Hệ thống thần kinh bình thường điều chỉnh tốc độ thông khí ở phổi gần như thích hợp với nhu cầu của cơ thể làm cho phân áp oxy (PO2) và phân áp carbondioxide (PCO2) trong máu động mạch hầu như không thay đổi, ngay cả khi tập thể dục nặng và hầu hết các trường hợp stress hô hấp. Chương này mô tả các chức năng của hệ thống thần kinh điều hòa hô hấp.
Các trung tâm hô hấp bao gồm các nhóm tế bào thần kinh nằm song song hai bên ở hành tủy và cầu não của thân não. Nó được chia thành ba nhóm noron chính: (1) a nhóm hô hấp lưng, nằm ở phần lưng của hành não, nó có chức năng chính gây hít vào; (2) a nhóm hô hấp bụng, nằm ở phần bụng của hành não, có chức năng chủ yếu gây thở ra; và (3) trung tâm điều chỉnh thở, nằm ở phần lưng trong phần trên của cầu não, chức năng chủ yếu là kiểm soát nhịp và độ sâu của hoạt động thở.
Hình. Tổ chức của trung tâm hô hấp.
Neuron hô hấp lưng điều hòa nhịp hít vào và nhịp hô hấp
Nhóm neuron hô hấp lưng đóng vai trò chủ yếu trong điều hòa hô hấp và nó trải dài hầu hết chiều dài hành não. Hầu hết các neuron nằm trong nhân bó đơn độc (NTS), ngoài ra các neurons khác trong chất lưới của hành não cũng đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa hô hấp. Nhân bó đơn độc (NTS) là tận cùng cảm giác của cả dây thần kính phế vị và dây thần kinh thiệt hầu, nó truyền tín hiệu cảm giác vào trung tâm hô hấp từ (1) các thụ thể hóa học ngoại vi, (2) thụ thể nhận cảm áp suất, và (3) một số loại thụ thể trong phổi.
Nhịp hít vào nhịp nhàng được điều hòa bởi nhóm hô hấp lưng. Các nhịp hô hấp cơ bản được tạo ra chủ yếu bởi nhóm hô hấp lưng.Ngay cả khi tất cả các dây thần kinh ngoại biên đi vào hành não bị cắt và thân não bị chia thành vùng trên và dưới hành, nhóm neuron này vẫn phát nhịp điệu nhịp nhàng điện thế hoạt động ở thì hít vào. Nguyên nhân cơ bản gây ra sự phát nhịp nhịp nhàng chưa được làm rõ. Ở động vật nguyên thủy, mạng neuron đã được tìm thấy , trong đó hoạt động của một nhóm tế bào thần kinh kích thích một bộ phận thứ hai, và bộ phận thứ hai lại quay lại ức chế bộ phận đầu tiên. Do đó, sau mỗi chu kỳ, cơ chế tự động này lặp đi lặp lại liên tục trong suốt cuộc đời của con vật. Hầu hết các nhà sinh lý học hô hấp tin rằng một số mạng neuron tồn tại trong cơ thể con người, nằm hoàn toàn bên trong hành não; nó có thể liên quan đến không chỉ nhóm hô hấp lưng mà còn có thể là các khu vực xung quanh hành não, và nó chịu trách nhiệm về điều hòa nhịp hô hấp cơ bản.
Tín hiệu thở tăng từ từ. Các tín hiệu thần kinh được truyền tới các cơ hít bào, chủ yếu là cơ hoành, không phải là sự tăng nhanh tức thời của các điện thế hoạt động. Thay vào đó, nó bắt đầu một cách yếu và tăng từ từ trong khoảng 2s trong khi hô hấp bình thường. Sau đó nó ngừng trong khoảng 3s tiếp theo làm dừng kích thích vào cơ hoành và cho phép lực đàn hồi của phổi và thành ngực gây ra hiện tượng thở ra. Tiếp thoe, các tín hiệu hít vào lại bắt đầu chu kỳ khác; chu trình này cứ lặp đi lặp lại với hiện tượng thở ra xen giữa các chu trình. Do đó, các tín hiệu hít vào được gọi là tín hiệu từ từ (ramp signal). Ưu điểm của việc tăng từ từ là nó làm tăng ổn định thể tích phổi trong khi hít thở, hơn là thở hổn hển.
Hai hệ quả của cơ chế điều hòa thở từ từ là:
1. Điều hòa tốc độ tăng tín hiệu từ từ trong hô hấp mạnh, sự tăng từ từ nhanh và do đó làm đầy phổi nhanh chóng.
2. Kiểm soát điểm giới hạn đỉnh khi tăng để dừng lại, nó là phương pháp để kiểm soát tốc độ hô hấp; đó là, điểm giới hạn thấp hơn, ngắn hơn so với thời gian hít vào. Cách này cũng giúp rút ngắn thời gian thở ra. Do đó, tần số hô hấp tăng lên.
Trung tâm điều chỉnh thời gian hít vào và tăng tần số hô hấp
Một trung tâm hô hấp (pneumotaxic center), nằm ở phần lưng của nhân parabrachialis ở phần trên của cầu não, nó truyền tín hiệu đến trung tâm hít vào. Tác dụng chính của trung tâm này là để kiểm soát điểm dừng “switch-off” của đoạn tăng cường độ hít vào, do đó kiểm soát thời gian của pha hít vào của chu kỳ phổi. Khi tín hiệu của trung tâm điều chỉnh thở mạnh, thì hít vào có thể kéo dài ít nhất là 0,5s, do đó làm đầy phổi chỉ trong thời gian ngắn; khi tín hiệu của trung tâm này yếu, thì hít vào có thể kéo dài đến 5s hoặc hơn, do đó làm đầy phổi với một lượng khí rất lớn.
Trung tâm điều chỉnh thở có chức năng chủ yếu là ức chế trung tâm hít vào, ngoài ra có tác dụng thứ hai trong việc làm tăng tốc độ thở, do khi ức chế hít vào cũng làm cho thì thở ra ngắn hơn và toàn bộ thời gian của mỗi chu kỳ hô hấp cũng ngắn hơn. Một tín hiệu của trung tâm điều chỉnh thở mạnh có thể làm tăng tốc độ thở lên đến 30-40 nhịp/phút, trong khi một tín hiệu của trung tâm điều hòa thở yếu có thể làm giảm tốc độ xuống còn 3-5 nhịp/phút.
Nhóm neuron bụng điều khiển cả thì hít vào và thở ra
Nằm ở mỗi bên của hành não, cách khoảng 5 mm phía trước và bên hơn so với nhóm neuron hô hấp lưng, là nhóm neurons hô hấp bụng, được tìm thấy ở nhân nucleus ambiguus rostrally và nhân nucleus ret-roambiguus caudally. Chức năng của nhóm neuron hô hấp này khác với nhóm hô hấp lưng ở nhiều điểm:
1. Các neuron thần kinh của nhóm hô hấp bụng gần như hoàn toàn không hoạt động trong khi hít thở bình thường. Do đó, hít thở bình thường được tạo ra sự giãn đàn hồi của phổi và lồng ngực.
2. Nhóm neurons hô hấp bụng không tham gia trong điều hòa nhịp thở cơ bản.
3. Khi thông khí của phổi tăng lớn hơn bình thường, tín hiệu được truyền đến nhóm hô hấp bụng từ cơ chế dao động cơ bản của nhóm hô hấp lưng. Như một hệ quả, nhóm hô hấp bụng góp phần giúp hoạt động thở ra dễ dàng hơn.
4. Kích thích điện tới một vài neuron ở nhóm hô hấp bụng gây hít vào, trong khi sự kích thích các neuron khác gây thở ra. Do đó, các neuron đóng góp trong cả thì hít bào và thở ra. Chúng đặc biệt quan trọng trong việc phát các tín hiệu thở ra mạnh tới các cơ bụng trong khi thở ra rất mạnh. Như vậy, nhóm neuron này hoạt động nhiều hay ít như là một cơ chế khi nhu cầu đòi hỏi thông khí cao, đặc biệt khi tập thể dục nặng.