НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА НОРМАЛЬНОЙ ФИЗИОЛОГИИ

УЧЕБНО- МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

ФИЗИОЛОГИЯ

ДЫХАНИЯ

НОВОСИБИРСК  2007

Методическое пособие «ФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАНИЯ»

по курсу нормальной физиологии к разделу «физиология дыхания»:

Новосибирский Государственный медицинский университет, 2007. - 71 с.

Методическое пособие предназначено для студентов второго курса всех факультетов, как дополнение к учебнику и лекциям.

Утверждено Центральной комиссией методического

совета НГМА - протокол №   3   от 27.02 2002  г.

Авторы-составители:

заведующий кафедрой нормальной физиологии  НГМУ

д. м. н. профессор В. Ю. Куликов,

профессор кафедры нормальной физиологии   НГМУ,

д. б. н.  Н.Б. Пиковская

Рецензенты:

Зав. кафедрой педагогики и мед. психологии НГМУ,

доцент Г. В. Безродная

Профессор кафедры патофизиологии НГМУ,

д .м .н. А.Р. Антонов

ã     Новосибирский государственный медицинский университет

Введение

Почти все животные, за исключением некоторых микроорганизмов являются аэробами. Это значит, что образования энергии, необходимой для их жизнедеятельности происходит только на основе процессов окисления. Для нормального протекания окисления необходимы постоянный приток кислорода и непрерывное удаление из организма углекислого газа. Совокупность процессов, обеспечивающих доставку клеткам кислорода и удаление углекислого газа, называется дыханием, и традиционно рассматриваются в разделе «Физиология дыхания».

Наиболее простой формой дыхания является газообмен путем прямой диффузии через стенки живой клетки. Интенсивность этого процесса зависит только от градиента концентрации газов и площади диффузионной поверхности. Развитие сложноорганизованных животных, увеличение размеров тела сделало невозможным контакт каждой клетки с окружающей средой. С усложнением организации живого организма формируется специальная система органов, которая осуществляет доставку кислорода в организм - система органов дыхания - трахеи, жабры, легкие. Параллельно формируется взаимодействие системы дыхания с системой, доставляющей кислород к тканям - системой кровообращения. Диффузионный процесс не исчезает и не теряет своей роли, а встраивается в эти системы на двух этапах - транспорт из легких в кровь и из крови в ткани. Таким образом, дыхание включает в себя несколько процессов, которые мы будем рассматривать в соответствии с этапами транспорта кислорода (и углекислого газа) из окружающей среды к клеткам (и обратно в атмосферу).

Постарайтесь пройти этот путь вместе с кислородом: сначала легочная вентиляция, затем альвеолярная вентиляция, диффузия из альвеол в кровь, транспорт  кровью и вновь диффузия из крови в ткани. Разберитесь в каждом из этапов, потому, что практически никогда патология системы дыхания не возникает одновременно на всех этапах транспорта газов, а формируется сначала на каком то одном. Именно в этом вам и предстоит разобраться при диагностике заболеваний системы дыхания.

Для студентов педиатрического факультета мы предлагаем  краткую характеристику особенностей дыхания у новорожденных и становление этой функции в детском возрасте.

ЖЕЛАЕМ УСПЕХА!

Этапы процесса дыхания

Дыхание это процесс  переноса кислорода из атмосферного воздуха к клеткам и углекислого газа от клеток в окружающую среду.  Этот процесс переноса кислорода в те части организма, где он поглощается клетками, происходит в несколько этапов:

1.     Внешнее дыхание, которое обеспечивает вентиляцию легких. На этом этапе происходит конвекционный транспорт воздуха из окружающей среды в альвеолы и обратно.

2.     Диффузия кислорода из альвеол в кровь легочных капилляров, а углекислого газа из капилляров в альвеолы.

3.     Транспорт газов кровью - конвекционный перенос кислорода кровью к капиллярам тканей; а углекислого газа к капиллярам легких.

4.     Диффузия кислорода из капилляров в окружающие ткани и диффузия углекислого газа из тканей в капилляры.

Наша задача познакомиться со всеми этапами процесса потому, что нарушения транспортировки кислорода могут возникнуть на любом из этих этапов, а результат будет всегда один - недостаточное получение тканями кислорода - гипоксия.

Вентиляция легких

Функцию внешнего дыхания у высших позвоночных и человека выполняют специальная система воздухоносных дыхательных путей и легкие. Сюда же следует отнести и дыхательные мышцы, с помощью которых происходит изменение  размеров грудной клетки и осуществляется дыхательный акт. Внешнее дыхание осуществляется благодаря, во-первых, изменению объема грудной клетки обусловленному движением ребер и диафрагмы и, во-вторых, последующему пассивному изменению  объема легких. Объем  грудной клетки увеличивается во время вдоха. Эта фаза носит название инспирации. Экспирацией называется фаза уменьшения объема легких во время выдоха. Чередование вдоха и выдоха составляют дыхательный цикл. Обычно вдох несколько короче выдоха: у человека их соотношение равно в среднем 1:1,3. Соотношение компонентов дыхательного цикла (длительность фаз, глубина дыхания, динамика давления и потоков в воздухоносных путях) характеризует так называемый паттерн дыхания.

Во время дыхания окружающий воздух проходит систему полостей и последовательно разветвляющихся трубок. Внутренняя емкость воздухоносных путей до начала респираторных бронхиол I порядка называется анатомически мертвым пространством, составляет от 150 до 170 мл. В этой зоне не происходит газообмена, однако воздухоносные пути выполняют не только функции проводящих трубок. Они обеспечивают очищение, увлажнение и согревание воздуха. Очищение начинается уже при прохождении через носовую полость, где в слизистой оболочке задерживаются частицы пыли, бактерии. Частицы не задержанные в этой области прилипают к слою слизи, который секретируется бокаловиднымии клетками и субэпителиальными железистыми клетками дыхательных путей. В результате мерцательных движений ресничек дыхательного эпителия слизь постоянно передвигается  по направлению к надгортаннику. Согревание и увлажнение воздуха происходит в основном в носовой полости, где большая поверхность слизистой хорошо кровоснабжается  и содержит высокоактивные слизистые железы. Воздух, попадающий в альвеолы, нагрет до 37 градусов и полностью насыщен водяными парами.

Ацинус - морфофункциональная единица легкого - начинается с дистального конца терминальных бронхиол и включает респираторные бронхиолы всех порядков, альвеолярные ходы и альвеолярные мешочки. В легких взрослого человека содержится 150000 ацинусов, объем ацинуса 30-40 мм^2, каждый ацинус содержит до 2000 альвеол, общее число альвеол примерно 300 миллионов, суммарная площадь 80 м^2, диаметр альвеол 0.2 - 0.3 мм, каждая альвеола окружена плотной сетью капилляров.

Альвеолы отделены друг от друга альвеолярными перегородками, они являются одновременно стенками альвеол. Очень важными и постоянными структурами нормального легкого являются отверстия в альвеолярной перегородке - поры Кона. Благодаря этим порам осуществляется активный коллатеральный газообмен и обмен сурфактантом.

Альвеолярный эпителий включает альвеолоциты  I  и II порядка. Функциональное значение альвеолоцитов I порядка: формирование альвеоло-капиллярного барьера, транспорт жидких компонентов из крови в альвеолы, препятствие проникновению инородных частиц из альвеол в кровь и обратно. Альвеолоциты II порядка занимающие,  лишь 3 - 7 % альвеолярной поверхности, выполняют секреторную и репродуктивную функции, этими клетками замещаются клетки первого порядка в случае гибели.

Кровь легочных капилляров отделена от альвеол альвеоло-капиллярной мембраной, толщина которой не превышает 1мкм.

Для обеспечения нормальной легочной вентиляции необходимо структурное обеспечение, в котором выделим 4 основных   фактора:

1.     работа дыхательных мышц для изменения размеров грудной клетки,

2.     эластичность легочной ткани, которая позволяет ей следовать за изменениями размеров грудной клетки,

3.     транспульмональное давление, которое поддерживает легкие в расправленном состоянии,

4.     легочный сурфактант, препятствующий спадению альвеол.

Дыхательные мышцы

Существуют два механизма, вызывающие изменение объема грудной клетки: поднятие и опускание ребер и движения купола диафрагмы. Дыхательные мышцы подразделяются на инспираторные - их сокращение увеличивает объем грудной клетки,  и экспираторные – их сокращение уменьшает объем грудной клетки. Акт вдоха (инспирация) совершается вследствие увеличения объема грудной полости в трех направлениях – вертикальном, сагиттальном и фронтальном. Это происходит в результате того, что ребра поднимаются, а диафрагма опускается.

Движение ребер.  Ребра соединены подвижными сочленениями с телами и поперечными отростками позвонков. Каждое ребро способно вращаться вокруг оси, проходящей через две точки подвижного соединения с телом и поперечным отростком соответствующего позвонка. Поэтому при сокращении инспираторных мышц - наружные косые межреберные мышцы - ребра поднимаются, и объем грудной клетки увеличивается. Когда ребра опускаются при активном участии экспираторных мышц  - внутренние косые мышцы, то объем грудной клетки уменьшается – наступает фаза выдоха. Характер изменения объема грудной клетки в зависимости от сокращения наружных и внутренних косых межреберных мышц показан на рисунке 1А. Экспираторными мышцами являются и мышцы брюшной стенки.

Рисунок 1А. Влияние сокращения наружных и внутренних косых межреберных мышц на изменение объема грудной клетки

Рисунок 1Б. Изменение объема грудной клетки

при сокращении диафрагмы

Движения диафрагмы  Диафрагма является наиболее сильной мышцей вдоха, обеспечивающей примерно 2/3 вентиляции. Диафрагма иннервируется диафрагмальными нервами от сегментов  С_3 – С_5 . Во время вдоха диафрагма уплощается в результате сокращения ее мышечных волокон и отходит от внутренней поверхности грудной клетки, размер грудной клетки увеличивается (рис.1Б).

При спокойном дыхании объем грудной клетки изменяется в основном за счет сокращения диафрагмы и перемещения ее купола. Перемещение диафрагмы всего на 1 см соответствует увеличение емкости грудной полости примерно на 200 - 300 мл. При глубоком форсированном дыхании участвуют дополнительные мышцы вдоха: трапециевидные, передние лестничные и грудино-ключично-сосцевидные мышцы. Они включаются в активный процесс дыхания при значительно больших величинах легочной вентиляции, например, при восхождении альпинистов на большие высоты или при дыхательной недостаточности, когда в процесс дыхания вступают почти все мышцы туловища.

Верхние отделы грудной клетки на вдохе расширяются преимущественно в переднезаднем направлении, а нижние отделы больше расширяются в боковых направлениях, так как ось вращения нижних ребер занимает сагиттальное положение. В зависимости от того, связано ли расширение грудной клетки при нормальном дыхании преимущественно с поднятием ребер или уплощением диафрагмы, различают грудной и брюшной типы дыхания. Брюшной тип дыхания более эффективен, поскольку при нем интенсивнее вентилируются легкие, и облегчается венозный возврат крови от органов брюшной полости к сердцу. Именно поэтому при обморочных состояниях, когда резко снижается величина венозного возврата к сердцу, что чревато развитием  нарушений его функции,  пациента кладут на горизонтальную поверхность, нижние конечности приподнимают и просят дышать «животом».

При ряде заболеваний, когда требуется усилить деятельность дыхательного аппарата, в акт вдоха могут включаться кроме основных дыхательных мышц, вспомогательные мышцы, к которым относятся все мышцы, прикрепляющиеся к костям плечевого пояса, черепу, позвоночнику и способные поднимать ребра.   Важнейшие из них – это большие и малые грудные, лестничные, грудино-ключично-сосцевидные и, частично, зубчатые. Включение этих мышц в акт вдоха достигается специфической позой, когда больной упирается руками в неподвижный предмет, в результате чего плечи фиксируются и отклоняют голову назад. К важнейшим вспомогательным экспираторным мышцам относятся мышцы брюшного пресса, подтягивающие ребра вниз и сдавливающие органы брюшной полости.

Иннервация дыхательных мышц осуществляется соматическими нервами, мотонейроны которых расположены в шейном (n. phrenicus)  и грудном отделе спинного мозга  (n.n. intercjstales). Мотонейроны этих нервов находятся под управлением дыхательного центра продолговатого мозга. Вместе с тем, поскольку эти нервы иннервируют скелетные мышцы, возможно и произвольное управление дыханием (рисунок 2).

Рисунок 2. Иннервация дыхательных мышц

Соединительная ткань - основа упругости и эластичности легких

Легкие обладают рядом особенностей структурной организации, обеспечивающих их эластические свойства. Опорный каркас легких, начиная от главных бронхов и заканчивая альвеолами, состоит из соединительной ткани, включающей коллагеновые, ретикулярные и эластические волокна. Пучки этих волокон, подобно пружине, могут растягиваться и сжиматься. Механические свойства коллагеновых и эластических волокон не одинаковы: длина коллагеновых волокон при растяжении увеличивается всего на 2%, но зато очень велика их прочность на разрыв. Эластические волокна, наоборот, обладают очень высокой растяжимостью - до 130 %. В паренхиме легких соотношение коллаген /эластин равно 2.5/1, а в париетальной плевре - 10/1, следовательно, растяжимость легких значительно выше.

Вторым компонентом, способным сокращаться и расслабляться являются клетки гладкой мускулатуры, которые расположены по ходу дыхательных путей, в основании у входа в альвеолы, в плевре.

Третьим компонентом, вносящим свой вклад в эластичность легких, служат клетки фибробластического ряда, содержащие пучки фибрилл, богатые сократительными белками и способные к сокращению.

Соединительнотканный каркас, или строма, легких выполняет несколько функций: опорную, амортизационную, трофическую, коммуникационную. Основной принцип организации опорного каркаса - его непрерывность и структурная взаимосвязанность, от воздухоносных путей до висцеральной плевры. В связи с этим, при изменении внутриплеврального давления силы тяги передаются с париетальной на висцеральную плевру и далее на легкие, в воротах которых соединительнотканные образования плевры зафиксированы.

Таким образом, легкие содержат структуры, которые, с одной стороны, эластичны и могут растягиваться, а с другой - обладают ярко выраженной способностью к ретракции (будем называть это свойство ретракцией, для того, чтобы отличать этот пассивный процесс от активного сокращения). Во время вдоха легкие подвергаются растяжению под действием сил сокращения дыхательной мускулатуры (размер грудной клетки увеличивается). Когда эти силы прекращают действовать, легкие благодаря своим упругим свойствам возвращаются в первоначальное состояние. Чем больше увеличивается объем легких во время вдоха, тем сильнее они растягиваются и тем больше накапливается механической энергии для последующей ретракции. Эластические свойства легких характеризуются двумя основными параметрами: 1) растяжимостью и 2) эластическим сопротивлением - это та сила, которая препятствует растяжению.

Легочный сурфактант

Если полностью удалить из легких воздух и заменить его физиологическим раствором, то окажется, что способность к растяжению у легких значительно повышается. Это объясняется тем, что растяжению легких в норме препятствуют силы поверхностного натяжения, возникающие в легком на границе жидкость - газ.

Пленка жидкости, выстилающая внутреннюю поверхность альвеол, содержит высокомолекулярное вещество, понижающее поверхностное натяжение. Это вещество называется сурфактант и синтезируется альвеолоцитами II типа. Сурфактант имеет сложную белково-липидную структуру и представляет собой межфазную пленку на границе воздух - жидкий слой. Физиологическая роль легочного сурфактанта обусловлена тем, что эта пленка значительно снижает поверхностное натяжение, вызванное жидкостью. Поэтому сурфактант обеспечивает  во-первых,  повышение растяжимости легких и уменьшении работы, совершаемой во время вдоха и, во-вторых,  обеспечивает стабильности альвеол препятствуя их слипанию. Регулирующее действие сурфактанта в обеспечении стабильности размеров альвеол состоит в том, что чем меньше становятся размеры альвеол, тем больше снижается поверхностное натяжение под влиянием сурфактанта. Без этого эффекта при уменьшении объема легких самые мелкие альвеолы должны были бы спадаться (ателектаз).

Синтез и замена поверхностно-активного вещества - сурфактанта происходит довольно быстро, поэтому нарушение кровотока в легких, воспаление и отеки, курение, острая кислородная недостаточность (гипоксия) или избыток кислорода (гипероксия), а также различные токсические вещества, в том числе некоторые фармакологические препараты (жирорастворимые анестетики), могут снизить его запасы и увеличить поверхностное натяжение жидкости в альвеолах. Потеря сурфактанта приводит к «жестким» (малоподвижным, плохо растяжимым) легким с наличием зон ателектазов.

Кроме действия сурфактанта стабильность альвеол в значительной степени обусловлена и структурными особенностями паренхимы легких. Каждая альвеола (кроме прилежащих к висцеральной плевре) окружена другими альвеолами. В такой эластической системе при уменьшении объема какой-то группы альвеол, окружающая их паренхима будет подвергаться растяжению, и препятствовать спадению соседних альвеол. Эту поддержку окружающей паренхимы называют «взаимосвязью». Взаимосвязь наряду с сурфактантом играет большую роль в предотвращении ателектазов и открытии ранее закрытых, по каким то причинам, участков легких. Кроме того, такая «взаимосвязь» поддерживает низкое сопротивление внутрилегочных сосудов и стабильность их просвета, просто растягивая их снаружи.

Транспульмональное давление

Стенки грудной клетки и поверхность легких покрыты тонкой серозной оболочкой. Между листками висцеральной и париетальной плевры имеется узкая (5 - 10 мкм) и герметичная щель, заполненная серозной жидкостью, по составу сходной с лимфой. В момент первого вдоха новорожденного легкие расправляются и остаются в таком состоянии всю оставшуюся жизнь. Если вспомнить о свойствах эластического каркаса легких, то становится ясно, что растянутые легкие постоянно стремятся уменьшить свой размер за счет способности эластических волокон к ретракции.  Эта сила эластической тяги легких постоянно  «оттягивает» легкие от грудной клетки, поэтому давление в плевральной полости  всегда немного ниже, чем давление в альвеолах. Эту разницу давлений можно выявить, если, как видно на рисунке 3, ввести в плевральную полость канюлю, так чтобы ее кончик находился в плевральной полости. Соединив эту канюлю с манометром, мы можем убедиться в том, что у человека в состоянии покоя в конце выдоха внутриплевральное давление примерно на 3-4 мм рт. столба (5см. водного столба) ниже атмосферного.

Внутриплевральное давление  ниже давления в альвеолах на величину эластической тяги легких:

Р плевральное = Р альвеолярное - Р эластической тяги легких

Следовательно, между внутренней поверхностью альвеол и плевральной полостью существует разность давлений, причем эта разность всегда в пользу альвеолярного пространства.  Разницу между давлением в альвеолах и давлением в плевральной полости называют транспульмональным давлением.

Р транспульмональное = Р альвеолярное - Р плевральное.

Транспульмональное давление это тот градиент давлений, который поддерживает легкие в расправленном состоянии (давление «изнутри» выше давления «снаружи»). Таким образом, сила транспульмонального давления направлена в одну сторону с влиянием сурфактанта и противодействует эластической тяге легкого и поверхностному натяжению водной пленки. На схеме представлено взаимодействие сил, которые обеспечивают расправленное состояние легких, следовательно возможность легких растягиваться и обеспечивать поступление воздуха в альвеолярное пространство.

Плевральное давление часто называют отрицательным лишь потому, что оно ниже атмосферного. Плевральное давление можно считать отрицательным, если атмосферное давление принять за 0. На самом деле это давление положительное и зависит от атмосферного давления.

Если атмосферное давление сегодня равно 747 мм рт. ст., то плевральное давление к концу спокойного выдоха будет равно 747 - 3 = 744 мм рт. ст. Таким образом, транспульмональное давление равно 747 – 744 = 3 мм рт. ст.

Рассмотрим, каким образом изменяется альвеолярное и плевральное давление во время дыхания. Схема и рисунки 3А и Б иллюстрируют изменения давления во время вдоха и выдоха.

Перед вдохом давление в альвеолах равно атмосферному, движения воздуха нет. Стрелка - это эластическая тяга легкого, которая создает в плевральной полости давление ниже атмосферного. Транспульмональное давление поддерживает легкие в расправленном состоянии.

Во время вдоха объем грудной клетки увеличивается, легочная ткань растягивается. Объем легких увеличивается, давление в альвеолах становится ниже атмосферного, и воздух поступает в легкие. Увеличение размеров грудной клетки приводит к еще большему уменьшению плеврального давления, потому что плевральная полость растягивается в двух направлениях - две стрелки - увеличение размеров грудной клетки и более сильная тяга эластики  легких во время их растяжения. Таким образом, транспульмональная разница давлений не только сохраняется, ни и немного увеличивается, облегчает растяжение легких.

Во время пассивного выдоха (расслабление межреберных мышц и диафрагмы) увеличение плеврального давления и ретракция эластики легких обеспечивают движение воздуха из альвеол в атмосферу.

На этой схеме приведены давления в альвеолах и плевральной полости во время активного выдоха.  При сокращении внутренних межреберных мышц  уменьшаются размеры грудной клетки и объем легких,  происходит повышение альвеолярного давления и осуществляется выдох.  Давление в плевральной полости может стать даже выше атмосферного, благодаря сокращению экспираторных мышц, кроме того, уменьшается эластическая тяга легких.

Легко убедиться в том, что транспульмональная разница давлений совершенно необходима для нормального дыхания: стоит только нарушить герметичность плевральной полости. Если атмосферный воздух попадет в плевральную полость, то давление внутри легких и плевральной полости окажутся одинаковыми, легкие при этом спадаются. Сообщение плевральной полости с внешней средой в результате нарушения герметичности грудной клетки носит название пневмоторакса. При пневмотораксе выравниваются внутриплевральное и атмосферное давления, что вызывает спадение легкого и делает невозможной его вентиляцию при дыхательных движениях грудной клетки и диафрагмы. Если при одностороннем пневмотораксе пациент может существовать за счет воздухообмена через сохранившееся легкое, то при двустороннем пневмотораксе неминуемо наступает смерть. Кроме травматического пневмоторакса существует лечебный пневмоторакс, при котором в плевральную полость вводится строго определенное количество воздуха. Лечебный пневмоторакс применяется с целью ограничения функции больного легкого, например при туберкулезе легкого, абсцессах в легком и т.д.

Рисунок 3А. Плевральное давление во время дыхания

Рисунок 3Б. Изменение внутрилегочного и внутриплеврального давления во время дыхания

Механизмы изменения объема легких при дыхании можно продемонстрировать с помощью модели Дондерса (рис. 4), на которой с помощью двух манометров можно проследить за изменением давления и в легких,  и в плевральной полости.

Если отсосать воздух из колокола, то легкие расправятся, т.к. в плевральной полости давление станет ниже внутрилегочного, появится разница давлений между внутрилегочным пространством и плевральной полостью – транспульмональное давление.

Теперь можно попробовать снизить давление в легких, оттягивая эластическую мембрану вниз и имитируя сокращение диафрагмы и увеличение объема грудной клетки. При этом уменьшится и внутриплевральное давление, что будет видно по изменению уровня жидкости в манометре. Такие изменения внутрилегочного и плеврального давлений характерны для фазы вдоха.

Рисунок 4. Модель Дондерса

Легочные объемы и емкости

Для функциональной характеристики дыхания принято использовать различные легочные объемы и емкости. Легочные объемы   подразделяются на статические и динамические. Первые измеряют при завершенных дыхательных движениях. Вторые измеряют при проведении дыхательных движений и с ограничением времени на их выполнение. Емкость включает в себя несколько объемов.

Объем воздуха в легких и дыхательных путях зависит от следующих показателей: 1) антропометрических индивидуальных характеристик человека и строения дыхательной системы; 2) свойств легочной ткани; 3) поверхностного натяжения альвеол; 4) силы, развиваемой дыхательными мышцами.

Дыхательный объем (ДО) — объем воздуха, который вдыхает и выдыхает человек во время спокойного дыхания (рис. 5). У взрослого человека ДО составляет примерно 500 мл. Величина ДО зависит от условий измерения (покой, нагрузка, положение тела). ДО рассчитывают как среднюю величину после измерения примерно шести спокойных дыхательных движений.

Резервный объем вдоха (РО вд) — максимальный объем воздуха, который способен вдохнуть испытуемый после спокойного вдоха. Величина РО вд составляет 1,5—1,8 л.

Резервный объем выдоха (РО выд)—максимальный объем воздуха, который человек дополнительно может выдохнуть после спокойного выдоха. Величина РО выдоха ниже в горизонтальном положении, чем в вертикальном, уменьшается при ожирении. Она равна в среднем 1,0—1,4 л.

Остаточный объем (ОО) — объем воздуха, который остается в легких после максимального выдоха. Величина остаточного объема равна 1,0—1,5 л.

Исследование динамических легочных объемов представляет научный и клинический интерес, и их описание выходит за рамки курса нормальной физиологии,

Легочные емкости. Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) включает в себя дыхательный объем, резервный объем вдоха, резервный объем выдоха. У мужчин среднего возраста ЖЕЛ варьирует в пределах 3,5—5,0 л и более. Для женщин типичны более низкие величины (3,0—4,0 л). В зависимости от методики измерения ЖЕЛ различают ЖЕЛ вдоха, когда после полного выдоха производится максимально глубокий вдох и ЖЕЛ выдоха, когда после полного вдоха производится максимальный выдох.

Емкость вдоха (Е вд) равна сумме дыхательного объема и резервного объема вдоха. У человека Е вд составляет в среднем 2,0-2.3 л.

Рисунок 5. Легочные объемы и емкости

Функциональная остаточная емкость (ФОЕ) — объем воздуха в легких после спокойного выдоха. ФОЕ является суммой резервного объема выдоха и остаточного объема. ФОЕ измеряется методами газовой дилюции, или «разведения газов» и плетизмографически. На величину ФОЕ существенно влияет уровень физической активности человека и положение тела: ФОЕ меньше в горизонтальном положении тела, чем в положении сидя или стоя. ФОЕ уменьшается при ожирении вследствие уменьшения общей растяжимости грудной клетки.

Общая емкость легких (ОЕЛ) — объем воздуха в легких по окончании полного вдоха. ОЕЛ рассчитывают двумя способами:

ОЕЛ = 00 + ЖЕЛ или ОЕЛ = ФОЕ + Евд. ОЕЛ может быть измерена с помощью плетизмографии или методом газовой дилюции.

Измерение легочных объемов и емкостей имеет клиническое значение при исследовании функции системы внешнего дыхания у здоровых людей и при диагностике заболевания легких.

МИНУТНЫЙ ОБЪЕМ ДЫХАНИЯ

Одной из основных характеристик внешнего дыхания является минутный объем дыхания (МОД).   Вентиляция легких определяется объемом воздуха вдыхаемого или выдыхаемого в единицу времени. МОД – это произведение дыхательного объема на частоту дыхательных циклов.  В норме, в покое ДО равен 500 мл, частота дыхательных циклов – 12 – 16 в минуту, отсюда МОД равен 6 - 7 л/мин.   Максимальная вентиляция легких – это объем воздуха, который проходит через легкие за 1 минуту во время максимальных по частоте и глубине дыхательных движений.

АЛЬВЕОЛЯРНАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ

Итак, внешнее дыхание, или вентиляция легких обеспечивает поступление в легкие примерно 500 мл воздуха во время каждого вдоха (ДО). Насыщение крови кислородом и удаление углекислого газа происходит при контакте крови легочных капилляров с воздухом, содержащимся в альвеолах. Альвеолярный воздух – это внутренняя газовая среда организма млекопитающих и человека. Ее параметры – содержание кислорода и углекислого газа – постоянны. Количество альвеолярного воздуха примерно соответствует функциональной остаточной емкости легких – количеству воздуха, которое остается в легких после спокойного выдоха, и в норме равно 2500 мл. Именно этот альвеолярный воздух обновляется поступающим по дыхательным путям атмосферным воздухом. Следует иметь в виду, что в легочном газообмене участвует не весь вдыхаемый воздух, а лишь та его часть, которая достигает альвеол. Поэтому для оценки эффективности легочного газообмена важна не столько легочная, сколько альвеолярная вентиляция.

Как известно, часть дыхательного объема не участвует в газообмене, заполняя анатомически мертвое пространство дыхательных путей – примерно 140 – 150 мл.

Кроме того, есть альвеолы, которые в данный момент вентилируются, но не снабжаются кровью. Эта часть альвеол является альвеолярным мертвым пространством. Сумма анатомического и альвеолярного мертвых пространств называется функциональным, или физиологическим мертвым  пространством. Примерно 1/3 дыхательного объема приходится на вентиляцию мертвого пространства, заполненного воздухом, который непосредственно не участвует в газообмене и лишь перемещается в просвете воздухоносных путей при вдохе и выдохе. Следовательно, вентиляция альвеолярных пространств – альвеолярная вентиляция – представляет собой легочную вентиляцию за вычетом вентиляции мертвого пространства. В норме альвеолярная вентиляция составляет 70 - 75 % величины МОД.

Расчет альвеолярной вентиляции проводится по формуле: МАВ = (ДО - МП) ´ ЧД, где МАВ - минутная альвеолярная вентиляция, ДО - дыхательный объем, МП - объем мертвого пространства, ЧД - частота дыхания.

Попробуем рассчитать альвеолярную вентиляцию, используя данные, приведенные на рисунке 6,  и приняв объем мертвого пространства за 150 мл.  МАВ =  (500 - 150) ´ 15 = 5250 мл/минуту.

Рисунок 6. Соотношение МОД и альвеолярной вентиляции

Используем эти данные для расчета еще одной величины, характеризующей альвеолярную вентиляцию - коэффициент вентиляции альвеол. Этот коэффициент показывает, какая часть альвеолярного воздуха обновляется при каждом вдохе. В альвеолах к концу спокойного выдоха находится около 2500 мл воздуха (ФОЕ), во время вдоха в альвеолы поступает 350 мл воздуха, следовательно, обновляется лишь 1/7 часть альвеолярного воздуха (2500/350 = 7/1).

Таблица 1

Основные показатели вентиляции легких

Частота дыхания (ЧД)

12 - 16/мин

Минутный объем дыхания (МОД) = ДО´ЧД

6000 - 9000 мл

Объем анатомического мертвого пространства (МП)

150 мл

Дыхательный альвеолярный объем (ДАО) = ДО - МП

350-360 мл

Коэффициент вентиляции альвеол

(КВА) = ДАО/ФОЕ

1/7

Минутная альвеолярная вентиляция

(МАВ) = (ДО-МП) ´ ЧД

3500 - 4500 мл/мин

Соотношение между вентиляцией  и перфузией легких.

Для газообмена в легких большое значение имеет соотношение между альвеолярной вентиляцией и кровотоком через малый круг кровообращения. Определенному минутному объему дыхания должен соответствовать определенный минутный объем кровотока, или перфузия капилляров альвеол – вентиляционно-перфузионное отношение, или коэффициент. Вернемся к рисунку 6,  рассчитаем этот коэффициент, исходя из того, что минутный объем кровотока в малом круге кровообращения (как и в большом) в норме равен 5000мл. Минутная альвеолярная вентиляция составляет 5200мл. При делении 5200 на 5000 получим вентиляционно-перфузионный коэффициент, который в норме не должен быть меньше 0.8 - 0.9.

В отдельных частях легких соотношение между вентиляцией и перфузией неравномерно, что зачастую влияет на локализацию патологического процесса в той или иной доле легкого.

Рисунок 7. Распределение кровотока в различных зонах легкого

Оказывается, 90% капиллярного кровотока легких приходится на зону 2 (рис. 7), остальные 10% распределяются между 1 и 3 зонами. В верхушках легких давление в легочных артериях ниже альвеолярного. При этом возможно спадение капилляров. В норме это случается редко, однако возможно в случае кровопотери или снижении артериального давления. В средней части давление в артериолах выше альвеолярного, а в нижних отделах даже венозное давление выше альвеолярного. Различное давление в сосудистом русле легких обусловлены силами гравитации и изменяется при изменении положения тела, в воде, в состоянии невесомости. Следует иметь в виду, что дыхательные колебания внутригрудного давления, действуя по принципу «двойного насоса», не только обеспечивают вентиляцию легких, но и стимулируют венозный возврат крови к сердцу.

ГАЗООБМЕН И ТРАНСПОРТ ГАЗОВ

Газовый состав альвеолярного воздуха

Газообмен – это процесс выравнивание парциальных давлений газов в двух средах. Этот процесс осуществляется исключительно пассивным путем, движущей силой является градиент парциальных давлений газов. В организме человека и млекопитающих газообмен протекает в легких и тканях. В легких – это процесс обогащения венозной крови кислородом и удаление углекислого газа, а в тканях процесс переноса кислорода из капиллярной крови в ткани и удаление углекислого газа из тканей в кровь.

Обогащение кислородом венозной крови происходит путем переноса кислорода из альвеолярного воздуха в кровь. Остановимся подробнее на этом понятии, поскольку альвеолярный воздух – это внутренняя газовая среда нашего организма.

Прежде всего, заметим, что правильнее называть альвеолярный воздух альвеолярным газом, потому, что его состав существенно отличается от состава атмосферного воздуха. При спокойном дыхании состав альвеолярного газа мало зависит от фаз вдоха и выдоха, это постоянство состава альвеолярного газа является необходимым условием протекания газообмена. Дело в том, что дыхание – циклический процесс, а кровоток в капиллярах легких – непрерывный. Во время дыхательного цикла наблюдаются короткие периоды остановки дыхания – апноэ (на высоте вдоха и в конце выдоха), при которых вентиляции не происходит, а обмен газами продолжается. Если бы в течение этих периодов ФОЕ не обеспечивала сохранение в альвеолах некоторого количества кислорода, насыщение артериальной крови кислородом снизилось. Воздух, заполняющий мертвое пространство, играет роль буфера, который сглаживает колебания состава альвеолярного газа в ходе дыхательного цикла.

Газообмен  это пассивный процесс, который протекает по градиенту давлений, попробуем установить величины этих градиентов. У здоровых людей парциальное давление углекислого газа в альвеолах практически совпадает с его напряжением в крови и составляет около 40 мм рт. ст. Парциальное давление кислорода в альвеолах равно в среднем 100 мм рт. ст.  Нормальной величиной вентиляции для отдельного человека является та, которая обеспечивает эти значения. Постоянство состава альвеолярного воздуха поддерживается рефлекторной регуляцией МОД.

Вспомним, что парциальное давление – часть общего давления, приходящееся на отдельный газ (если бы он занимал весь объем смеси). Парциальное давление газа в смеси можно рассчитать по формуле:

Р газа = Р смеси ´ С (%) / 100%, где С – процентное содержание газа.

Для воздуха: Р атм = 760 мм рт.ст.

С кислорода = 20,9 %

Р кислорода = 159 мм рт.ст.

При изменении атмосферного давления изменяется и парциальное давление газов.

Таблица 2

Газовый состав атмосферного, альвеолярного и выдыхаемого воздуха

(содержание в % и парциальное давление в мм рт.ст.)

Газовый состав

Атмосферный

Альвеолярный

Выдыхаемый

О_2

20,85 (159)

13,5 (104)

15,5 (120)

СО_2

0.03 (0,2)

5.3 (40)

3.7 (27)

N_2

78.62 (596)

74.9 (569)

74.6 (566)

Н_2О

0.5 (3.8)

6.3 (47)

6.2 (47)

Общий

100 (760)

100 (760)

100 (760)

Содержание и парциальное давление (напряжение)

кислорода и углекислого газа в различных средах

Среда

Кислород

Углекислый газ

%

мм рт. ст.

мл/л

%

мм рт. ст.

мл/л

Вдыхаемый воздух

20,93

159

209,3

0,03

0,2

0,3

Выдыхаемый воздух

16,0

121

160,0

4,5

34

45

Альвеолярный воздух

14,0

100

140,0

5,5

40

55

Артериальная кровь

-

100-96

200,0

-

40

560-540

Венозная кровь

-

40

140-160

-

46

580

Тканевая жидкость

-

10-15

-

-

60

-

Цитоплазма

-

0,1-1

-

-

70

-

Как видим, газовый состав альвеолярного воздуха существенно отличается от атмосферного (21% кислорода и 0.03% углекислого газа). В альвеолярном воздухе содержится 14 % кислорода и 5.5% углекислого газа.  Постоянство внутренней газовой среды организма на фоне перехода кислорода в кровь, а углекислого газа  в альвеолярный воздух поддерживается с помощью вентиляции легких, которая обеспечивает необходимое обновление альвеолярного воздуха и при выполнении физической работы, и при эмоциональном возбуждении, когда количество используемого кислорода многократно возрастает. Таким образом, с помощью внешнего дыхания решается очень сложная задача: обеспечить и постоянство внутренней газовой среды, и ее необходимое обновление для обеспечения тканей организма кислородом в соответствии с потребностью.

Диффузия газов через аэрогематический барьер

В организме газообмен кислорода и углекислого газа, а так же других газообразных продуктов происходит с помощью диффузии.

Диффузия газов через альвеолокапиллярную мембрану легких осуществляется в два этапа. На первом этапе диффузионный перенос газов происходит по концентрационному градиенту через тонкий аэрогематический барьер (его толщина равна около 1мкм). На втором этапе происходит связывание газов в крови легочных капилляров.

Диффузия газов осуществляется в соответствии с градиентом парциальных давлений газов и описывается законом Фика:

Q газа   = S ´ DK´ (P1-P2) /T

Где   Q газа - объем газа, проходящий через ткань в единицу времени, S- площадь ткани, DK- диффузионный коэффициент газа, P1-P2 - градиент парциального давления газа, Т - толщина барьера ткани.

Рисунок  8. Строение аэрогематического барьера

1-сурфактант, 2-эпителий альвеол, 3-интерстициальное пространство, 4-эндотелий капилляров ,5-плазма крови, 6-эритроцит

Как видно из приведенной формулы. Диффузия газа зависит от градиента давлений этого газа по обе стороны барьера, следовательно, нас интересуют парциальные давления кислорода и углекислого газа в альвеолярном воздухе и напряжения этих газов в венозной крови. Все эти цифры представлены в таблице 2. Отметим лишь, что в альвеолярном воздухе часть общего давления ( 47 мм рт.ст.) приходится на пары воды, значит давление «сухого» воздуха = 760 – 47 = 713 мм рт.ст. Альвеолярный воздух обогащен углекислым газом, кислорода в нем не 21, а 14%, следовательно парциальное давление кислорода в нем составит 14 % от 713 = 100 мм рт.ст. В венозной крови легочных капилляров напряжение кислорода = 40 мм рт.ст. Градиент давлений, обеспечивающий диффузию кислорода равен 100 – 40 = 60 мм рт.ст.

Что касается диффузии СО_2 из венозной крови в альвеолы, то даже сравнительно небольшого градиента РСО_2 (6-10мм.рт.ст.)  для этого оказывается вполне достаточно, поскольку растворимость углекислого газа в 20-25 раз больше, чем кислорода. Именно поэтому после прохождения венозной крови через легочные капилляры РСО_2 в ней оказывается почти равным альвеолярному (около 40 мм.рт. ст.).

Для кислорода Р1- Р2 = 60 мм рт.ст

Для углекислого газа  Р1- Р2 = 6 мм рт.ст

Ещё раз необходимо подчеркнуть, что  постоянная скорость диффузии, как кислорода, так и углекислого газа через аэрогематический барьер определяются достаточно стабильным составом  альвеолярного газа во время вдоха и выдоха.

Капилляры легких

Функции газообмена в легких и насыщение крови кислородом осуществляется с участием сосудов малого круга кровообращения. Стенки ветвей легочной артерии тоньше, чем стенки такого же калибра артерий большого круга кровообращения. Сосудистая система легких очень податлива и способна легко растягиваться. В систему легочной артерии поступает сравнительно большой объем крови (6 литров/мин) из правого желудочка, а давление в малом круге  низкое - 15-20 мм рт. ст., потому, что сосудистое сопротивление примерно в 10 раз меньше, чем в сосудах большого круга кровообращения. Сеть альвеолярных капилляров не сравнима с    организацией капиллярного русла других органов. Отличительными чертами капиллярного русла легких являются 1) малая величина капиллярных сегментов, 2) их обильная взаимосвязь, что формирует петлистую сеть, 3) высокая плотность отдельных капиллярных сегментов на единицу площади альвеолярной поверхности, 4) низкая скорость кровотока. Капиллярная сеть в стенках альвеол настолько плотная, что некоторые физиологи рассматривают ее как сплошной слой движущейся крови. Площадь поверхности капиллярной сети близка площади поверхности альвеол (80 м^2), в ней содержится около 200 мл крови. Диаметр альвеолярных кровеносных капилляров колеблется в пределах 8.3 - 9.9 мкм, а диаметр эритроцитов - 7.4 мкм. Таким образом, эритроциты плотно прилегают к стенкам капилляров. Эти особенности кровоснабжения легких создают условия для быстрого и эффективного газообмена, в результате которого происходит уравновешивание газового состава альвеолярного воздуха и артериальной крови. Взгляните еще раз на таблицу 2 и отметьте, что напряжение кислорода в артериальной крови становится равным 100, а углекислого газа – 40 мм рт. ст.

Транспорт кислорода кровью

Большая часть кислорода в организме млекопитающих переносится кровью в виде химического соединения с гемоглобином. Свободно растворенного кислорода в крови всего 0.3%. Реакцию оксигенации, превращение дезоксигемоглобина в оксигемоглобин, протекающую в эритроцитах капилляров легких можно записать следующим образом:

Нв + 4О_2       ⇄           Нв(О_2)4

Эта реакция протекает очень быстро – время полунасыщения гемоглобина кислородом около 3 миллисекунд. Гемоглобин обладает двумя удивительными свойствами, которые позволяют ему быть идеальным переносчиком кислорода. Первое – это способность присоединять кислород, а второе – отдавать его. Оказывается способность гемоглобина присоединять и отдавать кислород зависит от напряжения кислорода в крови. Попробуем изобразить графически зависимость количества оксигенированного гемоглобина от напряжения кислорода в крови, и тогда нам удастся выяснить: в каких случаях гемоглобин присоединяет кислород, а в каких отдает. Гемоглобин и оксигемоглобин неодинаково поглощают световые лучи, поэтому их концентрацию  можно определить спектрометрическими методами.

График, отражающий способность гемоглобина присоединять и отдавать кислород называется «Кривая диссоциации оксигемоглобина». По оси абсцисс на этом графике отложено количество оксигемоглобина в процентах ко всему гемоглобину крови, по оси ординат – напряжение кислорода в крови в мм рт. ст.

Рисунок  9А.  Кривая диссоциации оксигемоглобина в норме

Рассмотрим график в соответствии с этапами транспорта кислорода: самая высокая точка соответствует тому напряжению кислорода, которое наблюдается в крови легочных капилляров – 100 мм рт.ст. (столько же, сколько и в альвеолярном воздухе). Из графика видно, что при таком напряжении весь гемоглобин переходит в форму оксигемоглобина – насыщается кислородом полностью. Попробуем рассчитать, сколько кислорода связывает гемоглобин. Один моль гемоглобина может связать 4 моля О_2, а 1грамм Нв связывает 1,39 мл О_2 в идеале, а на практике 1,34 мл. При концентрации гемоглобина в крови, например, 140 г/литр количество связанного кислорода составит 140 × 1,34 = 189,6 мл/литр крови. Количество кислорода, которое может связать гемоглобин при условии его полного насыщения, называется кислородной емкостью крови (КЕК).  В нашем случае КЕК = 189,6 мл.

Обратим внимание на важную особенность гемоглобина – при снижении напряжения кислорода в крови до 60 мм рт.ст, насыщение практически не изменяется – почти весь гемоглобин присутствует в виде оксигемоглобина. Эта особенность позволяет связывать максимально возможное количество кислорода при снижении его содержания в окружающей среде (например, на высоте до 3000 метров).

Кривая диссоциации имеет S – образный характер, что связано с особенностями взаимодействия кислорода с гемоглобином. Молекула гемоглобина связывает поэтапно 4 молекулы кислорода. Связывание первой молекулы резко увеличивает связывающую способность, так же действуют и вторая, и третья молекулы. Этот эффект называется кооперативное действие кислорода

Артериальная кровь поступает в большой круг кровообращения и доставляется к тканям. Напряжение кислорода в  тканях, как видно из таблицы 2, колеблется от 0 до 20 мм рт. ст., незначительное количество физически растворенного кислорода диффундирует в ткани, его напряжение в крови снижается. Снижение напряжения кислорода сопровождается  диссоциацией оксигемоглобина и освобождением кислорода. Освободившийся из соединения кислород переходит в физически растворенную форму и может диффундировать в ткани по градиенту напряжения.. На венозном конце капилляра напряжение кислорода равно 40 мм.рт.ст, что соответствует примерно 73% насыщения гемоглобина. Крутая часть кривой диссоциации соответствует напряжению кислорода обычному для тканей организма – 35 мм рт.ст и ниже.

Таким образом, кривая диссоциации гемоглобина отражает способность гемоглобина присоединять кислород, если напряжение кислорода в крови высоко, и отдавать его при снижении напряжения кислорода.

Переход кислорода в ткани осуществляется путем диффузии, и описывается законом Фика, следовательно зависит от градиента напряжений кислорода.

Можно узнать, сколько кислорода извлекается тканью.   Для этого нужно определить количество кислорода в артериальной крови и в венозной крови, оттекающей от определенной области. В артериальной крови, как нам удалось вычислить (КЕК) содержится 180-200 мл. кислорода. Венозная кровь в состоянии покоя содержит около 120 мл. кислорода. Попробуем рассчитать коэффициент утилизации кислорода: 180 мл. - 120 мл. = 60 мл.- это количество извлеченного тканями кислорода, 60мл./180 ´ 100 =  33%. Следовательно, коэффициент утилизации кислорода равен 33% (в норме от 25 до 40%). Как видно из этих данных, не весь кислород утилизируется тканями. В норме в течение одной минуты к тканям доставляется около 1000 мл. кислорода. Если учесть коэффициент утилизации, становится ясно, что ткани извлекают от 250 до 400 мл. кислорода в минуту, остальной кислород возвращается к сердцу в составе венозной крови. При тяжелой мышечной работе коэффициент утилизации повышается до 50 – 60 %.

Однако количество кислорода, которое получают ткани, зависит не только от коэффициента утилизации. При изменении условий во внутренней среде и тех тканях, где осуществляется диффузия кислорода, свойства гемоглобина могут измениться. Изменение свойств гемоглобина отражается на графике и называется «сдвиг кривой».  Отметим важную точку на кривой – точка полунасыщения гемоглобина кислородом  наблюдается при напряжении кислорода 27 мм рт. ст., при таком напряжении 50 % гемоглобина находится в форме оксигемоглобина, 50% в виде дезоксигемоглобина, следовательно  50 %  связанного кислорода – свободно (примерно 100мл/л). Если в ткани увеличивается концентрация углекислого газа, ионов водорода, температура, то кривая сдвигается вправо. В этом случае точка полунасыщения переместится к более высоким значениям напряжения кислорода -  уже при напряжении 40 мм рт. ст. будет освобождено 50 % кислорода (рисунок 9Б). Интенсивно работающей ткани гемоглобин отдаст кислород легче. Изменение свойств гемоглобина обусловлены следующими причинами: закисление среды в результате увеличения концентрации углекислого газа действует двумя путями 1) увеличение концентрации ионов водорода способствует отдаче кислорода оксигемоглобином потому, что ионы водорода легче связываются с дезоксигемоглобином, 2) прямое связывание углекислого газа с белковой частью молекулы гемоглобина уменьшает ее сродство к кислороду;  увеличение концентрации 2,3-дифосфоглицерата, который появляется в процессе анаэробного гликолиза и тоже встраивается в белковую часть молекулы гемоглобина и снижает его сродство к кислороду.

Сдвиг кривой влево наблюдается, например, у плода, когда в крови определяется большое количество фетального гемоглобина.

Рисунок 9 Б. Влияние изменения параметров внутренней среды

на кривую диссоциации оксигемоглобина

1- при низком содержании СО_2 , увеличении рН, снижении температуры, снижении концентрации 2-3 ДФГ

2- норма,

3- при высоком содержании СО2 , низком рН, высокой температуре, высокой концентрации 2-3 ДФГ

Транспорт углекислого газа

Перенос СО_2  из клеток тканей в кровь тоже происходит путем диффузии, т.е. в силу разности напряжений СО_2 по обе стороны гемато-паренхиматозного барьера, поскольку среднее значение СО_2  в артериальной крови  составляет около 40 мм.рт.ст., в то время как в клетках эта величина достигает  60 мм.рт.ст. Локально парциальное давление углекислого газа, а следовательно и скорость его диффузии, определяются в значительной мере скоростью продукции СО_2 в клетках (т.е. интенсивностью окислительных процессов в том или ином органе).

Рисунок 10. Транспорт углекислого газа кровью

КА – карбоангидраза эритроцитов

Поступающий в плазму из тканей углекислый газ диффундирует в эритроциты, где под действием  фермента карбоангидразы превращается в угольную кислоту (рис. 10, 11). В плазме этого фермента нет, а в эритроцитах он увеличивает скорость реакции в 20000 раз. Так как при этом происходит освобождение кислорода из оксигемоглобина и образуется гемоглобин, который является более слабой кислотой, чем оксигемоглобин, угольная кислота вытесняет из гемоглобина калий и образуется бикарбонат калия.  Избыток бикарбонатного аниона проникает в плазму, соединяется с натрием и образует бикарбонат натрия. Ионное равновесие поддерживается поступлением в эритроцит анионов хлора. В этом процессе важная роль принадлежит мембране эритроцита, обладающей очень слабой проницаемостью для катионов и высокой проницаемостью для анионов.

При прохождении крови через легочные капилляры происходит обратный процесс и двуокись углерода выделяется из крови в полость альвеол – рядом с бикарбонатом калия эритроцитов появляется более сильная, чем угольная, кислота: оксигемоглобин.

Рисунок 11 Транспортные формы углекислого газа

Часть углекислого газа соединяется в эритроцитах с дезоксигемоглобином через аминогруппы, образуя кардаминовые соединения. Реакция протекает следующим образом:

HbNH_2+ CO_2ó HbNHCOOH óHbNHCOO- + H+

Основные транспортные формы углекислого газа:

1.     в виде бикарбонатов калия и натрия в эритроцитах и плазме 80 – 90 %

2.     в виде карбаминовых соединений гемоглобина – 5 – 15 %

3.     в физически растворенном виде – 5 – 10 %

Таким образом, рассматривая все звенья газотранспортной цепи в комплексе (рисунки 12 А и Б) можно увидеть, что парциальные давления (напряжения) дыхательных газов образуют своего рода каскады, по которых поток кислорода движется из атмосферы к тканям, а поток СО_2 – в обратном направлении. На пути этих каскадов чередуются механизмы конвективного и диффузионного переноса, дополняя друг друга.

Рисунок 12А Этапы транспорта кислорода и углекислого газа

Рисунок 12Б.

Стадии газопереноса

Регуляция дыхания

Переходя к обсуждению механизмов регуляции дыхания, необходимо  вспомнить о том, что доставка кислорода из атмосферного воздуха к клеткам осуществляется несколькими взаимосвязанными, но относительно самостоятельными процессами. Перечислим эти процессы в соответствии с этапами доставки кислорода клеткам.

Таблица 3

Основные механизмы регуляции дыхания

Этап

Значение

Регулируемые параметры

Внешнее дыхание, обусловленное вентиляцией легких

Обеспечение поступления атмосферного воздуха в легкие.

Обеспечение постоянства газовой среды организма - альвеолярного воздуха. В результате создается тот градиент давлений, который обеспечивает диффузию газов

Минутный объем дыхания (МОД), в который включены:

Частота дыхательных движений

Глубина дыхания (дыхательный объем)

Диффузия газов через аэрогематический барьер

Поступление кислорода в кровь и выделение углекислого газа в альвеолярный воздух.

Парциальное давление газов в альвеолярном воздухе, напряжение газов в крови, площадь поверхности легких, скорость тока крови, которая зависит от минутного объема крови и радиуса сосудов, адекватность вентиляционно - перфузионных отношений (изменение просвета легочных сосудов и бронхиол).

Транспорт газов кровью

Перенос кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким.

Количество крови, кислородная емкость крови, которая зависит от количества эритроцитов, концентрации гемоглобина и его способности насыщаться кислородом, скорость тока крови, которая зависит от минутного объема крови и радиуса сосудов,

Диффузия газов в ткани

Поступление кислорода в ткани и выделение углекислого газа в кровь

Напряжение газов в клетках и крови, число открытых капилляров способность гемоглобина отдавать кислород

Тканевое дыхание

Использование кислорода для процессов окисления и превращения в энергию макроэргических соединений.

Активность окислительных ферментов, число митохондрий.

Интенсивность тканевого дыхания изменяется в широких пределах в соответствии с деятельностью органов и тканей, следовательно, изменяется и потребность в снабжении кислородом, и количество выделяемого углекислого газа. Адекватное снабжение клеток кислородом и удаление углекислого газа из организма осуществляется координированной деятельностью всех перечисленных систем,  изменения происходят на всех этапах транспорта газов, приспосабливая темп окислительных процессов к меняющимся условиям внешней среды.   Некоторые изменения происходят очень быстро, например способность гемоглобина присоединять или отдавать кислород в соответствии с его напряжением в крови, активность окислительных ферментов, быстро происходит рефлекторное изменение минутного объема дыхания, деятельности сердца, тонуса сосудов - эти изменения происходят в течение секунд. Больше времени требуется для изменения, например,  количества эритроцитов в крови за счет выброса их из депо, объема циркулирующей крови. Еще более длительно протекают процессы структурной перестройки, требующие синтеза белка, такие как эритропоэз синтез гемоглобина, увеличение числа митохондрий в клетках. Таким образом, регуляция дыхания осуществляется на нескольких уровнях, которые включаются не одновременно, и вносят не одинаковый вклад в конечный результат, однако нарушение любого из этих процессов может лежать в основе патологических процессов дыхательной системы.

Учитывая то, что вклад отдельных компонентов системы в процесс доставки кислорода тканям неодинаков, попытаемся выделить главный механизм. Диффузия газов в ткани и из тканей осуществляется пассивно, в соответствии с градиентом напряжения газов между капиллярами и тканевой жидкостью, следовательно, зависит от интенсивности метаболизма в тканях, объемной и линейной скорости тока крови, концентрации гемоглобина, кислотно-щелочного равновесия. Однако, как бы ни были значимы эти параметры, если кровь не будет достаточно насыщена кислородом, или будет содержать избыток углекислоты, диффузия окажется невозможной.  Следовательно, для нормального протекания тканевого обмена особенно важны содержание О_2 и СО_2 в артериальной крови. Известно, что при протекании крови через капилляры легких между плазмой и альвеолярным воздухом устанавливается  почти полное газовое равновесие, поэтому  состав альвеолярного воздуха  определяет содержание О_2 и СО_2 в артериальной крови. Оптимальное содержание газов в альвеолярном воздухе поддерживается изменением объема легочной вентиляции в соответствии с ситуацией в организме в определенный момент. Таким образом, на внешнее дыхание ложится задача обеспечить оптимальные величины О_2 и СО_2в крови при любом уровне тканевого метаболизма.

Регуляция внешнего дыхания

Вентиляция легких - это процесс обновления газового состава альвеолярного воздуха, который обеспечивает поступление кислорода и выведение углекислого газа. Этот процесс осуществляется ритмичной работой дыхательных мышц, изменяющих объем грудной клетки. Интенсивность вентиляции определяется глубиной вдоха и частотой дыхания. Таким образом, минутный объем дыхания - это показатель легочной вентиляции, который должен обеспечивать тот газовый гомеостаз, который необходим в конкретной ситуации (покой, физическая работа). Регуляция внешнего дыхания представляет собой процесс изменения минутного объема дыхания в различных условиях для обеспечения оптимального газового состава внутренней среды организма.

Во второй половине ХIX века появилась гипотеза о том, что основными факторами регуляции дыхания являются парциальное давление кислорода и углекислого газа в альвеолярном воздухе и, следовательно в артериальной крови. Экспериментальное доказательство того, что обогащение артериальной крови углекислотой и обеднение кислородом усиливает вентиляцию легких в результате наступающего при этом возбуждения дыхательного центра, было получено в классическом опыте Фредерика с перекрестным кровообращением в 1890г (рисунок 13). У двух собак, находившихся под наркозом, перерезали и соединяли перекрестно сонные артерии и отдельно яремные вены.  После такого соединения и перевязки позвоночных артерий голова первой собаки снабжалась кровью  второй и наоборот. Если у первой собаки перекрывали трахею и вызывали таким путем асфиксию, то у второй собаки развивалось гиперпноэ - увеличение легочной вентиляции. У первой же собаки, несмотря на увеличение в крови напряжения углекислоты и снижение напряжения кислорода через некоторое время наступало апноэ - прекращение дыхательных движений. Это объясняется тем, что в сонную артерию первой собаки поступает кровь второй собаки, у которой в результате гипервентиляции снижается содержание углекислоты в артериальной крови.  Уже тогда было установлено, что регуляция дыхания происходит путем обратной связи: отклонения в газовом составе артериальной крови приводят путем воздействия на дыхательный центр такие изменения дыхания, которые уменьшают эти отклонения.

Рисунок  13.    Схема опыта Фредерика с перекрестным кровообращением

Пережатие трахеи у собаки А вызывает одышку у собаки Б. Одышка у собаки Б вызывает замедление и остановку дыхания у собаки А

Дальнейшее развитие «гуморальной» теории дыхания (теории управления по отклонению напряжения газов в крови) связано с именем Холдейна. Он разработал методы получения и анализа альвеолярного воздуха у человека и установил, что парциальные давления газов в альвеолярном воздухе обычно колеблются в очень узких пределах. Холдейн пришел к выводу, что основным фактором регуляции дыхания является напряжение углекислоты в артериальной крови. Работы Холдейна получили широкое признание, а его главный вывод о том, что повышение напряжения углекислоты в артериальной крови приводит к большому увеличению МОД, остался справедливым вплоть до настоящего времени. Важная роль углекислоты в регуляции дыхания может быть проиллюстрирована тем, что увеличение содержания СО_2 в альвеолах на 0,2 %  вызывает увеличение вентиляции легких на 100 %.

Еще в начале ХIX века было показано, что в продолговатом мозге на дне IV желудочка расположены структуры, разрушение которых уколом иглы ведет к прекращению дыхания и гибели организма. Этот небольшой участок мозга в нижнем углу ромбовидной ямки был назван дыхательным центром.

Многочисленными исследованиями удалось установить, что изменения газового состава внутренней среды оказывают влияние на дыхательный центр не непосредственно, а  путем воздействия на специальные хемочувствительные  рецепторы, расположенные в продолговатом мозге - центральные (медуллярные) хеморецепторы и в сосудистых рефлексогенных зонах - периферические (артериальные) хеморецепторы.

Хотя основной целью дыхания является доставка клеткам кислорода, вентиляция легких управляется преимущественно в соответствии с продукцией в организме двуокиси углерода, т.е. поддерживает в основном не кислородный, а углекислотный (или, что почти одинаково, водородный) гомеостаз. Такие принципы сформировались в ходе заселения высшими позвоночными суши и перехода от водного дыхания к воздушному. Вспомним, что у рыб важнейшим фактором, регулирующим дыхательные движения, служит напряжение кислорода в артериальной крови. Напряжение углекислоты играет второстепенную роль, поскольку СО_2 легко отдается в водную среду. Вентиляция жабр служит для извлечения кислорода. Сигналы о содержании кислорода в воде поступают в дыхательный центр рыб из хеморецепторов жаберных сосудов - предшественников артериальных хеморецепторов воздушно-дышащих позвоночных. Переход животных к сухопутному образу жизни сопровождался с резким ограничением отдачи СО_2 через кожный покров - она стала выводиться почти исключительно легкими. И если напряжение кислорода в крови млекопитающих почти не изменилось по сравнению с рыбами, то напряжение СО_2 возросло почти в 12 раз, такое повышение обусловлено и затруднением выделения, и повышением интенсивности метаболических процессов в тканях. Все это потребовало развития мощных средств, обеспечивающих сохранение кислотно-основного гомеостаза внутренней среды организма. С другой стороны, требования к поддержанию гомеостаза в процессе эволюции стали более жесткими. Особое значение имеет прогрессивное развитие мозга, потому что нейроны отличаются высокой чувствительностью к химизму внеклеточной жидкости, в частности, к ее рН.

В результате в ходе эволюции появились коренные изменения в регуляции дыхания. Гипоксический стимул уступил доминирующую роль гиперкапническому (это, безусловно, не изменило конечной цели функции дыхания: продукция СО_2 вполне может служить показателем кислородного запроса ткани).

В этом легко убедиться, глядя на рисунок  14. На этом рисунке представлены изменения вентиляции легких (МОД в л/мин) в ответ на увеличение напряжения углекислого газа в крови – гиперкапнический стимул и в ответ на уменьшение напряжения кислорода в крови – гипоксический стимул.

В связи с этим, основная функция в стимуляции дыхательного центра перешла от периферических хеморецепторов к центральным. Речь идет прежде всего о бульбарных хемочувствительных структурах, реагирующих на изменение концентрации ионов водорода и напряжения СО_2 во внеклеточной жидкости мозга. За периферическими, артериальными хеморецепторами, которые возбуждаются и при повышении напряжения СО_2, и при снижении напряжения кислорода в омывающей их крови, осталась лишь вспомогательная роль в стимуляции дыхания.

Поэтому рассмотрим сначала центральные хеморецепторы, которые оказывают более выраженное влияние на деятельность дыхательного центра.

Рисунок 14   Зависимость вентиляции легких

от напряжения газов в крови.

Изменение минутного объема дыхания в ответ на гиперкапнический (слева) и гипоксический (справа) стимулы. Видно, что МОД в большей степени увеличивается в ответ на повышение напряжения углекислоты в крови.

Центральные хеморецепторы

Центральные хеморецепторы обнаружены в продолговатом мозге на вентромедиальной поверхности на глубине не более 0.2 мм. В этой области расположены два рецептивных поля (рисунок 15), обозначаемые буквами  M и  L, между ними обнаружено небольшое поле S. Поле S не чувствительно к химизму среды, но его разрушение приводит к исчезновению эффектов возбуждения полей M и  L, Этой промежуточной зоне принадлежит  важная роль в передаче информации от полей M и  L непосредственно дыхательным вентральным и дорзальным ядрам, и передаче информации ядрам другой стороны продолговатого мозга.

В этой же области  проходят аферентные пути от периферических хеморецепторов. В вентролатеральных отделах, в районе хеморецептивных полей расположены структуры, оказывающие существенное влияние на тонус вегетативной нервной системы. Вероятно, эта зона имеет отношение к интеграции ритма дыхания и легочной вентиляции с системой кровообращения. В частности в зонах  S и М есть нейроны, которые имеют связи с грудными сегментами спинного мозга, их раздражение приводит к повышению сосудистого тонуса. Часть нейронов этой области активируется при раздражении аортального и синокаротидного нервов (информация от периферических хемо- и барорецепторов каротидного синуса и дуги аорты), часть нейронов отвечают на раздражение ядер гипоталамуса (информация об осмотической концентрации внутренней среды, температуре). Таким образом, структуры S и М полей интегрируют афферентные сигналы от расположенных выше нейронных образований и передают тонизирующие влияния вазоконстрикторным нейронам спинного мозга. Каудальный отдел, поле L демонстрирует при его электрическом раздражении противоположные эффекты. Вместе с тем существует четкая нейронная обособленность между нейронами, регулирующими  функции кровообращения и нейронами, связанными с дыхательным центром.

Рисунок 15.    Расположение хеморецепторов на вентральной поверхности продолговатого мозга

M, L, S  поля, участвующие в хеморецепции.

Р – мост,

П – пирамида,

V и XII – черепномозговые нервы,

С1 первый спинномозговой корешок

В настоящее время совершенно точно установлено, что центральные хеморецептивные нейроны возбуждаются только при действии на них ионов водорода. Каким же образом повышение напряжения СО_2 приводит к возбуждению этих структур? Оказывается хемочувствительные нейроны расположены во внеклеточной жидкости и воспринимают изменения рН, вызванные динамикой СО_2 в крови.

Вентролатеральные отделы продолговатого мозга представлены нервными клетками, астроцитарной глией, развитой мягкой мозговой оболочкой и окружены тремя средами мозга: кровью, ликвором и внеклеточной жидкостью (рисунок 16). Среди нейронов выявляются крупные мультиполярные клетки и мелкие, округлые. Оба типа нейронов образуют небольшое ядро, которое контактирует с прилежащими ядрами ретикулярной формации. Крупные мультиполярные нейроны имеют периваскулярную локализацию и их отростки располагаются вблизи стенок микрососудов. В механизме хеморецепции в настоящее время остается много непонятного. Перечислим факты, которые установлены и помогают объяснить этот механизм

Мультиполярные нейроны всегда увеличивают свою метаболическую и электрическую активности при гиперкапнии и при локальном повышении концентрации ионов водорода во внеклеточной жидкости, омывающей эти нейроны.

Между напряжением СО_2 в альвеолярном воздухе и в артериальной крови, с одной стороны, и рН внеклеточной жидкости мозга с другой стороны существует линейная зависимость.

И гиперкапния, и локальное повышение рН внеклеточной жидкости всегда сопровождаются дыхательной реакцией  - увеличение глубины и частоты дыхания.

Между ликвором и кровью существует незначительная, но устойчивая разность потенциалов.

Снижение рН приводит к изменению этой разности потенциалов.

Существует градиент концентрации по ионам водорода между кровью и внеклеточной жидкостью - во внеклеточной жидкости ионов водорода больше. Градиент поддерживается активным переносом протонов из крови во внеклеточную жидкость.

На границе между кровью и внеклеточной жидкостью высока активность фермента карбоангидразы.

Эндотелий сосудов, граничащий с внеклеточной жидкостью в области хеморецептивных полей не проницаем для ионов Н+ и НСО_3-  но хорошо проницаем для СО_2 .

Приблизительно схему событий можно представить следующим образом: 1) повышение концентрации СО_2 в крови и его свободная диффузия через зону с высокой карбоангидразной активностью 2) СО_2  соединяется с Н_2О под влиянием карбоангидразы, затем диссоциирует с освобождением Н+. 3) накопление во внеклеточной жидкости ионов водорода  приводит к повышению активности мультиполярных нейронов.

Одновременно происходит уменьшение разности потенциалов между кровью и ликвором. Эти события служат мощным афферентным стимулом для дыхательного центра. Следует обратить внимание на высокую чувствительность всех структур к изменению рН - изменение потенциала и дыхательная реакция отмечаются при снижении рН крови на 0.01 единицу.  Высока и надежность этих структур - мультиполярные нейроны способны изменять свою активность в диапазоне рН от 7 до 7,8 , такие изменение в норме невозможны.

Рисунок 16    Локализация мультиполярных нейронов (хемосенсоров) относительно внутренних сред мозга: крови, внеклеточной жидкости мозга и ликвора.

Н1 – крупный мультиполярный нейрон, Н2 мелкий мультиполярный нейрон,

Итак, важнейшим физиологическим свойством центрального хеморецептивного механизма является изменение активности нейронов в прямой зависимости от концентрации ионов водорода во внеклеточной жидкости мозга. Основная задача этого механизма - информировать дыхательный центр об отклонения рН, а следовательно, и концентрации СО_2 в крови. Обратите внимание на то, что саморегулирование в этом случае будет осуществляться по принципу отклонения от физиологической нормы.

Артериальные хеморецепторы

Периферические или артериальные хеморецепторы расположены в известной рефлексогенной зоне – дуге аорты и каротидном синусе (рисунки 17А и Б), и представлены каротидными и аортальными телами. Здесь же локализованы и барорецепторы, принимающие участие в регуляции артериального  давления.

Рисунок 17 А. Периферические хеморецепторы

в сосудистой рефлексогенной зоне

Из двух хеморецептивных зон артериального русла - аортальной и синокаротидной - в регуляции дыхания существенную роль играет синокаротидная зона. Эта роль значительно скромнее по сравнению с ролью бульбарных структур - у человека двустороннее удаление каротидных тел не вызывает заметных изменений дыхания в состоянии покоя. Каротидные тела расположены в месте деления общей сонной артерии на внутреннюю и наружную.

Тело представляет собой образование, заключенное в соединительнотканную капсулу, чрезвычайно богато кровоснабжается и иннервируется как афферентными, так и эфферентными нервами. Кровоток через каротидное тело очень велик - до 2л/мин/г, а потребление кислорода в 3 - 4 раза больше, чем мозгом.

Рисунок 17   Синокаротидная (а)  и аортальная (б) рефлексогенные зоны

IX  и X – языкоглоточный и блуждающий нервы, 1 – верхний шейный симпатический ганглий, 2 – синусный нерв,  3 – каротидное тело, 4 – общая сонная артерия, 5 -  затылочная артерия, 6 – звездчатый ганглий, 7 – аортальный нерв, 8 – аортальные тела, 9 – дуга аорты

Схема строения и иннервации каротидного тела представлена на рисунке 18.

Рисунок 18. Схема строения каротидного тела

1.     Клетки I  типа

2.     Клетки  II  типа

3.     Синусный нерв

4.     Афферентные волокна синусного нерва

5.     Эфферентное волокно синусного нерва

6.     Симпатическое волокно

7.     Кровеносный сосуд

В ткани каротидного тела  различают два типа клеток. I  тип - главные клетки, крупные клетки, имеющие эпителиальное происхождение. В клетках этого типа содержатся гранулы, которые исчезают при острой гипоксии. Непосредственно с ними контактируют окончания афферентной ветви языкоглоточного нерва (нерв Геринга, синусный нерв). Именно этим клеткам принадлежит основная роль в хемочувствительности - разрушение этих клеток прекращает хеморецептивную активность каротидного тела. Мелкие клетки II  типа гомологичны глиальным клеткам и напоминают Шванновские. Своими отростками они оплетают главные клетки.

Адекватными стимуляторами хеморецепторов каротидного тела служат следующие сдвиги в составе омывающей их артериальной крови: 1) снижение напряжения кислорода, 2) увеличение напряжения СО_2, 3) увеличение концентрации водородных ионов.

Главным стимулятором активности каротидного центра является гипоксия. Даже умеренная гипоксия сопровождается более выраженным увеличением частоты  импульсов синусного нерва, чем сильная гиперкапния.

Каким же образом рецепторы воспринимают информацию о снижении напряжения кислорода в крови? Цитоплазма клеток I  типа содержит гранулы, в которых накапливается дофамин.  Оценка уровня кислорода осуществляется специальными рецепторами, которые расположены на мембране клеток I типа. На основании экспериментальных данных предложена гипотетическая схема работы этих рецепторов, представленная на рисунке 19.

Рисунок 19. Кислородный сенсор каротидного тела

Взаимодействие кислородного сенсора  с кислородом приводит к активации калиевых каналов. В таком состоянии клетка находится практически постоянно, а ток калия из цитоплазмы поддерживает потенциал клетки на уровне мембранного потенциала покоя. Снижение напряжения кислорода в крови приводит к освобождению кислородного сенсора, калиевые каналы закрываются, мембранный потенциал уменьшается и достигает критического уровня деполяризации, в клетках I типа возникает потенциал действия. Возникновение ПД приводит к тому, что в клетках открываются кальциевые каналы и выделяется дофамин.

Артериальные хеморецепторы возбуждаются и при повышении напряжения углекислого газа в артериальной крови. Гиперкапническая стимуляция артериальных хеморецепторов, так же как и центральных, осуществляется прямым влиянием ионов Н+ при снижении рН крови. Воздействие водородных ионов в клетках каротидного тела обусловлено сдвигом метаболизма за счет работы редокс-систем. Таким образом, и гипоксия, и гиперкапния различными путями приводят к изменению метаболических процессов в клетках, а стимуляторами каротидных хеморецепторов служат продукты измененного обмена.  Существенная и важная разница заключается в том, что реакция на снижение напряжения кислорода наступает значительно быстрее.

Возникающий импульс возбуждения проводится по аффрентным волокнам синусного нерва и достигает дорзальной группы дыхательных нейронов продолговатого мозга.  Возбуждение нейронов повышает инспираторную активность. Особенно увеличивается частота импульсации в диапазоне напряжения кислорода от 80 до 20 мм рт.ст.

Хеморецепторы каротидного синуса находятся под нервным контролем: повышение активности симпатической нервной системы и выделение норадреналина повышает их чувствительность, а парасимпатические импульсы и ацетилхолин – снижают.

Аортальные тела сходны по строению с каротидными телами, не отличаются  и важнейшие функции этих образований, прежде всего как кислородных сенсоров. Расположенные в аортальной зоне хеморецепторы  принимают незначительное участие в регуляции дыхания, их основная роль проявляется в регуляции деятельности сердца и тонуса сосудов.

Периферические хеморецепторы дополняют деятельность центральных. Взаимодействие центральных и периферических структур особенно важно в условиях дефицита кислорода. Дело в том, что центральные хеморецепторы  очень чувствительны к недостатку кислорода. Клетки при гипоксии могут совсем потерять свою чувствительность, при этом снижается активность дыхательных нейронов. В этих условиях дыхательный центр получает основную возбуждающую стимуляцию от периферических хеморецепторов, для которых основным стимулом является именно дефицит кислорода. Таким образом, артериальные хеморецепторы служат «аварийным» механизмом стимуляции дыхательного центра в условиях снижения снабжения мозга кислородом.

Непременным условием эффективности легочного газообмена служит поддержание оптимальных вентиляционно-перфузионных отношений. Такое оптимальное соотношение обеспечивается сопряженной регуляцией систем дыхания и кровообращения. Проявлением такого сопряжения служит одновременное 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 емкости. Таким образом, информация от механорецепторов поступает в дыхательный центр на протяжении всего дыхательного цикла, этому способствует 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.

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 скорости 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. Возбуждение рецепторов растяжения легких вызывает рефлекторное торможение вдоха и переход к выдоху. Этот рефлекс называется инспираторно-тормозящим 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 корней 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 действии 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 ткани альвеол расположены J-рецепторы - юкстакапиллярные рецепторы легких. 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

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. Дыхательный 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 названы 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 активирующей 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.  Дыхательные 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, вентральное 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.

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 пневмотаксического 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, происходящие 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 дыхательный цикл состоит не из двух, а из трех фаз.

Первая фаза дыхательного цикла - инспирация. В эту фазу возникает возбуждение 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 конце инспирации силы растяжения легких настолько велики, что им требуется противодействие (в противном случае выдох будет слишком быстрым). Инспираторные 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 инспирации, длительность экспирации. Совокупность параметров, характеризующих объемно - временные отношения дыхательного цикла принято называть паттерном дыхания (от слова pattern - образец, модель).

Таблица 4

Фазы дыхательного цикла

Фазы дыхательного цикла

Состояние дыхательных мышц

Возникновение инспирации и ее усиление

Сокращение диафрагмы и межреберных мышц

Постинспираторная активность - первая фаза экспирации

Сокращение инспираторных мышц небольшой интенсивности

Экспирация - вторая фаза экспирации

Расслабление инспираторных мышц при спокойном дыхании

Расслабление инспираторных мышц и сокращение экспираторных при форсированном дыхании

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 образом, 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 растяжения легких (нейроны Иb), и нейроны, активность которых снижается в этой ситуации (нейроны Иa).

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 Иa.

Полные инспираторные нейроныс медленно нарастающей импульсацией, частота импульсации медленно нарастает в фазе инспирации (ПН-И). Эти нейроны активируются от рецепторов растяжения легких (Иb) 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 экспираторные (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.

Экспираторные нейроны с нарастающей активностью, поздние экспираторные (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 дыхательного центра не обнаружено нейронов, обладающих спонтанной ритмической активностью, которые могли бы выполнять функции водителя ритма, 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.

Инспирация

Экспирация

Нейроны

ПН-И

Р-И

П-И

Р-Э

П-Э

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 - 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 О_2 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 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

Ритмический процесс чередования вдохов и выдохов определяется поэтапным включением нейронов, начиная от ранних инспираторных к поздним экспираторным. Этот циклический процесс у здорового человека в покое ограничивается только сокращением инспираторных мышц, следовательно, только возбуждением бульбоспинальных инспираторных нейронов, выдох протекает пассивно. Вместе с тем, в экспираторных нейронах во время выдоха всегда регистрируется активность в виде ВПСП, которые свидетельствуют об активности этих нейронов. Попытаемся, используя имеющуюся информацию о нейронах дыхательного центра усложнить схему и отобразить взаимодействие различных нейронов в организации дыхательного цикла.

Обсуждая взаимодействие дыхательных нейронов, попытаемся ответить на три важных вопроса: 1) какой механизм запускает инспирацию, 2) останавливает инспирацию и обеспечивает переход к расслаблению инспираторных мышц, 3) запускает активную экспирацию?

Механизм, который запускает инспирацию, назван центральной инспираторной активностью (ЦИА). Как уже было сказано, механизм ЦИА на сегодняшний день окончательно не понят, единственное, что установлено  - отсутствие истинного водителя ритма в дыхательном центре. Казалось бы, инспирация запускается импульсами от периферических и центральных хеморецепторов при увеличении напряжения углекислого газа и (или) снижении напряжения кислорода в крови. В этом случае на роль ЦИА подошли бы ранние инспираторные нейроны, которые активируются при возбуждении хеморецепторов.

Однако, как уже упоминалось, в покое напряжение газов в периферической крови остается постоянным. Импульсы от хеморецепторов, конечно, поступают в дыхательный центр, но это поступление импульсов постоянное - тоническое, а включение вдоха происходит ритмически, следовательно, необходимо поискать еще какой-то стимул для возбуждения ранних инспираторных нейронов. Вспомним, что эти нейроны находятся в реципрокных отношениях с ранними экспираторными нейронами (тормозятся при их активации) и снижают свою активность при увеличении импульсов от рецепторов растяжения легких. Таким образом,  стимулом может быть сочетание двух факторов: увеличение потока импульсов от хеморецепторов и снижение такого потока от рецепторов растяжения легких. Снижение эффекта рецепторов растяжения легких воздействует на ранние инспираторные нейроны двумя путями: и непосредственно затормаживая их, и возбуждая ранние экспираторные нейроны. Ранние инспираторные нейроны получают еще один тормозящий их поток импульсов - от поздних инспираторных нейронов. Если вспомнить о том, что П-И нейроны растормаживаются по мере нарастания инспирации и тоже находятся в реципрокных отношениях с ранними инспираторными, то можно говорить еще об одном стимулирующем влиянии на ранние: отсутствие активности поздних инспираторных нейронов. Активность этих нейронов нарастает по мере развития вдоха под возбуждающим влиянием инспираторных нейронов с нарастающей активностью. (ПН-И), которые возбуждаются от: 1) ранних инспираторных, 2) рецепторов растяжения легких, 3) периферических и центральных хеморецепторов. Вероятно, ранние инспираторные нейроны, суммируя на своих телах и дендритах возбуждающие и тормозные влияния от хемо- и механорецепторов, поздних инспираторных и ранних экспираторных нейронов, возбуждаются тем интенсивнее, чем  выше стимуляция от хеморецепторов и ниже от рецепторов растяжения легких. Такое сочетание влияний можно рассматривать как ЦИА - центральную инспираторную активность, во всяком случае, до тех пор, пока не будет найдено новых экспериментальных данных, опровергающих это предположение. На схеме( рисунок 23) обозначим этот блок номером I, и будем считать, что в основе ЦИА лежит сочетание возбуждения от хеморецепторов, отсутствие возбуждения от рецепторов растяжения легких, торможение поздних инспираторных и ранних экспираторных нейронов - фактически это состояние выдоха, которое и стимулирует следующий вдох.

Рассмотрим блок под цифрой II на схеме. Активность нейронов с нарастающей активностью (ПН-И) поддерживается импульсами от: 1) ранних инспираторных, 2) рецепторов растяжения легких, 3) периферических и центральных хеморецепторов. Если вспомнить, что поздние инспираторные нейроны находятся с ранними в реципрокных отношениях, становится ясно, что интенсивность ЦИА определяет и интенсивность вдоха - его глубину, и его длительность.  Глубина определяется интенсивностью возбуждения  инспираторных нейронов с нарастающей активностью, а длительность -  растормаживанием поздних инспираторных нейронов. Таким образом, чем глубже вдох (активность ЦИА), тем позже начнется прекращение инспирации, потому что поздние инспираторные нейроны дольше будут заторможены. Следовательно, второй блок на нашей схеме - это механизм, который определяет и время окончания инспирации, и соответствие между глубиной и частотой дыхания – чем глубже дыхание, тем оно реже.

Наконец, механизм активной экспирации (III). Пожалуй, мы его уже объяснили, подведем лишь итог:  ранние экспираторные нейроны активированы во время вдоха, но их ВПСП не достигают критического уровня. Чтобы эти деполяризующие потенциалы перешли в потенциалы действия необходимо, как ясно из предыдущих рассуждений, 1) затормозить ранние инспираторные нейроны, 2)  усилить поток импульсов от рецепторов растяжения легких. Ранние инспираторные нейроны затормаживаются при увеличении импульсации от рецепторов растяжения легких и при повышении активности поздних инспираторных. Таким образом, чем глубже вдох (активность ЦИА), тем интенсивней поток импульсов к ранним экспираторным нейронам от ранних инспираторных, тем больше вероятность формирования ПД на телах этих нейронов и активной экспирации.

Выдохи становятся активными при увеличении вентиляции легких, обусловленной различными причинами: усилением раздражения медуллярных и артериальных хеморецепторов, физической работой, при громкой речи, крике, при произвольной гипервентиляции и глубоких вдохах. Первая, постинспираторная фаза, в таких условиях укорачивается или исчезает. Активные выдохи обеспечивают усиление экспираторного тока воздуха. Их энергия суммируется с эластической энергией легких, накопленной во время вдоха.

Следовательно, на уровне нейронов дыхательного центра продолговатого мозга формируется паттерн дыхания, в котором учитываются и влияния рецепторов, и сила и длительность возбуждения отдельных групп нейронов. Поэтому, вероятно, задачей отдельных нейронов является и объединение в сеть для формирования последовательности фаз дыхательного цикла, и получение каждым типом нейронов своего потока информации и изменение паттерна дыхания в соответствии с этим потоком.

Рисунок 23. Схема организации дыхательного цикла

Р-И- ранние инспираторные,

ПН-И- полные инспираторные с нарастающей активностью,

П-И – поздние инспираторные,

Р-Э – ранние экспираторные,

П-Э –поздние экспираторные

проприобульбарные нейроны продолговатого мозга. Эти нейроны организуют паттерн дыхания.

Пневмотаксический центр

Структуры продолговатого мозга обладают способностью генерировать дыхательный ритм на основании информации от хемо- и механорецепторов. Однако после перерезки мозга ниже варолиевого моста у экспериментальных животных дыхательный ритм изменяется. У животных наблюдается длительный выдох, который редко прерывается резким вдохом, такое дыхание называется гаспинг. Следовательно, для полноценного дыхания необходимы структуры, расположенные в районе моста (рисунок 24). Структурам моста, необходимым для поддержания полноценного дыхания Люмсден в 1923 году дал название пневмотаксический центр (ПТЦ). Как уже было отмечено,  пневмотаксический центр расположен в дорсолатеральной области ростральной части моста. Функции этого центра изучены с помощью физиологических экспериментов, включающих повреждение центра, его раздражение и отделение от продолговатого мозга путем перерезки. Повреждение центра сопровождается уменьшением вентиляции. Результат перерезки уже описан - длительный выдох, который редко прерывается вдохом - гаспинг. Интересно, что похожие результаты получены в экспериментах с одновременной перерезкой блуждающих нервов и повреждением структур моста. У таких животных наблюдается длительный вдох, изредка прерываемый коротким выдохом. Такой вариант дыхания называется апнейзис (рисунок 26 приложения).  Эти результаты наводят на мысль о том, что ПТЦ и рецепторы растяжения легких оказывают однонаправленные влияния на дыхательный центр продолговатого мозга. Суть этих влияний заключается в облегчении переключения фаз дыхательного цикла. Это предположение подтверждается результатами экспериментов с раздражением ПТЦ. Раздражение пневмотаксического центра влияет на переключение фаз дыхания: при стимуляции ПТЦ инспираторная активность  и усиливается, и раньше прекращается. Таким образом, в районе моста находится нейронный механизм, который стабилизирует деятельность дыхательного центра. Этот механизм, подобно импульсам от рецепторов растяжения легких, облегчает смену фаз дыхательного цикла.

Для того чтобы понять, каким образом ПТЦ принимает участие в регуляции дыхания, необходимо знать, откуда эти структуры получают информацию и куда направляют свои импульсы. К ПТЦ отправляются аксоны нейронов от дорсального и вентрального ядер продолговатого мозга. ПТЦ тоже посылает импульсы по аксонам нейронов в продолговатый мозг. Таким образом, между продолговатым мозгом и ПТЦ существуют двусторонние связи.

В ПТЦ тоже обнаружены дыхательные нейроны. Их немного и они организованы в небольшие группы по 10-12 нейронов. В отличие от дыхательных нейронов бульбарного центра, для которых характерна залповая активность, большинство нейронов ПТЦ обладает непрерывной (тонической) импульсной активностью. Частота импульсов совпадает с ритмом дыхательного цикла. Особенно много в ПТЦ нейронов, частота импульсов у которых резко увеличивается во время одной из фаз дыхательного цикла и уменьшается во время другой (инспираторно-экспираторные, экспираторно-инспираторные нейроны). Наибольшая частота разрядов фиксируется во время смены фаз. Такие нейроны получили название фазовоохватывающих, им приписывается функция связывания отдельных фаз дыхательного цикла. Важной особенностью нейронов ПТЦ является то, что при нарушении связей с бульбарным центром они теряют свою активность. Итак, первая группа тонических нейронов получает информацию от бульбарного центра. Это информация об активности различных групп дыхательных нейронов, которая в свою очередь определяется импульсами от хеморецепторов и рецепторов растяжения легких. На нейронах ПТЦ конвергируют импульсы от вышележащих отделов мозга, от нейронов ретикулярной формации. Импульсы от ПТЦ поступают к дыхательным нейронам продолговатого мозга, причем преимущественно к бульбоспинальным нейронам. В настоящее время точно не известно инспираторные или экспираторные нейроны находятся под влиянием ПТЦ, однако это не имеет существенного значения, если вспомнить о том, что деятельность генератора ритма организована по принципу циклического возбуждения. Следовательно, активация любой группы нейронов приведет к ускорению этой циклической деятельности. Эти предположения вполне соответствуют роли ПТЦ, определенной экспериментально - стабилизация  и ускорение ритма, и облегчение переключения дыхательных фаз. Нейроны ПТЦ не участвуют в организации ритма дыхания, но способны изменить этот ритм на основании информации от самого дыхательного центра, от вышележащих отделов мозга и от ретикулярной формации ствола мозга.

В ПТЦ найдены и группы нейронов с фазной (импульсной) активностью. Оказалось, что фазная активность таких нейронов усиливается при переходе от сна к бодрствованию и при отсутствии раздражения от рецепторов растяжения легких. Предполагается, что роль таких фазных нейронов может заключаться в поддержании тонуса нейронов дыхательного центра  в случае, если почему-то прекращается поток импульсов от рецепторов растяжения легких.

Таким образом,  можно считать установленным, что между пневмотаксическим центром моста и дыхательным центром продолговатого мозга существует петля обратной связи. ПТЦ получает возбуждающие импульсы от дыхательных нейронов продолговатого мозга и, в свою очередь, активирует эти нейроны, стабилизирует деятельность дыхательного центра и облегчает переключение с одной фазы дыхательного цикла на другую. ПТЦ не является генератором дыхательной периодики.

Рисунок 24. Локализация пневмотаксического

и апнейстического центров

В районе средней и каудальной частей  моста существует еще один источник тонических влияний на дыхательный центр. Влияния этого центра  противоположны влияниям ПТЦ. Этот центр назван апнейстическим центром и известно о его регулирующем влиянии на дыхание пока очень немного.

Отделы ЦНС, принимающие участие в регуляции дыхания

Регуляция дыхания и другие функции организма

Дыхательный центр продолговатого мозга обеспечивает такую вентиляцию легких, которая необходима для поддержания на оптимальном уровне напряжения кислорода и углекислого газа. Напряжение этих газов, воздействуя на дыхательный центр через хеморецепторы, вызывает ответную реакцию дыхания, направленную на устранение отклонения в концентрации. Таким образом осуществляется регуляция дыхания по принципу отклонения регулируемого параметра от нормальных значений.

Вместе с тем, изменения вентиляции легких наблюдаются при самых разнообразных ситуациях, когда нет изменения напряжения кислорода и углекислого газа. Например, воздействия холода или тепла на кожу  приводят к возбуждению дыхательного центра и учащению дыхания. Кроме того, на дыхание влияет изменение температуры тела: и понижение, и незначительное повышение вызывают увеличение вентиляции легких. Весьма существенно увеличивает частоту дыхания боль. Вызывают изменения дыхания и физическая, и эмоциональная нагрузки. Такое изменение паттерна дыхания, не обусловленное изменением концентрации газов в крови, является проявлением варианта регуляции по принципу возмущения.  Это означает, что  тем сигналом, который поступает в дыхательный центр и вызывает гипервентиляцию, служит не отклонение в газовом составе крови, а сигнал о происходящем в организме возмущении, способном привести к отклонению в газовом составе крови, регуляция осуществляется до того, как произойдут отклонения. Механизмы возмущающих влияний на дыхательный центр становятся понятны, если вспомнить о том, что дыхательный центр входит в состав ретикулярной формации ствола мозга.

Ретикулярная формация ствола мозга

Под ретикулярной формацией обычно понимают клеточную массу, лежащую в толще мозгового ствола от нижних отделов продолговатого до промежуточного мозга. Эта клеточная масса слабо структурирована и не имеет четких границ. Внутри ретикулярной формации расположены чувствительные и двигательные ядра продолговатого, среднего и промежуточного мозга. Нейроны ретикулярной формации характеризуются немногочисленными длинными и мало ветвящимися дендритами,  их шипики слабо дифференцированы. В медиальной части ретикулярной формации расположены крупные и гигантские клетки, в продолговатом мозге они сконцентрированы в гигантоклеточном ядре. Именно от этих клеток отходят аксоны, которые формируют эфферентные пути. В частности, ретикулоспинальный тракт, пути к таламусу, мозжечку, базальным ганглиям и коре больших полушарий.

Сетевое строение ретикулярной формации обеспечивает высокую надежность ее функционирования и устойчивость к повреждающим воздействиям, потому что локальные повреждения всегда компенсируются за счет сохранившихся элементов сети. Такое сетевое строение обеспечивает и еще одну важную особенность функционирования ретикулярной формации: раздражение любой из ее частей за счет многочисленных связей охватывает всю данную структуру. Кроме того, эффекты стимуляции, как правило, оказываются весьма длительными за счет свойства нейронной сети пролонгировать возбуждение.

В ретикулярную формацию ствола мозга конвергируют сигналы от разных сенсорных входов. Изучение хода специфических сенсорных волокон в анализаторных системах показало, что во всех случаях часть волокон оканчивается на ретикулярных нейронах. В районе среднего мозга и моста осуществляется прием информации, поступающей от зрительной, слуховой и вестибулярной систем, приход сигналов от соматосенсорной системы более выражен в районе моста.  В районе продолговатого мозга имеются нейроны, которые реагируют на болевые раздражения, идущие от мышц и внутренних органов. Таким образом, ретикулярная формация оказывается «информированной» о состоянии всей сенсорной периферии и поэтому является коллектором, где смыкаются и взаимодействуют сигналы от разнообразных рецепторных зон. В связи с этим, заслуживает внимания еще одна интересная особенность нейронов ретикулярной формации. Во-первых, многие из этих нейронов полимодальные, т.е. возбуждаются от разных раздражителей (световые, звуковые, тактильные), во-вторых, нейроны ретикулярной формации лишают афферентный поток специфичности, свойственной данному стимулу. Реакция, в конечном итоге, зависит просто от силы любого раздражителя. Таким образом, нейроны дыхательного центра уже в соответствии со своей локализацией изменяют свою активность в соответствии с любым потоком информации, поступающим в ретикулярную формацию.

Ретикулярная формация имеет прямое отношение к регуляции цикла «бодрствование-сон», поэтому и паттерн дыхания приводится в соответствие и с этим циклом.

Гипоталамус

Существенную роль в регуляции дыхания играет гипоталамус. Основная роль гипоталамуса в изменении паттерна дыхания заключается в том, что ритм дыхания приводится в соответствие с уровнем  обмена веществ. Одной из основных  особенностей нейронов гипоталамуся является их чувствительность к составу омывающей их крови. Нейроны срединной группы ядер гипоталамуса обладают детектирующей функцией, они реагируют на изменение температуры крови, осмотическую концентрацию, концентрацию глюкозы и аминокислот. Таким образом, в гипоталамус поступает информация о состоянии внутренней среды организма. В гипоталамусе на основании этой информации происходит формирование мотиваций - побуждений к движению, к изменению поведения для того, чтобы восстановить изменившиеся параметры внутренней среды организма. Под влиянием мотивации и при участии коры головного мозга происходит формирование программы конкретного поведения, в которую включается и изменение дыхания.

Особенно велика роль дыхания в терморегуляции, потому что при изменении паттерна дыхания возможно или увеличить, или уменьшить теплоотдачу. При повышении температуры повышается частота дыхания, за счет этого происходит увеличение испарения воды и некоторое охлаждение организма. Умеренное охлаждение тоже приводит к увеличению частоты дыхания. Это связано с возбуждением задних областей гипоталамуса и общим повышением активности  и возбудимости структур мозга, в том числе и дыхательного центра. При значительном охлаждении угнетается активность нейронов дыхательного центра, глубина и частота дыхания уменьшаются, что позволяет уменьшить потери тепла.

Из изложенного становится ясно, что в дыхательный центр, наряду с информацией от хеморецепторов и от рецепторов растяжения легких, поступает поток информации обо всем, что происходит в организме и окружающей среде. Разница заключается в том, что афферентные сигналы от разнообразных рецептивных полей и от анализаторов поступают не непосредственно в дыхательный центр, а в различные отделы головного мозга. Эти отделы, в свою очередь, оказывают возбуждающее или тормозное влияние и на дыхательный центр, и на другие функциональные системы (например, система кровообращения).  В различных ситуациях центры головного мозга образуют с дыхательным центром временные функционально подвижные ассоциации (функциональные системы по А.П. Анохину), которые обеспечивают полноценное регулирование дыхания в соответствии с потребностями организма.

Кора больших полушарий

Роль коры больших полушарий в регуляции дыхания изучена в экспериментах на животных с электрическим раздражением различных зон коры и с их удалением. Оказалось, что у бескорковых животных с нормальным дыхательным ритмом в покое наступает резко выраженная и длительная одышка уже после нескольких шагов. Следовательно, для приспособления дыхания к мышечной деятельности требуется участие высших отделов центральной нервной системы. В коре мозга нет определенных участков,  четко изменяющих деятельность дыхательного центра. Раздражение большинства участков коры приводит к изменению паттерна дыхания. Вместе с тем, наиболее существенные изменения дыхания наблюдаются при раздражении соматосенсорной области коры. Это и понятно, именно мышечная деятельность требует наиболее существенного изменения дыхания. Во время работы мышцам необходимо очень большое количество кислорода. Если в покое потребление кислорода составляет 250-300 мл/минуту, то при быстрой ходьбе оно возрастает до 2.5 литров, а при тяжелой мышечной работе до 4л/минуту. Обеспечение мышц кислородом достигается совместной деятельностью  систем кровообращения и дыхательной.

Механизмы регуляции вентиляции при мышечной работе сложны. Казалось бы, увеличение МОД  можно объяснить повышением частоты импульсов с хеморецепторов продолговатого мозга и каротидных синусов, которое возникает в результате повышения напряжения углекислого газа и снижения напряжения кислорода в крови. Однако вентиляция легких всегда увеличивается в начале работы, когда газовый состав крови еще не успел измениться. Следовательно, гиперпноэ возникает под влиянием нервных факторов. Кора больших полушарий, вызывая произвольные движения, активирует и деятельность дыхательного центра и непосредственно, и через гипоталамус. В дополнение к этой стимуляции возбуждение дыхательного центра увеличивается под влиянием импульсов от проприорецепторов работающих мышц. Эти импульсы возникают даже в тех случаях, когда работа мышц осуществляется пассивно, без затрат кислорода и выделения углекислого газа (например, экспериментатор сгибает конечности испытуемого).

Позднее, во время продолжающейся физической работы, происходит более медленное увеличение вентиляции легких. Это увеличение вентиляции уже обусловлено раздражением артериальных и центральных хеморецепторов. Однако и здесь не все так просто.  Выяснилось, что даже при физической работе высокой интенсивности напряжение кислорода и углекислого газа в крови может не измениться (а углекислого газа даже снизиться в результате возросшей вентиляции легких). Даже удаление каротидных телец не устраняет увеличения легочной вентиляции во время физической работы, и тем не менее, сигналы от хеморецепторов имеют существенное значение в увеличении МОД во время физической работы. Оказывается, что во время работы увеличивается чувствительность дыхательного центра к гиперкапнии и гипоксии, возрастает и возбудимость хеморецепторов. Имеет значение и повышение температуры тела: этот фактор через центры гипоталамуса увеличивает частоту дыхания.

Кортикальные влияния на дыхание отчетливо проявляются при тренировке к выполнению одной и той же работы. Постепенно колебания дыхания становятся меньше, дыхание делается более ровным. Если много раз выполняется работа в одинаковом темпе, но с различной интенсивностью, то изменения вентиляции при переходе на новый уровень происходят быстрее, вырабатывается динамический стереотип, в котором вентиляция легких имеет волнообразный характер. Из этого примера видно, что важные приспособительные изменения дыхания осуществляются посредством выработки условных рефлексов. Примером такого условно-рефлекторного изменения ритма дыхания может быть стартовый рефлекс у спортсменов.

Роль высших отделов мозга проявляется и в способности человека и животных оценивать свое «газовое» состояние - гипоксическое или гиперкапническое. Человек не может непосредственно воспринимать содержание кислорода и углекислого газа во вдыхаемом воздухе, потому что нет адекватных рецепторов в дыхательных путях. Однако с помощью метода активного выбора предпочитаемых газовых смесей (этот выбор называется газопреферендум) установлено, что люди избегают дышать смесями, которые вызывают в организме гипоксические или гиперкапнические сдвиги. Например, смеси, содержащие 15 % кислорода, люди не отличали от нормальных, содержащие 12 % вызывали у части людей отрицательную реакцию, а содержащие 9 % кислорода, отвергались всеми испытуемыми. Исследования, проведенные на спортсменах, выявили их способность оценивать не только состав вдыхаемой смеси, но и гипоксические и гиперкапнические сдвиги в своем организме. После спортивной тренировки они могли почти точно определить степень оксигенации своей артериальной крови.

Особенно отчетливо роль коры головного мозга проявляется в произвольном управлении дыханием. Своеобразие функции внешнего дыхания заключается в том, что она одновременно и обладает автоматизмом, и произвольно управляема. Человек прекрасно дышит и во сне, и под наркозом, однако любой человек может произвольно остановить дыхание, изменить его частоту и глубину. Произвольное управление дыханием возможно потому, что в коре есть представительство дыхательных мышц и корковомедуллярные нисходящие влияния на мотонейроны дыхательных мышц. Возможность произвольного управления дыханием ограничена определенными пределами изменений напряжения кислорода и углекислого газа, а так же рН крови. При чрезмерной задержке дыхания возникает стимул, который возвращает дыхание под контроль дыхательного центра. Значение возможности произвольного контроля дыхания для человека трудно переоценить - именно благодаря такой возможности человек приобрел одну из немногих, отличающих его от животных, функций - способность к членораздельной речи.

Заключение

Дыхательный центр получает большой объем информации и о газовом составе крови, и о состоянии дыхательной системы. В соответствии с этой информацией изменяется легочная вентиляция. Вместе с тем дыхательный центр способен обеспечивать смену дыхательных фаз за счет своих собственных механизмов возбуждения нейронов, т.е. обладает определенным автоматией. Автоматия дыхательного центра отличается рядом признаков от автоматии сердечного водителя ритма.

Периодическое возбуждение дыхательного центра обусловлено взаимодействием большого числа нервных клеток, объединенных в нейронные сети. Среди них особую роль играют тормозные нейроны. В дыхательном центре есть несколько популяций инспираторных и экспираторных нейронов соответственно фазам дыхательного цикла. Среди нейронов есть проприобульбарные нейроны, которые организуют паттерн дыхания, определяя уровнем своего возбуждения длительность фаз дыхательного цикла. Бульбоспинальные нейроны являются преимущественно премоторными по отношению к мотонейронам диафрагмального нерва и нервам межреберных мышц. Смена дыхательных фаз осуществляется путем постепенного возбуждения одних групп нейронов и торможения других. Для осуществления смены дыхательных фаз необходимо влияние пневмотаксического центра, расположенного в районе варолиевого моста среднего мозга.

Для автоматической деятельности дыхательного центра необходимо  постоянное (тоническое) поступление к нему сигналов, повышающих возбудимость дыхательных нейронов. Сигналы, поступающие от хеморецепторов продолговатого мозга и каротидного синуса, а так же от рецепторов растяжения легких изменяют активность дыхательных нейронов в соответствии с газовым составом крови и состояние дыхательной системы. Информация от этих рецепторов лежит в основе регуляции по принципу отклонения. Афферентные сигналы, поступающие от всех рецептивных полей через ретикулярную формацию, гипоталамус и кору головного мозга изменяют активность дыхательных нейронов в соответствии с состоянием внутренней среды организма и окружающей среды, поведением. Таким образом, осуществляется регуляция дыхания по принципу возмущения.

Автоматическая деятельность дыхательного центра человека находится под значительным произвольным контролем. Человек может в широких пределах произвольно изменять частоту и глубину дыхания. Вместе с тем, этот произвольный контроль ограничен влияниями от центральных и периферических хеморецепторов, рецепторов растяжения легких, ирритантных и других механорецепторов.

Объединим на рисунке 25 основные структуры, принимающие участие в регуляции дыхания и по принципу отклонения, и по принципу возмущения, и суммируем их роль в регуляции дыхания.

Рисунок 25. Отделы головного мозга,

принимающие участие в регуляции дыхания

Кора - выработка условно рефлекторных вариантов поведения, в которые включается изменение дыхания по принципу возмущения (физическая работа, пребывание в атмосфере со сниженным парциальным давлением кислорода, эмоции).

Произвольное управление дыханием во время речи, пения. Газопреферендум

Гипоталамус - возбуждающие влияния в соответствии с

1) нарушением гомеостаза  (боль, изменение температуры тела, физическая работа, травмы)

2) ситуациями, угрожающими гомеостазу (температура внешней среды, поток информации от анализаторов, испуг).

Активирующая ретикулярная формация продолговатого и среднего мозга - тонус дыхательного центра в соответствии с функциональным состоянием центральной нервной системы (сон, спокойное бодрствование, активное бодрствование, аффект), в соответствии с потоком информации от большинства рецептивных полей.

Пневмотаксический центр - 1. Тонус дыхательного центра, активация ритма смены фаз дыхательного цикла. 2. Активация ритма смены фаз дыхательного цикла при снижении потока импульсов от рецепторов растяжения легких (перерезка блуждающего нерва).

Дыхательный центр продолговатого мозга Группы инспираторных и экспираторных нейронов, объединенные в сети с тормозными и возбуждающими связями. Паттерн дыхания в соответствии с газовым составом крови и степенью растяжения легких.

ДЫХАНИЕ В ИЗМЕНЕННЫХ УСЛОВИЯХ.

В различных условиях среды обитания системы нейрогуморальной регуляции дыхания и кровообращения функционируют в тесном взаимодействии как единая кардиореспираторная система. Особенно четко это проявляется при интенсивной физической нагрузке и в условиях гипоксии - недостаточном снабжении организма кислородом.

Дыхание при физической нагрузке

Во время выполнения физической работы мышцам необходимо большое количество кислорода. Потребление кислорода и выделение СО_2 возрастают при физической нагрузке в среднем в 15 - 20 раз. Уже в начале мышечной работы вентиляция легких быстро увеличивается. В возникновении гиперпноэ в начале физической работы периферические и центральные хеморецепторы еще не участвуют. Уровень вентиляции в этот период регулируется сигналами, поступающими к дыхательному центру главным образом из гипоталамуса, лимбической системы и двигательной зоны коры большого мозга, а также раздражением проприорецепторов работающих мышц. По мере продолжения работы к нейрогенным стимулам присоединяются гуморальные воздействия, вызывающие дополнительный прирост вентиляции.

Дыхание при гипоксии

Гипоксией (кислородной недостаточностью) называется состояние, наступающее в организме при неадекватном снабжении тканей и органов кислородом или при нарушении утилизации в них кислорода в процессе биологического окисления. Наблюдаемая в условиях кислородной недостаточности первоначальная гипоксическая стимуляция дыхания приводит к вымыванию углекислоты из крови и развитию дыхательного алкалоза. Гипоксия сочетается с гипокапнией. В свою очередь, это способствует увеличению рН внеклеточной жидкости мозга. Центральные хеморецепторы реагируют на подобный сдвиг рН в цереброспинальной жидкости мозга резким снижением своей активности. Это вызывает настолько существенное торможение нейронов дыхательного центра, что он становится нечувствительным к стимулам, исходящим от периферических хеморецепторов. Наступает своеобразная гипоксическая "глухота". Несмотря на сохраняющуюся гипоксию, постепенно гиперпноэ сменяется непроизвольной гиповентиляцией, что в определенной мере способствует также сохранению физиологически необходимого количества углекислоты.

Реакция на гипоксию у коренных жителей высокогорья и у горных животных практически отсутствует, и, по мнению многих авторов, у жителей равнин гипоксическая реакция также исчезает после продолжительной (не менее 3-5 лет) их адаптации к условиям высокогорья. Основными факторами долговременной акклиматизации к условиям высокогорья являются; повышение содержания углекислоты и понижение содержания кислорода в крови на фоне снижения чувствительности периферических хеморецепторов к гипоксии, увеличения плотности капилляров и относительно высокого уровня утилизации тканями кислорода из крови. У горцев также возрастают диффузионная способность легких и кислородная емкость крови за счет роста концентрации гемоглобина. Одним из механизмов, позволяющих горцам в условиях гипоксии повысить отдачу кислорода тканям и сохранить углекислоту, является способность повышенного образования у них метаболита глюкозы - 2,3 дифосфоглицерата. Этот метаболит снижает сродство гемоглобина к кислороду.

Дыхание при высоком атмосферном давлении

Во время водолазных и кессонных работ человек находится под давлением выше атмосферного на 1 атм. на каждые 10 м погружения. В этих условиях увеличивается количество газов, растворенных в крови, и особенно азота. При быстром подъеме водолаза на поверхность физически растворенные в крови и тканях газы не успевают выделиться из организма и образуют пузырьки - кровь "закипает". Кислород и углекислый газ быстро связываются кровью и тканями. Особую опасность представляют пузырьки азота, которые разносятся кровью и закупоривают мелкие сосуды (газовая эмболия), что сопровождается тяжелыми повреждениями ЦНС, органов зрения, слуха, сильными болями в мышцах и в области суставов, потерей сознания. Такое состояние, возникающее при быстрой декомпрессии, называется кессонной болезнью. Пострадавшего необходимо вновь поместить в среду с высоким давлением, а затем постепенно производить декомпрессию. Вероятность возникновения кессонной болезни может быть значительно снижена при дыхании специальными газовыми смесями, например, гелиево-кислородной. Гелий почти нерастворим в крови, он быстрее диффундирует из тканей.

ОСОБЕННОСТИ ДЫХАНИЯ У ДЕТЕЙ

ВНЕШНЕЕ ДЫХАНИЕ. ТРАНСПОРТ ГАЗОВ КРОВЬЮ

1) Дыхание плода и новорожденного. Во внутриутробной жизни плод получает О_2 и удаляет СО_2 исключительно путем плацентарного кровообращения. У плода появляются ритмические дыхательные движения частотой 38-70 в минуту. Частота дыхательных движений увеличивается ночью и по утрам. Легкие при этом не расправляются, остаются спавшимися. Дыхательные движения плода происходят при закрытой голосовой щели, поэтому околоплодная жидкость в дыхательные пути не попадает. Эти движения способствуют: 1) нормальному развитию легких; 2) увеличению скорости движения крови по сосудам - улучшению кровоснабжения плода; 3) транспорту газов; 4) функциональной подготовке дыхательной системы к дыханию после рождения.

У плода грудная клетка находится в спавшемся состоянии, т.к. головки ребер расположены вне своих суставных ямок. При первом вдохе ребра поднимаются, а головки занимают свои суставные ямки, грудная клетка меняет форму, она резко увеличивается в размере, легкие наполняются воздухом и растягиваются.

Грудную клетку новорожденного сравнивают по форме с конусом. Передне-задний диаметр ее практически равен поперечному. Ребра расположены почти горизонтально и под прямым углом. Грудная клетка у новорожденного находится как бы в состоянии постоянного вдоха. В этих условиях сокращение наружных межреберных мышц не может вызвать дополнительного увеличения объема грудной полости. Поэтому у детей первого года жизни изменения объема осуществляется сокращением диафрагмы.

2) Внутриплевральное давление у новорожденных. Степень растяжения легких у новорожденного иная, чем у взрослых. При первом вдохе происходит сильное снижение внутриплеврального давления (20-80 см. водяного столба). Большое падение давления во время первого вдоха необходимо для: а) преодоления силы трения между жидкостью, находящейся в воздухоносных путях, и их стенкой; б) преодоления силы поверхностного натяжения альвеол на границе жидкость-воздух после попадания в них воздуха.

3) Типы дыхания. У новорожденных и грудных детей дыхание аритмичное, частое и поверхностное, это связано с необходимостью преодолевать: 1.сопротивление органов брюшной полости; 2.бронхиальное сопротивление; 3.упругость легочной ткани. Частота дыхания у детей разных возрастов представлена в таблице 8. У детей до 3-7-летнего возраста преобладает брюшной тип дыхания, осуществляющийся за счет сокращения диафрагмы. С момента, когда ребенок начинает ходить и все чаще принимает вертикальное положение, дыхание становится грудобрюшным. С 3-7 лет в связи с развитием мышц плечевого пояса грудной тип дыхания начинает преобладать над диафрагмальным. Половые различия типа дыхания начинают выявляться с 7-8-летнего возраста и заканчиваются к 14-17 годам. К этому времени у девушек формируется грудной, а у юношей - брюшной тип дыхания.

Таблица 8

Возрастные изменения параметров дыхания.

Возраст

Частота

МОД

ДО

Состав

Альвеол. возд. в %

РО2

артер.

кровь

К.Е.К

дыхания в минуту

МОД

мл/мин

Относ.

МОД

мл/кг

мл.

О_2

СО_2

в мм.рт.ст.

мл. О_2

Новорожд.

44

720

206

16

17.0

3.2

92

240

1 год

35

2000

200

57

17.2

3.0

97

155

5 лет

25

3900

199

156

16.4

3.8

98

163

8 лет

22

5350

183

243

16.0

4.1

98

173

12 лет

18

6000

151

333

15.7

4.4

98

180

16 лет

17

7700

139

453

15.0

4.9

97

187

Взрослые

16

7000

105

438

14.5

5.6

96

190

Вентиляция легких. Минутный объем дыхания (МОД) в абсолютных единицах тем меньше, чем младше ребенок и с возрастом увеличивается.

Относительный МОД (отношение МОД к массе тела) у детей значительно выше, чем у взрослых, за счет большей частоты дыхания.

У новорожденных относительный минутный объем дыхания превышает этот показатель у взрослых в 2 раза, это объясняется высоким уровнем обмена веществ и потреблением О_2 у детей по сравнению со взрослыми. У детей отмечается относительно высокое содержание кислорода. С возрастом содержание кислорода и парциальное давление в альвеолярном воздухе становится меньше, а содержание и парциальное давление СО_2 в альвеолярном воздухе возрастает. После рождения содержание О_2 и СО_2 в крови существенно отличается от содержания этих газов в крови взрослого.

Особенности гемоглобина. В эмбриональном периоде гемоглобин синтезируется в эритроцитах желточного мешка в виде примитивного гемоглобина (НbP). На 9 неделе появляется фетальный (зародышевый) гемоглобин (HbF), синтезируемый в эритроцитах печени. К концу беременности появляются взрослые формы гемоглобина, синтезируемые в эритроцитах костного мозга.

Кривая диссоциации оксигемоглобина плода. Плод развивается в условиях значительно более низкого содержания кислорода в артериальной крови, чем у взрослых. Кривая диссоциации оксигемоглобина в своей верхней части сдвинута влево и для нее характерна большая крутизна, это облегчает поступление кислорода из крови матери в кровь плода.

Рисунок 24 Кривые диссоциации оксигемоглобина взрослого человека (пунктирная линия)  и плода (сплошная линия).

Кривая диссоциации оксигемоглобина плода в средней части сдвинута влево – облегчается отдача кислорода тканям.

В межворсинчатых пространствах материнская кровь насыщается СО_2 и обогащается связанными кислотами, кривая диссоциации оксигемоглобина смещается вправо, что также облегчает переход кислорода в кровь плода. Большое сродство гемоглобина плода к кислороду способствует образованию оксигемоглобина, в плаценте, а большая крутизна кривой - отдаче О_2 тканям - это механизмы биологической адаптации к условиям внутриутробной жизни (рисунок 24). В крови плода отсутствует карбоангидраза, она появляется в крови к 5-7 дню после рождения.

Обменные процессы у детей протекают более интенсивно, что требует большего количества кислорода. Повышенная потребность в кислороде обеспечивается 1. высоким МОД, 2. высоким МОК, 3.высоким напряжением кислорода в артериальной крови.

РЕГУЛЯЦИЯ ДЫХАНИЯ

Регуляция редких и нерегулярных дыхательных движений плода, совершающихся с ранних этапов онтогенеза, обеспечивается дыхательным центром продолговатого мозга и осуществляется в основном содержанием кислорода в крови. На дыхание плода отрицательно влияет не только снижение но и повышение содержания кислорода. Снижение содержания кислорода сопровождается увеличением частоты и глубины дыхательных движений с одновременным увеличением частоты сердечных сокращений, повышением кровяного давления. При повышении содержания кислорода в крови матери - у плода прекращаются дыхательные движения, уменьшается частота сердечных сокращений. Дыхание в течение нескольких часов газовой смесью с высокой концентрацией кислорода может привести к повреждению легких. У недоношенных новорожденных наблюдается еще одно нарушение - они слепнут в результате образования фиброзной ткани за хрусталиком. Причина этого - местный спазм сосудов, вызванный высоким содержанием кислорода.

Первый вдох ребенка.

Первый вдох наступает, как правило, через 15-70 секунд после рождения, обычно после пережатия пуповины, но иногда сразу после рождения.

Факторы, стимулирующие первый вдох:

1.     Гуморальная стимуляция хеморецепторов вызванная повышением напряжения СО_2 концентрации Н+, гипоксией (состояние асфиксии). Во время родов нарушается плацентарный газообмен, что приводит к гипоксемии и гиперкапнии.

2.     Афферентная импульсация от рецепторов кожи (холодовых и тактильных), проприорецепторов, мышц и вестибулярного аппарата, повышающая возбудимость нейронов ретикулярной формации ствола мозга  и дыхательного центра.

3.     Устранение источников торможения вдоха (удаление жидкости из воздухоносных путей).

Дыхание новорожденного вначале носит периодический характер. Серии частых вдохов чередуются с более редкими. Возникают глубокие вздохи (1-2.5 раза в одну минуту) или дыхательные паузы.

Дыхательный центр плода, новорожденных и грудных детей обладает низкой возбудимостью. Влияние коры головного мозга у новорожденных слабое и этим объясняется предрасположенность к нарушениям дыхательного ритма.

Способность детей к произвольной корковой задержке дыхания формируется постепенно. С конца 1-го года дыхание участвует в речевой функции. Начиная с 2-х лет, педиатрам удается уговорить ребенка глубже дышать с целью выслушивания легких. В возрасте 4-х лет можно произвольно произвести гипервентиляцию, задержку дыхания, измерить жизненную емкость легких.

Блуждающие нервы у новорожденного играют большую роль в регуляции и координации дыхания. Вагусный рефлекс на изменение объема легких (рефлекс Геринга-Брейера) у детей более выражен, чем у взрослых. У новорожденных выражен рефлекс с легочных рецепторов растяжения (рефлекс Хэда), обладающий облегчающим влиянием на дыхание и проявляющийся в усилении инспирации при растяжении легких за счет диафрагмы. Этот рефлекс обеспечивает наполнение воздухом не дышавшие легкие плода. Вскоре после рождения этот рефлекс исчезает.

Хеморецепторы синокаротидной и аортальной зон начинают функционировать еще до рождения. Они реагируют на относительно небольшое снижение напряжения О_2 и повышение напряжения СО_2. После рождения продолжается развитие функций центральных и периферических хеморецепторов и способности поддерживать напряжение СО_2 в артериальной крови на относительно постоянном уровне. Содержание О_2 в крови плода по отношению к взрослому организму соответствует тяжелой гипоксии.

У детей первых лет жизни отмечается более высокая устойчивость к кислородному голоданию (гипоксемии), что объясняется:

более низкой возбудимостью нейронов дыхательного центра;

более высоким содержанием кислорода в альвеолярном воздухе;

спецификой окислительно-восстановительных реакций.

У детей увеличение вентиляции в ответ на физическую нагрузку происходит за счет повышения частоты дыхания, а у взрослых - за счет углубления дыхания.

Возбудимость дыхательного центра с возрастом повышается и в школьном возрасте такая же, как и у взрослых.

В период полового созревания отмечается повышение возбудимости дыхательного центра, в связи с чем отмечается ухудшение координации дыхания; часто возникает гипоксемия при снижении количества О_2 во вдыхаемом воздухе.

Воздействие на дыхание наркотиков и различных токсических веществ тем сильнее, чем меньше возраст ребенка.

Приложение

Словарь темы

Альвеолярная вентиляция

часть минутного объема дыхания, достигающая альвеол

Апнейзис

вариант дыхания с замедленным растянутым вдохом, остановкой на высоте вдоха и форсированным выдохом

Апноэ

прекращение дыхательных движений

Ателектаз

состояние легкого, или его части, при котором альвеолы не содержат воздуха в результате слипания стенок альвеол

Асфиксия

остро протекающий процесс прекращения газообмена между организмом и окружающей средой, приводит и к гипоксии, и к гиперкапнии

Алкалоз газовый

нарушение кислотно-щелочного равновесия в результате чрезмерного выделения углекислоты из организма  - сдвиг в сторону увеличения катионов

Ацидоз газовый

нарушение кислотно-щелочного равновесия в результате гиперкапнии при нарушении дыхания - сдвиг в сторону увеличения анионов

Брадипноэ

замедление дыхания

Батипноэ

необычно глубокое дыхание, которое может наблюдаться при ацидозе, гипоксемии, сердечной недостаточности

Гаспинг

вариант дыхания с редкими судорожными вдохами (гаспами) и длительными паузами между ними

Гиперпноэ

Гипервентиляция

увеличение легочной вентиляции, адекватное повышению газообмена в организме, увеличение МОД до 50 - 100л/мин

Гиперкапния

повышение парциального давления углекислого газа в крови - при нарушении дыхания, при вдыхании газовых смесей с повышенным содержанием CO_2

Гипокапния

понижение парциального давления углекислого газа в крови, например в результате гипервентиляции

Гипоксемия

снижение напряжения кислорода в крови

Гипоксия

состояние, возникающее при недостатке снабжения тканей кислородом. Понижение парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе приводит к гипоксической гипоксии

Инспирация

вдох

Кислородная емкость крови

количество кислорода, которое может связаться с гемоглобином при условии его полного насыщения, в норме - 190 мл/литр крови

Паттерн дыхания

параметры дыхательного цикла - длительность вдоха, выдоха, глубина, частота дыхания

Периодическое дыхание

периодические изменения частоты или глубины дыхания (дыхание Чейна-Стокса, дыхание при высотной болезни, иногда во сне)

Сурфактант

поверхностно активное вещество, вырабатываемое клетками альвеол, снижает поверхностное натяжение

Тахипноэ

частое дыхание

Транспульмональное давление

разность давления в альвеолах и плевральной полости, между выдохом и вдохом 3-4 мм рт.ст.

Экспирация

Выдох

Рисунок 26 Физиологические и патологические типы дыхания

ПОКАЗАТЕЛИ ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА

Легочные объемы в литрах)

Общая емкость

6

Жизненная емкость

4,5

Функциональная остаточная емкость

2,4

Остаточный объем

1,2

Дыхательный объем

0,5

Объем мертвого пространства

0,15

Параметры вентиляции

Частота дыхания

14 мин-1

Минутный объем дыхания

7 л/мин

Альвеолярная вентиляция

5 л/мин

Вентиляция мертвого пространства

2 л/мин

Параметры газообмена

Потребление О_2

280 мл/мин

Выделение СО_2

230 мл/мин

Дыхательный коэффициент

0,82

Диффузионная способность

легких для О2

30 мл • мин-1' мм рт, ст.-1 (230 мл • мин-1 • кПа ')

Время контакта

0,3с

Параметры механики дыхания

Внутриплевральное давление:

в конце выдоха

- 3 мм рт. ст.

в конце вдоха

- 9 мм рт. ст.

Во время активного выдоха

+ 4 - 10 мм рт. ст

Растяжимость легких

0,2 л/см вод ст, (2 л/кПа)

Растяжимость грудной клетки

0,2 л/см вод. ст. (2 л/кПа)

Растяжимость легких и грудной клетки

0,1 л/см вод. ст. (1 л/кПа)

Сопротивление дыханию

2 см вод. ст, • с • л-1 (0,2 кПа - с - л-i)

Оглавление:

Введение

4

Этапы процесса дыхания

5

ВЕНТИЛЯЦИЯ ЛЕГКИХ -

5

Дыхательные мышцы

6

Соединительная ткань - основа упругости и эластичности легких

10

Легочный сурфактант

10

Транспульмональное давление

11

Легочные объемы и емкости

15

Альвеолярная вентиляция

17

Соотношение между вентиляцией  и перфузией легких

19

ГАЗООБМЕН И ТРАНСПОРТ ГАЗОВ

20

Газовый состав альвеолярного воздуха

20

Диффузия газов через аэрогематический барьер

22

Капилляры легких

23

Транспорт кислорода кровью

24

Транспорт углекислого газа

27

РЕГУЛЯЦИЯ ДЫХАНИЯ

30

Регуляция внешнего дыхания

31

Центральные хеморецепторы

34

Артериальные хеморецепторы

37

Механорецепторы

41

Дыхательный центр

43

Локализация дыхательного центра

45

Дыхательный цикл

45

Характеристика дыхательных нейронов

46

Пневмотаксический центр

53

Отделы ЦНС, принимающие участие в регуляции дыхания Регуляция дыхания и другие функции организма

56

Ретикулярная формация ствола мозга

56

Гипоталамус

57

Кора больших полушарий

58

Заключение

60

Дыхание в измененных условиях

62

ОСОБЕННОСТИ ДЫХАНИЯ У ДЕТЕЙ

64

ПРИЛОЖЕНИЕ

66