инспираторные нейроны получают возбуждающий импульс от хеморецепторов каротидного синуса и продолговатого мозга и передают его инспираторным дыхательным мышцам. Одновременно происходит активация экспираторных нейронов (импульсы от инспираторных нейронов и рецепторов растяжения легких). Эти нейроны затормаживают инспираторные, дыхательные мышцы расслабляются и происходит пассивный выдох.

На рисунке 22 А представлена схема рефлекса, с помощью которого увеличивается МОД при снижении напряжения кислорода в крови, или увеличении напряжения углекислого газа, т.е. по принципу отклонения параметра от должных значений. В этом случае увеличивается частота импульсов, поступающих к инспираторным нейронам, и соответственно к мотонейронам диафрагмального нерва и межреберных мышц. Если глубина дыхания увеличивается так. что дыхательный объем приближается к 1 литру (у взрослого человека), происходит раздражение рецепторов растяжения легких, возбуждение экспираторных нейронов и ограничение инспирации (рис. 22 Б).

В соответствии с простой схемой дыхание получается прерывистым - инспираторные нейроны не возбуждаются, пока в крови не снизится напряжение О2 и не накопится и СО2. Однако в нормальных условиях смена вдоха и выдоха происходит плавно, без рывков, кроме того, было установлено, что на фоне спокойного дыхания напряжение газов в периферической крови остается на постоянном уровне. Как уже известно, возбуждение хеморецепторов в условиях гиперкапнии или гипоксии стимулирует активность инспираторных нейронов и увеличивает ДО. Попытаемся выяснить, каким образом организуется дыхательный цикл на нейронном

49

уровне в обычных условиях, в покое, когда не происходит резких колебаний напряжения газов в крови.

Рисунок 22А. Схема рефлекторной регуляция легочной вентиляции

Рисунок 22 Б. Структуры, принимающие участие в рефлекторной регуляции вентиляции легких по принципу отклонения

1.Дыхательный центр продолговатого мозга

2.Хеморецепторы каротидного синуса

3.Хеморецепторы продолговатого мозга

4.Рецепторы растяжения легких

5.Диафрагма

6.Межреберные мышцы

7.Увеличение размеров грудной клетки при сокращении диафрагмы и наружных межреберных мышц

50