Для оптимального функционирования организма в различных условиях необходимы быстроразвивающиеся адекватные изменения дыхания. Они происходят при совершении поведенческих актов, протекании психической деятельности (эмоции, внимание, мышление), воздействии различных факторов внешней и внутренней среды, во время сна. Дыхание – это самая «человеческая» из всех вегетативных функций, что связано с участием дыхательного аппарата в фонаторной функции (речь, пение). Эффективная реализация необходимых изменений дыхания предполагает наличие сложных регуляторных механизмов с многочисленными сенсорными каналами. Эта возможность появилась на относительно поздних этапах эволюции. Организмы, находящиеся на низших ступеньках эволюционной лестницы (кишечно-полостные, круглые черви, моллюски, ракообразные), при снижении напряжения кислорода в окружающей среде уменьшают его потребление и свою функциональную активность – зависимый тип дыхания. Большинство водных позвоночных, наземные насекомые и млекопитающие при изменении газового состава среды активно изменяют интенсивность дыхания, сохраняя исходный уровень потребления кислорода – независимый тип дыхания.
Цель регуляции дыхания – обеспечить его интенсивность, адекватную сиюминутным метаболическим потребностям организма. Это может быть достигнуто, прежде всего, за счет изменения вентиляции легких. Различают 12 типов лёгочной вентиляции:
1. Нормовентиляция – вентиляция, при которой парциальное давление углекислого газа в альвеолярной смеси газов близко к 40 мм рт. ст.
2. Гипервентиляция – усиленная по сравнению с метаболическими потребностями организма вентиляция, приводящая к «вымыванию» углекислого газа из альвеолярной газовой смеси, в результате чего его парциальное давление становится ниже 40 мм рт. ст.
3. Гиповентиляция – сниженная по отношению к метаболическим потребностям организма вентиляция, при которой парциальное давление углекислого газа в альвеолах увеличивается свыше 40 мм рт. ст.
4. Повышенная вентиляция – любое возрастание вентиляции, независимо от парциального давления углекислого газа в альвеолярной смеси газов.
5. Эупноэ (eu, греч. – хорошо, правильно, pnoe, греч. – дыхание) – нормальная вентиляция в покое, сопровождающаяся субъективным ощущением комфорта.
6. Гиперпноэ (hyper, греч. – чрезмерное повышение) – увеличение глубины дыхания, независимо от его частоты.
7. Тахипноэ (tachys, греч. – скорый, быстрый) – возрастание частоты дыхания.
8. Брадипноэ (bradys, греч. – медленный) – урежение дыхания.
9. Апноэ (а, греч. – отсутствие чего-либо) – остановка дыхания в результате отсутствия физиологической стимуляции дыхательного центра при снижении напряжения углекислого газа в артериальной крови.
10. Диспноэ (dys,греч. – расстройство) – неприятное субъективное ощущение недостаточности или затрудненности дыхания (одышка).
11. Ортопноэ (orthos, греч. – прямой) – выраженная одышка, обусловленная застоем крови в капиллярах легких в результате недостаточности левого сердца. Усугубляется в горизонтальном положении.
12. Асфиксия (asphyxia, греч. – удушье) – остановка дыхания, обусловленная, главным образом, параличом дыхательного центра и приводящая к гипоксии (недостаточному снабжению тканей кислородом) и гиперкапнии (повышению напряжения углекислого газа в крови).
Как и любая другая физиологическая функция, дыхание регулируется соответствующей функциональной системой, которая, благодаря наличию обратной афферентации, является саморегулирующейся. Поэтому правильнее говорить о саморегуляции дыхания.
Второе звено – рецепторы. Изменения показателей газового гомеостаза воспринимаются хеморецепторами. Их подразделяют на центральные и периферические.
Периферические хеморецепторы расположены в стенках сосудов и в тканях. Особенно много их в параганглиях каротидных синусов (в области бифуркации общей сонной артерии) и дуги аорты. Функция их стала понятна после опытов с денервацией рецепторов, их электрической стимуляцией, перфузией, регистрацией импульсов в иннервирующих их волокнах. Наибольшее значение имеют каротидные рецепторы, а аортальные играют роль преимущественно в регуляции кровообращения. Синокаротидные рецепторы впервые были описаны в конце 20-х г.г. XX века бельгийским фармакологом Ж. Геймансом и его сыном К. Геймансом. Они расположены в особых маленьких тельцах – гломусах (масса каждого 2 мг), образованных крупными эпителиоидными клетками I типа, окруженными мелкими интерстициальными клетками II типа. Гломерулярные клетки интенсивно флуоресцируют при специальной обработке вследствие наличия в них дофамина. Ранее считалось, что именно они являются хеморецепторами, но по последним данным эту роль играют афферентные окончания иннервирующего каротидные тельца синусного нерва (нерва Геринга) – веточки языкоглоточного нерва. Аортальные тельца иннервируются волокнами блуждающего нерва. Каротидные тельца обильно кровоснабжаются – удельный кровоток в них составляет 20 мл/мин×г. Вследствие этого артерио-венозная разница по кислороду очень мала, поэтому чувствительность этих рецепторов к его недостатку необычайно высока – частота импульсов от них изменяется даже при смене фаз дыхательного цикла. Тоническое возбуждение этих рецепторов, в котором они находятся в обычных условиях, исчезает только при напряжении кислорода свыше 170 мм рт. ст. При недостаточном поступлении этого газа к клеткам каротидного тельца в них снижается образование АТФ, что приводит к возбуждению рецепторов.
Артериальные хеморецепторы возбуждаются, в основном, при снижении напряжения кислорода в крови, в меньшей степени – при возрастании напряжения углекислого газа (каротидные и аортальные) и падении рН (только каротидные). Это доказывается тем, что при сдвигах двух последних показателей импульсация от периферических рецепторов определяет лишь 20% изменения дыхания.
Периферические рецепторы чувствительны только к физически растворенным газам, а не к общему их содержанию в крови, что показано в опытах московского физиолога и клинициста Л.Л.Шика: при снижении содержания гемоглобина или при связывании его с угарным газом, сопровождающимися резким уменьшением количества кислорода в крови, приводящим к кислородному голоданию тканей, изменения дыхания не развивались. В то же время, при снижении атмосферного давления, когда уменьшалось напряжение кислорода в крови, наблюдалось учащение дыхания.
Чувствительность периферических хеморецепторов контролируется автономной нервной системой: увеличение симпатических влияний повышает её, тогда как парасимпатических – снижает.
Центральные (медуллярные) хеморецепторы. На их существование указывает классический опыт французского исследователя Л. Фредерика (1882) с перекрестным кровообращением. В условиях наркоза и искусственного дыхания было произведено перекрестное соединение перерезанных концов внутренних сонных артерий и яремных вен двух собак. Другие сосуды шеи пережимались. После перекрытия трахеи у I собаки наблюдали увеличение глубины и частоты дыхания (гипер- и тахипноэ) у II собаки, обусловленное поступлением к ее голове крови от туловища I собаки. Затем у I собаки происходила остановка дыхания (апноэ), обусловленная поступлением к ее голове крови от туловища II собаки. Однако сам Л. Фредерик, так же, как и другие ученые того времени, считал, что такие изменения дыхания обусловлены тем, что кровь с измененным газовым составом «омывает» сам дыхательный центр. И только через много лет выяснилось, что его нейроны не обладают чувствительностью к химическим веществам. Лишь в 50-х г.г. XX века группой западноевропейских физиологов Дж. Лойзеном, Х. Лешке, М.Шлефке, Р. Митчеллом и др. были открыты и изучены центральные хеморецепторы. Установлено, что они находятся на вентральной поверхности продолговатого мозга латеральнее пирамид (около корешков блуждающего и подъязычного нервов) на глубине не более 0,2 мм вблизи дыхательного центра, нейроны которого лежат глубже. Поэтому центральные хеморецепторы образно называют «контролер под боком у центра». Они образуют два рецептивных поля - M и L, между которыми расположено небольшое поле S. Рецепторы полей M и L возбуждаются при уменьшении рН межклеточной жидкости мозга. Оно может быть вызвано: 1) снижением рН спинномозговой жидкости (в норме 7,32), обусловленным повышением напряжения углекислого газа в артериальной крови и его диффузией через гематоэнцефалический барьер, которой способствует расширение сосудов головного мозга в этих условиях. При изменении напряжения углекислого газа в крови изменяется рН не только спинномозговой жидкости, но и крови, однако в меньшей степени, благодаря значительно большему, чем в ликворе, содержанию белков; 2) изменениями местного кровотока и метаболизма.
Рецепторы поля S не чувствуют изменения рН. Однако они необходимы для реализации эффектов возбуждения полей M и L, которые исчезают при разрушении поля S.
Центральные хеморецепторы не реагируют на гипоксию. Это доказывается тем, что после денервации периферических хеморецепторов этот фактор не оказывает стимулирующего влияния на дыхание.
Таким образом, артериальные хеморецепторы наиболее чувствительны к снижению напряжения кислорода в крови, тогда как медуллярные – к уменьшению рН межклеточной жидкости мозга.
Центральные рецепторы газовых показателей, так же, как и периферические, обильно васкуляризированы.
При сопоставлении их роли в регуляции дыхания необходимо учесть, что для человека и наземных животных получение кислорода не является проблемой. Гораздо труднее отдавать углекислый газ, который не может диффундировать через ороговевшие покровы тела, а интенсивность его образования высока. Затруднение элиминиции углекислого газа приводит к тому, что главным регулятором дыхания является напряжение углекислого газа во внутренней среде. Поэтому основное значение для дыхания имеет не гипоксический стимул, а гиперкапнический. Вследствие этого лидирующее положение в регуляции дыхания занимают медуллярные хеморецепторы. После удаления артериальных хеморецепторов у животного не развиваются резкие нарушения дыхания, хотя, как уже указывалось, оно и перестает отвечать на гипоксию. Периферические хеморецепторы, в первую очередь синокаротидные, являются, главным образом, «аварийным» механизмом защиты от недостатка кислорода, когда из-за нарушения окислительного метаболизма в мозге происходит снижение или исчезновение чувствительности медуллярных хеморецепторов.
Раздражение последних вызывает более выраженные изменения дыхания, чем раздражение периферических рецепторов. Например, уменьшение рН спинномозговой жидкости всего на 0,01 приводит к возрастанию минутного объема дыхания на 4 л. Однако скорость реагирования периферических рецепторов на изменение газовых показателей выше, чем центральных. Так, на повышение напряжения углекислого газа в артериальной крови первые отвечают через 3-5 сек, тогда как вторые – через 20-30 сек. Это связано с необходимостью диффузии этого газа в спинномозговую жидкость, а затем в ткань мозга. Поэтому особенно важную роль при внезапных изменениях напряжения углекислого газа в крови играют периферические хеморецепторы.
Таким образом, взаимодействие периферических и центральных хеморецепторов имеет важное физиологическое значение.
Импульсы от рецепторов газовых показателей поступают к следующему звену функциональной системы – нервному центру.
Третье звено – дыхательный центр. Это совокупность нейронов, расположенных на разных уровнях центральной нервной системы, обеспечивающих соответствие дыхания изменяющимся метаболическим запросам организма. Исследования, проведенные в 1812 г. Ц.Легаллуа (перерезка мозга у птиц), в 1842 г. М.Флурансом (раздражение и разрушение участков продолговатого мозга) позволили научно объяснить установленный еще во II веке Галеном факт остановки дыхания при повреждении центральной нервной системы ниже продолговатого мозга. Флуранс представлял дыхательный центр («жизненный узел») как зону размером с булавочную головку. Более точно его локализацию установил Н.А.Миславский в 1885 г. путем точечного раздражения и разрушения отдельных участков продолговатого мозга. В результате он определил, что дыхательный центр находится в ретикулярной формации в области дна IV желудочка и является парным, при этом каждая его половина иннервирует дыхательные мышцы ипсилатеральной (той же) стороны тела. Н.А.Миславский также показал, что дыхательный центр состоит из центра вдоха и центра выдоха. Однако, в 1956 г. Баумгартен доказал, что четкой границы между этими центрами не существует, но имеются участки, где расположены преимущественно инспираторные и экспираторные нейроны. В 1923 г. Лумсден, а затем и другие исследователи установили, что дыхательный центр имеет более сложную организацию – в его состав также входят структуры, расположенные в верхней части варолиевого моста.
Согласно современным представлениям (на основании результатов перерезки центральной нервной системы на различных уровнях, разрушения и раздражения локальных участков мозга, регистрации потенциалов действия отдельных нейронов с помощью микроэлектродов), различают следующие уровни дыхательного центра:
1. Спинальный – мотонейроны, аксоны которых иннервируют диафрагму (расположены в передних рогах серого вещества спинного мозга на уровне С III-V), межреберные мышцы и мышцы живота (на уровне Th I-XII). Этот отдел дыхательного центра получает нисходящие влияния по ретикулоспинальному тракту. Самостоятельного значения не имеет, поскольку, как уже отмечалось, после отделения головного мозга от спинного дыхание прекращается (при перерезке спинного мозга ниже шейного отдела сохраняется только диафрагмальное дыхание). Роль его заключается в изменениии силы сокращения мышц-респираторов в зависимости от сопротивления дыханию.
2. Бульбопонтинный (центральный дыхательный механизм) – структуры продолговатого мозга и варолиевого моста. После перерезки мозга между этими отделами дыхание, хотя и измененное, сохраняется. Это указывает на то, что важнейшие структуры дыхательного центра находятся в продолговатом мозге и обладают автоматией – непрерывной спонтанной ритмической импульсной активностью (это свойственно только инспираторным нейронам). Впервые это свойство было обнаружено И.М.Сеченовым, который в 1882 г. зарегистрировал спонтанные изменения биопотенциалов в клетках продолговатого мозга лягушки. Автоматия дыхательного центра отличается от автоматии проводящей системы сердца тем, что: 1) существенно зависит от взаимодействия многих нейронов, важное значение среди которых имеют тормозные; 2) поддерживается тонической специфической импульсацией (от хеморецепторов) и неспецифической (от множества других рецепторов, поступающей по коллатералям проводниковых путей в ретикулярную формацию, а от нее – к дыхательному центру). Тонус ретикулярной формации, определяющий «фон» работы мозга, заставляет «бодрствовать» и дыхательный центр. Поэтому после обширной деафферентации (прерывания потока импульсов от внутренних органов и сосудов) у новорожденного животного происходит постепенное, в течение 30 минут, угасание автоматии (Сергиевский, Широкий, 1961). Этот уровень дыхательного центра обеспечивает регуляцию дыхания в покое.
3. Гипоталамо-лимбико-ретикулярные структуры и кора больших полушарий. Значение этих структур в обеспечении соответствия дыхания метаболическим запросам организма доказывается тем, что после перерезки мозгового ствола между средним мозгом и мостом у животных существенно нарушается дыхание при нагрузке. В лаборатории Э.А.Асратяна было показано, что после декортикализации собака задыхалась при попытке встать и сделать несколько шагов, тогда как в покое ее дыхание было нормальным. Следовательно, указанный уровень обеспечивает регуляцию дыхания в состоянии физического или эмоционального напряжения. При этом он осуществляет интеграцию дыхания с соматическими компонентами поведенческих актов (гипоталамус) и произвольную регуляцию дыхания (кора).
Центры гипоталамуса стимулируют инспираторные нейроны бульбарного отдела дыхательного центра, что приводит к усилению дыхания в условиях общей защитной реакции организма (при болевых воздействиях, физической работе, эмоциональном возбуждении), а также к увеличению его частоты при повышении температуры тела (тепловая одышка).
Электрическая стимуляция лимбической системы переднего мозга угнетает дыхание.
Кора больших полушарий влияет на деятельность бульбарного отдела дыхательного центра либо прямо (через кортико-бульбарные пути), либо опосредованно (через подкорковые структуры – стриопаллидарную и лимбическую системы, гипоталамус, ретикулярную формацию). В коре нет участков, специфически регулирующих дыхание, поскольку его изменения возникают при раздражении множества областей коры. Однако, они наиболее выражены при раздражении соматосенсорной и орбитальной зон.
Кора обеспечивает наиболее тонкое приспособление дыхания к изменяющимся условиям существования. Это достигается за счет образования условных рефлексов. Впервые условные дыхательные рефлексы были выработаны В.М.Бехтеревым и В.П.Протопоповым. Примером их может служить увеличение вентиляции легких на стук метронома после нескольких его сочетаний с вдыханием воздуха с повышенным содержанием углекислого газа (Г.П.Конради). В естественных условиях выработка таких рефлексов происходит в процессе тренировок. Значение условнорефлекторной регуляции заключается в том, что вызванные ею изменения дыхания опережают возможные сдвиги показателей газового гомеостаза, т.е. имеют упреждающий характер. В результате газовые параметры заранее соответствуют будущим метаболическим потребностям организма. Это регуляция дыхания не по отклонению регулируемого параметра от нормального уровня, а по возмущению. Под последним понимают выведение организма из состояния физиологического покоя. Регуляция по возмущению более точна и оперативна, чем по отклонению.
С участием коры связаны следующие особенности регуляции дыхания у человека.
1. Возможность произвольного управления дыханием. Это необходимо во время речи, пения, игры на духовых инструментах и др. Человек может, с одной стороны, задерживать дыхание: на вдохе на 40-50 секунд (проба Штанге), на выдохе на 35 секунд (проба Генчи); с другой – увеличивать вентиляцию легких (на короткое время до 170 л/мин). Кроме того, он способен определенный промежуток времени поддерживать заданный какими-либо сигналами искусственный ритм дыхания. Это обусловлено представительством дыхательных мышц в коре больших полушарий и существованием нисходящих кортикоспинальных возбуждающих и тормозных влияний на их деятельность.
Рассматриваемая особенность имеет определенные временные ограничения. При чрезмерной задержке дыхания или резком отклонении его минутного объема от физиологически обоснованного возникает сильное возбуждение хеморецепторов, в результате чего развивается «императивный стимул», возвращающий дыхание под контроль бульбарного отдела дыхательного центра вопреки кортикальным влияниям. Следовательно, вмешательство супрапонтинных структур в регуляцию дыхания жестко лимитировано.
2. Относительная независимость дыхательного центра от сигналов, поступающих от хеморецепторов сосудов и механорецепторов легких. Поэтому после гипервентиляции у человека не наступает апноэ, а блокада проведения импульсов по блуждающему нерву, имеющему важную роль в регуляции дыхания, не приводит к брадипноэ.
3. Возможности субъективной оценки газового состава крови и состояния дыхательных путей. Наличие первой демонстрирует газопреферендум (praeferro, лат. – предпочитать) – метод активного выбора предпочитаемых газовых смесей. Он показывает, что человек избегает дыхания смесями, нарушающими газовый гомеостаз. Кроме того, тренированные люди после нагрузки могут почти точно определить степень оксигенации своей крови. О второй возможности свидетельствуют неприятные ощущения при одышке, чувство увеличения сопротивления при обструкции воздухоносных путей или при дыхании через трубки, клапаны.
4. «Самообучение» системы регуляции дыхания – по мере тренировок условные дыхательные рефлексы становятся более точными, т.е. совершенствуется регуляция дыхания по возмущению. У нетренированных людей любая нагрузка вызывает, как правило, гипервентиляцию. С возрастанием степени тренированности последняя исчезает.
5. Зависимость дыхания от активности коры. С одной стороны, ослабление тонических кортикальных влияний (во время сна, при закрытии глаз) приводит к снижению вентиляции легких. С другой стороны, интеллектуальная деятельность сопровождается учащением дыхания. Стресс вызывает и учащение, и углубление дыхания.
6. Значительная индивидуальная вариабельность. По отношению чувствительности разных людей к углекислому газу выделяют гипо- и гипервентиляторов.
Таким образом, дыхательный центр включает нейроны различных уровней центральной нервной системы, образующие функционально подвижные ассоциации. Это способствует наиболее точному соответствию дыхания метаболическим потребностям организма.
Четвертое звено – исполнительные органы. Различают три контура:
1) внешний;
2) внутренний;
3) поведенческий.
Внешний – регулирует потребление кислорода из окружающей среды и выделение в нее углекислого газа за счет изменения глубины и частоты вентиляции легких. Имеет основное значение. Его полезный приспособительный результат – постоянство состава альвеолярной смеси газов.
Внутренний – включается при длительной произвольной задержке дыхания или при дыхании воздухом со сниженным содержанием кислорода. Поддерживает газовый гомеостаз весьма ограниченное время за счет внутренних, генетически детерминированных, вегетативных механизмов – изменения деятельности сердца (силы и частоты сокращений), скорости кровотока, свойств крови (количества эритроцитов, гемоглобина, сродства последнего к кислороду, кислородной емкости крови, ее буферных свойств), интенсивности эритропоэза, функции органов выделения и желез внутренней секреции. Значение этого контура возрастает при нарушении работы внешнего, например, при удалении одного легкого.
Поведенческий – функционирует только в экстремальных ситуациях, когда организм не может длительно поддерживать газовый гомеостаз за счет вышеописанных механизмов. По мере того, как газовые показатели все больше отклоняются от нормы, возникает мотивация по устранению такой ситуации или ее избегания. Это формирует определенное поведение, результаты которого решают данную задачу.
Пятое звено – обратная афферентация. Это мульти-параметрическая импульсация в дыхательный центр от рецепторов о результатах совершенных системой действий, т.е. о степени достижения полезного приспособительного результата. Она адресована находящемуся в дыхательном центре контролирующему аппарату – акцептору результата действия (Полянцев В.А., Фельдшеров Ю.И.). Он работает следующим образом. Как только инспираторные нейроны посылают команды к эффекторам, по коллатералям аксонов этих нейронов копии команд распространяются к специальной группе интернейронов, связанных между собой циклическими соотношениями. Возбуждение в «ловушках» продолжает циркулировать до поступления обратной афферентации от хеморецепторов и рецепторов растяжения легких (см. ниже). Затем происходит ее оценка. Если характер поступающей импульсации соответствует дыхательной потребности, вдох прекращается и после выдоха формируется следующий дыхательный цикл. Если нет – инспираторные нейроны изменяют команду и посылают её вентиляторному аппарату при следующем вдохе.
Следовательно, в функциональной системе дыхания на основе обратных связей все время оценивается дыхательная потребность. С помощью акцептора результата действия она постоянно сопоставляется с количеством и качеством поступившего в легкие воздуха.
Итак, поддержание оптимального для метаболизма уровня газов осуществляется динамической саморегулирующейся функциональной системой. В результате ее деятельности формируется паттерн (рисунок) дыхания, характеризующийся определенными периодикой и ритмикой.
Для того чтобы понять их механизм, необходимо подробнее рассмотреть структуру бульбарного отдела дыхательного центра. В его состав входят ретикулярные нейроны (их биоэлектрическая активность не имеет видимой связи с фазами дыхательного цикла), а также дыхательные и респираторно-связанные (имеют ее).
Ретикулярные нейроны осуществляют связь дыхательных с вышележащими уровнями дыхательного центра и с различными рецепторами.
Респираторно-связанные нейроны иннервируют мышцы верхних дыхательных путей.
Среди дыхательных нейронов различают инспираторные (разряжаются во время вдоха) и экспираторные (активны во время выдоха). В зависимости от соотношения биоэлектрической активности дыхательных нейронов с фазами вдоха и выдоха выделяют:
1) «ранние» инспираторные нейроны – разряжаются с максимальной частотой в начале вдоха;
2) «поздние» инспираторные нейроны – частота их разрядов максимальна в конце вдоха;
3) «полные» инспираторные нейроны – их импульсная активность постоянна или постепенно нарастает в течение вдоха;
4) постинспираторные нейроны – максимально активны в начале выдоха;
5) экспираторные нейроны – их активность постоянна или постепенно увеличивается в течение выдоха;
6) преинспираторные нейроны – разряжаются с максимальной частотой в самом конце выдоха непосредственно перед вдохом.
Как установил московский физиолог В.А.Сафонов (1980), различные типы дыхательных нейронов не разбросаны по отдельности, а образуют своеобразные микрокомплексы, в которых формируется автоматия дыхательного центра – ритмообразующие группы.
Как уже отмечалось, в дыхательном центре нет четко ограниченных центров вдоха и выдоха, но имеются отделы продолговатого мозга, где расположены преимущественно инспираторные или экспираторные нейроны.
Первые находятся в двух участках с обеих сторон продолговатого мозга: более латерально – в ростральном отделе обоюдного ядра (инспираторная зона вентрального дыхательного ядра) и медиальнее – в области, прилегающей к одиночному пучку (дорсальное дыхательное ядро). Первая группа образована «ранними», «полными», «поздними» инспираторными и постинспираторными нейронами), вторая – «поздними» и «полными» инспираторными нейронами. Медиальная инспираторная область несколько меньше, чем латеральная. Аксоны ее нейронов образуют синапсы с мотонейронами диафрагмального нерва. Аксоны инспираторных нейронов латеральной зоны – с мотонейронами межреберных мышц и частично с мотонейронами диафрагмы (кроме «ранних» инспираторных и постинспираторных, которые контактируют только с другими типами дыхательных нейронов, т.е. их аксоны не выходят за пределы продолговатого мозга, вследствие чего их называют проприобульбарными нейронами.
Экспираторные нейроны находятся в n.retroambiqualis – участках, расположенных латеральнее и каудальнее обоюдного ядра (экспираторная зона вентрального дыхательного ядра).
Таким образом, дорсальное дыхательное ядро образовано преимущественно инспираторными нейронами (содержит только 5% экспираторных нейронов), а вентральное – и инспираторными, и экспираторными. Синхронизацию деятельности правой и левой половин дыхательного центра обеспечивают проприобульбарные нейроны и экспираторные нейроны комплекса Бетцингера, локализованные ростральнее вентрального дыхательного ядра.
Рассмотрим механизмы, определяющие ритмическую активность дыхательного центра, т.е. циклическую смену возбудительного процесса тормозным, что приводит к смене вдоха на выдох.
1. Внутренний механизм – реализуется на уровне продолговатого мозга. Для его реализации имеют значение несколько факторов. Во-первых, тормозные межклеточные взаимодействия между субпопуляциями инспираторных нейронов медиальной зоны. В ней обнаружены 2 вида нейронов: Rα и Rβ. Активность Rα-нейронов максимальна в начале вдоха и угасает, когда легкие начинают растягиваться. В это время возбуждаются Rβ-нейроны, активность которых достигает максимума при наибольшем растяжении легких. Rα-нейроны возбуждают Rβ-нейроны. Последние разряжаются не только одновременно с Rα-нейронами, но и во время паузы последних. Полагают, что Rβ-нейроны тормозят Rα-нейроны по принципу отрицательной обратной связи. Это прерывает вдох.
Во-вторых, возвратное возбуждение и торможение. На взаимодействии этих процессов основана новая теория генерации дыхательного ритма, разработанная западногерманским физиологом Д. Рихтером. Возбуждаясь, каждый нейрон тормозит два предшествующих ему по фазе, а сам выходит из торможения, т.е. растормаживается. При этом возникают новые, ингибированные ранее структурно-функциональные изменения в системе. Растормаживание обусловлено исчезновением эффектов тормозных нейромедиаторов. «Ранние» инспираторные нейроны освобождаются от торможения со стороны постинспираторных нейронов. Их полное растормаживание совпадает с торможением экспираторных нейронов, вызванным активацией преинспираторных нейронов. «Ранние» инспираторные нейроны возбуждают «полные» инспираторные нейроны. Они образуют цепи, которые работают по принципу положительной обратной связи, т.е. эти нейроны совозбуждают друг друга. Поэтому они активны в течение всего вдоха. К его середине «ранние» инспираторные нейроны вследствие особенностей физиологических свойств их мембраны тормозятся. Это моносинаптически растормаживает «поздние» инспираторные нейроны, которые обеспечивают начальное выключение вдоха. Их активность нарастает из-за поступления импульсов от рецепторов растяжения легких, достигая максимума, когда прекращается активность других типов инспираторных нейронов. В этот момент заканчивается растормаживание постинспираторных нейронов, начавшееся в период снижения частоты разрядов «ранних» инспираторных нейронов. Постинспираторные нейроны тормозят инспираторные, в результате чего выключают инспирацию. После этого начинается пассивная контролируемая экспирация, занимающая первую половину выдоха. В эту фазу активны только постинспираторные нейроны. Все другие нейроны дыхательного центра (кроме респираторно-связанных) заторможены. Затем растормаживаются экспираторные нейроны, которые обеспечивают фазу активной экспирации, соответствующую второй половине выдоха. Они вновь тормозятся в конце выдоха из-за возбуждения преинспираторных нейронов.
Таким образом, цикл активности центрального дыхательного механизма имеет 3 фазы:
1) инспираторная – соответствует вдоху, характеризуется активацией инспираторных нейронов;
2) постинспираторная – соответствует первой половине выдоха, характеризуется торможением инспираторных нейронов;
3) экспираторная – соответствует второй половине выдоха, характеризуется активацией экспираторных нейронов.
2. Второй механизм – реализуется при участии структур верхней трети варолиевого моста. Еще в 1923 г. Лумсден показал, что возбуждение срединного парабрахиального ядра моста приводит к смене вдоха на выдох, и назвал эту область пневмотаксическим или апнейстическим центром. Сейчас установлено, что в его состав входит также и ядро Келликера-Фузе. Первое ядро состоит из инспираторных, экспираторных и фазовопереходных нейронов (последние максимально активны при смене фаз дыхательного цикла), второе – из инспираторных. Дыхательные нейроны варолиевого моста организованы в группы из 10-12 клеток различного типа. Импульсы к ним поступают по аксонам инспираторных нейронов продолговатого мозга. При нарушении связи с продолговатым мозгом дыхательные нейроны моста теряют залповый характер импульсации.
Для реализации рассматриваемого механизма имеют значение реципрокные отношения между дыхательными нейронами продолговатого мозга. Возбуждение инспираторных нейронов «включает» пневмотаксический центр, который активирует экспираторные нейроны. Последние тормозят инспираторные нейроны. Поэтому после поперечной перерезки моста ниже четверохолмия частота дыхания уменьшается, а глубина возрастает вследствие увеличения продолжительности и вдохов, и выдохов. Дыхательные циклы становятся неодинаковыми по продолжительности. Однако, учитывая, что дыхание сохраняется, считают, что этот центр связан с «тонкой настройкой» ритма.
3. Третий механизм – связан с рецепторами растяжения лёгких, которые расположены, главным образом, в гладких мышцах трахеи, бронхов, бронхиол и, в меньшей степени, в паренхиме легких (поэтому правильнее их называть трахеобронхиальными рецепторами растяжения). В каждом легком содержится около 1000 таких рецепторов. Они возбуждаются повышением трансмурального давления, т.е. разности давлений внутри и снаружи дыхательных путей, при вдохе. Импульсы от них по крупным миелиновым волокнам блуждающего нерва (80% всех его волокон, скорость проведения возбуждения 40 м/сек) поступают к β-инспираторным нейронам, которые тормозят α-инспираторные нейроны.
Рецепторы растяжения легких являются медленноадаптирующимися – если легкие длительно раздуты, их активность изменяется мало. Рецепторы растяжения подразделяют на:
1) статические, активность которых зависит от достигнутого объема, и динамические, реагирующие на скорость вдоха;
2) низкопороговые, возбужденные и при вдохе, и при выдохе;
3) высокопороговые, возбуждающиеся только при вдохе (их соотношение 1 : 1).
Доказательством участия рецепторов растяжения легких в переключении фаз дыхательного цикла служит тот факт, что после двухсторонней ваготомии нарушается плавность дыхания, оно урежается и становится глубоким – так называемое «вагусное» дыхание. Если одновременно перерезать варолиев мост между верхней и средней третями, то развивается апнейзис – длительные судорожные вдохи (десятки секунд, минуты), прерываемые короткими выдохами. Впервые такой тип дыхания был зарегистрирован Марквальдом в 1887 г.
Помимо рецепторов растяжения, в воздухоносных путях и легких находятся и другие рецепторы, раздражение которых изменяет дыхание.
1. Ирритантные – расположены в эпителии и субэпителиальном слое стенок дыхательных путей. Импульсы от них передаются по крупным миелиновым волокнам блуждающего нерва. Эти рецепторы являются одновременно и механо-, и хеморецепторами. Они реагируют на: 1 – резкие изменения объема легких, например, на их спадение, что рефлекторно вызывает вдох (объемно-инспираторный рефлекс); 2 – снижение растяжимости ткани легких; 3 – частички пыли, дыма, на холодный воздух и химические раздражители (едкие вещества), что приводит к сужению бронхов, тахипноэ (за счет укорочения выдохов), одышке, а также к защитным рефлексам. Раздражение ирритантных рецепторов сопровождается неприятными ощущениями (першение, жжение). Эти рецепторы являются быстроадаптирующимися, т.е. импульсы в афферентных волокнах от них возникают только на короткое время. С раздражением ирритантных рецепторов связаны периодические глубокие вдохи – «вздохи». Они имеют важное значение – расправляют легкие, чем предотвращают спадение альвеол.
2. J-рецепторы (юкстаальвеолярные, юкстакапиллярные (от juxta, лат. – вблизи) – находятся в интерстиции легких вблизи капилляров альвеол. Реагируют на: 1 – биологически активные вещества (никотин, гистамин, простагландины), поступающие либо из воздухоносных путей, либо из крови; 2 – переполнение кровью капилляров легких и увеличение объема интерстициальной жидкости в стенках альвеол. Импульсы от них распространяются по безмиелиновым С-волокнам блуждающего нерва, что вызывает частое поверхностное дыхание и сужение бронхов. При сильном раздражении этих рецепторов может наступить остановка дыхания. J-рецепторы практически не адаптируются.
3. Проприорецепторы дыхательных мышц – содержатся в мышечных веретенах преимущественно межреберных и брюшных мышц. В диафрагме их мало (10-30). Эти рецепторы возбуждаются при затруднении вдоха или выдоха из-за недостаточного укорочения инспираторных или экспираторных мышц. Импульсы от них через гамма-мотонейроны повышают активность альфа-мотонейронов, что усиливает сокращение соответствующих мышц (проприоцептивный рефлекс), а также направляются к нейронам центрального дыхательного механизма, в результате чего также изменяется деятельность мышц-респираторов. Значение этих рефлексов заключается в обеспечении соответствия механических параметров дыхания сопротивлению респирации для выполнения «задания» центрального дыхательного механизма.
Далее рассмотрим механизмы дыхательной периодики. Она определяется продолжительностью фаз вдоха и выдоха. При спокойном дыхании их соотношение равно 1 : 1,3. Отношение длительности вдоха к общей продолжительности дыхательного цикла называют инспираторным индексом.
В первоначальной теории периодики, разработанной американским нейрофизиологом Р.Ф.Питсом в 1939-1946 г.г., основная роль отводилась трем структурам: центру вдоха, центру выдоха и пневмотаксическому центру (рис. 33).
Вследствие рефлекторного (через хеморецепторы) воздействия повышенного напряжения углекислого газа или сниженных напряжения кислорода и рН на дыхательный центр происходит возбуждение инспираторных нейронов. Оно одновременно передается по двум путям: 1 – к мотонейронам инспираторных мышц, что вызывает вдох; 2 – к нейронам пневмотаксического центра, которые, в свою очередь, возбуждают экспираторные нейроны. Этому же способствуют и влияния от рецепторов растяжения легких. Экспираторные нейроны тормозят инспираторные, что приводит к прекращению вдоха. Следовательно, в данной схеме существуют 2 петли обратной связи – хеморецепторная и механорецепторная. Продолжительность выдоха определяется развитием изменений газового состава крови, необходимых для возбуждения инспираторных нейронов.
Однако оказалось, что между популяциями нейронов существуют более сложные отношения. Это отражает схема Г. Брэдли (1975) (рис.34).
Согласно этой гипотезе, сигналы от центральных и периферических хеморецепторов возбуждают генератор центрального инспираторного возбуждения (ЦИВ), представляющий совокупность α-инспираторных нейронов.
α-инспираторные нейроны возбуждают β-инспираторные нейроны, (отвечают за механизм выключения инспирации (МВИ)), а также мышцы-инспираторы. Происходит вдох. В результате увеличения объема легких и воздухоносных путей раздражаются рецепторы растяжения легких. Афферентные сигналы от них также возбуждают β-инспираторные нейроны. Когда их возбуждение достигает порогового уровня, они тормозят α-инспираторные нейроны, но не непосредственно, а через возбуждение центра торможения инспирации (ЦТИ) – блока С. Он «накапливает» возбуждение, поступающее от β-инспираторных нейронов, в результате временной суммации и разряжается, когда его собственное возбуждение достигнет порога. Т.е., торможение инспирации происходит по принципу «всё или ничего». Возбудимость нейронов блока С уменьшается под влиянием импульсов от хеморецепторов. Поэтому при усилении раздражения последних развивается не только тахипноэ, обусловленное стимуляцией α-инспираторных нейронов, но и гиперпноэ, определяемое увеличением времени, необходимого для того, чтобы возбуждение нейронов блока С достигло порогового уровня. После прекращения инспирации происходит выдох. При спокойном дыхании активность экспираторной зоны не проявляется. При форсированном выдохе происходит возбуждение экспираторных нейронов, обусловленное как прекращением тормозных влияний со стороны α-инспираторных нейронов, так и сигналами от хеморецепторов. Продолжительность выдоха прямо и линейно зависит от длительности предшествующего вдоха.
Возбуждение нейронов блока С во время выдоха постепенно затухает. Это растормаживает генератор ЦИВ. Деятельность всех описанных механизмов контролируется нисходящими влияниями (возбуждающими и тормозными) со стороны вышележащих нейронов и пневмотаксического центра. Последний повышает скорость развития ЦИВ и возбудимость нейронов блока С, а также ускоряет наступление следующей инспирации.
Следует обратить внимание на то, что вдох в нормальных условиях прекращается еще до того, как кислород поступившего в легкие воздуха переходит в кровь и доставляется к тканям, т.е. в условиях, когда на дыхательный центр еще продолжает действовать накопившийся в результате метаболизма углекислый газ. В этом процессе проявляется общий принцип «сенсорного насыщения». Афферентация о поступившем в альвеолы воздухе является гарантией прекращения акта вдоха, т.к. дыхательная потребность организма при поступлении воздуха в альвеолы обязательно будет обеспечена.
Центральный дыхательный ритм модифицируется периферическими стимулами. Различают специфические и неспецифические факторы, влияющие на дыхание. К первым относят факторы, участвующие в регуляции дыхания. Ко вторым – факторы, не участвующие непосредственно в этом процессе, но влияющие на дыхание.
Специфические факторы по природе подразделяют на 2 группы – механические и химические.
1. Механические факторы. В 1868 г. немецкие физиологи Э. Геринг и Й. Брейер обнаружили, что изменение объема легких сопровождается сильными и постоянными дыхательными рефлексами.
Увеличение объёма лёгких приводит к трем эффектам: а) если оно производится при вдохе, то последний преждевременно прекращается – инспираторно-тормозящий рефлекс; б) если оно осуществляется при выдохе, то наступление следующего вдоха задерживается – экспираторно-облегчающий рефлекс; в) если оно чрезмерно сильное, то возникает судорожный вдох («вздох») – парадоксальный эффект Хэда.
Уменьшение объема легких способствует наступлению следующего вдоха – рефлекс на спадение легких.
Рефлекторная дуга рефлексов Геринга-Брейера начинается от рецепторов растяжения легких, афферентные влияния от которых, как уже указывалось, передаются по блуждающему нерву и тормозят α-инспираторные нейроны через β-инспираторные нейроны. Эфферентное звено рефлексов представлено двигательными нервами, снабжающими мышцы-респираторы. Значение рефлексов Геринга-Брейера заключается в регуляции соотношения глубины и частоты дыхания в зависимости от состояния легких. Это повышает экономичность работы дыхательной системы. Рефлексы Геринга-Брейера имеют важное значение у новорожденных (в первые 3-4 дня). У взрослого человека они реализуются только при дыхательных объемах свыше 1 л. Кроме того, они обеспечивают тахипноэ при гиперкапнии и гипоксии, поскольку после «выключения» блуждающих нервов, например, анестетиками, в этих условиях развивается лишь гиперпноэ.
2. Химические факторы. В уже упоминавшемся опыте Л.Фредерика было показано, что нарушение газового состава крови изменяет дыхание. Какими именно факторами это обусловлено, стало понятно только после опытов Дж.Холдена (начало XX века) на человеке, который находился в замкнутом пространстве небольшого объема. В этих условиях даже незначительное повышение содержания углекислого газа во вдыхаемом воздухе, а значит, и в альвеолярной смеси газов, и в артериальной крови, резко увеличивало вентиляцию легких. Это позволяет полагать, что стимуляция дыхания у II собаки была обусловлена поступлением к ее голове крови, обогащенной углекислым газом, от туловища I собаки. Такое изменение дыхания привело к «вымыванию» углекислого газа из крови II собаки. Поступление гипокапнической крови к голове I собаки вызвало у нее остановку дыхания (апноэ).
К специфическим регуляторам дыхания, помимо напряжения углекислого газа в крови, относят и напряжение кислорода, а также рН.
Напряжение углекислого газа. Зависимость вентиляции легких, оцениваемой по минутному объему дыхания (МОД), от напряжения углекислого газа (рСО2) в артериальной крови представлена на рис. 35.
При повышении напряжения углекислого газа в артериальной крови (гиперкапния) до 70 мм рт. ст. происходит возрастание МОД до 75 л за счет увеличения глубины и, в меньшей степени, частоты дыхания. На 1 мм рт. ст. повышения напряжения углекислого газа легочная вентиляция стимулируется на 2-3 л в минуту. Это сопровождается субъективным ощущением одышки (диспноэ).
Описанный эффект связан с опосредованным влиянием углекислого газа на дыхательный центр через хеморецепторы, особенно центральные. Пороговым значением напряжения углекислого газа, необходимым для их минимального возбуждения, является величина 20-30 мм рт. ст. Как уже отмечалось, эти рецепторы чувствительны только к изменению рН, поэтому действие углекислого газа связано с образованием протонов. При повышении напряжения углекислого газа в крови он быстро диффундирует через гематоэнцефалический барьер в ткань мозга. Образующаяся угольная кислота диссоциирует, в результате чего увеличивается концентрация протонов в жидкости, омывающей центральные хеморецепторы.
Увеличение напряжения углекислого газа в артериальной крови свыше 70 мм рт. ст. приводит к гиперполяризации нейронов дыхательного центра, вследствие чего вентиляция легких начинает уменьшаться.
Следовательно, в умеренных концентрациях углекислый газ стимулирует дыхание, а в высоких – угнетает.
рН. На значении этого фактора в регуляции дыхания основана гематогенная теория Винтерштейна (1911), согласно которой возбуждение дыхательного центра вызывает не углекислый газ, а повышение концентрации протонов в результате увеличения содержания угольной кислоты в клетках мозга. Зависимость вентиляции легких от рН артериальной крови представлена на рис.36.
Рис. 36. Влияние рН артериальной крови на МОД.
Примечание. I – в естественных условиях, II – при поддержании постоянного напряжения углекислого газа в артериальной крови.
При уменьшении рН артериальной крови ниже нормального уровня (ацидоз) вентиляция легких возрастает, при повышении (алкалоз) – снижается, но в меньшей степени. Эти изменения опосредованы влияниями преимущественно от центральных и, в меньшей степени, от каротидных хеморецепторов. Уменьшение рН может быть вызвано накоплением либо нелетучих кислот, либо углекислого газа. В первом случае (метаболический ацидоз) увеличение вентиляции выражено слабо: при снижении рН на 0,1 – только на 2 л в минуту. Это обусловлено выпадением стимулирующего влияния углекислого газа на дыхательный центр вследствие его «вымывания» из крови. Однако, если напряжение углекислого газа поддерживать на постоянном уровне (40 мм рт. ст.), то МОД будет изменяться более значительно, но все же в меньшей степени, чем при возрастании напряжения углекислого газа. Это объясняется тем, что протоны значительно хуже, чем углекислый газ, проникают из крови в ткань мозга через гематоэнцефалический барьер.
Снижение рН артериальной крови, вызванное накоплением углекислого газа (респираторный ацидоз), усиливает дыхание в существенно большей степени. Поскольку напряжение углекислого газа и рН связаны друг с другом, встает вопрос о вкладе каждого из этих факторов в стимуляцию дыхания в этом случае. Оказалось, что 60% прироста вентиляции легких обусловлено рефлекторным влиянием углекислого газа на дыхательный центр, а оставшиеся 40% – вызванным им изменением рН крови.
Напряжение кислорода. Прямое доказательство того, что снижение напряжения кислорода в артериальной крови возбуждает хеморецепторы каротидного синуса, в результате чего увеличивается частота импульсов в синокаротидном нерве, было получено Геймансом и Нилом. Зависимость вентиляции легких от напряжения кислорода (рО2) в артериальной крови представлена на рис. 37.
При снижении напряжения кислорода в артериальной крови (гипоксия) наблюдается увеличение легочной вентиляции (за счёт возрастания частоты дыхания), опосредованное импульсами от периферических хеморецепторов. Это приводит к снижению напряжения углекислого газа в артериальной крови и выпадению его эффекта, стимулирующего дыхание. Поэтому МОД повышается незначительно. И лишь когда напряжение кислорода в артериальной крови становится ниже 50 мм рт. ст., происходит более существенное увеличение вентиляции легких. При поддержании напряжения углекислого газа в артериальной крови на уровне 40 мм рт. ст. возрастание МОД при гипоксии выражено в большей степени. Но все же оно менее значительно по сравнению со стимулирующим действием углекислого газа.
Следовательно, роль гипоксии в регуляции дыхания в обычных условиях невелика. Но она возрастает при подъеме на большие высоты.
Таким образом, влияние углекислого газа и протонов на дыхание опосредовано, главным образом, центральными хеморецепторами, а кислорода – исключительно периферическими. Ведущее значение среди специфических факторов имеет напряжение углекислого газа в артериальной крови.
Неспецифические факторы. Как уже указывалось, эти факторы оказывают влияние на легочную вентиляцию, но не участвуют непосредственно в ее регуляции, т.е. они неспецифичны по отношению к дыхательной функции. К ним относят:
1. Изменение температуры:
а) кожи – при сильных тепловых или холодовых воздействиях происходит возбуждение дыхательного центра. Однако, в начальный момент, например, при погружении в холодную или горячую воду, возникает торможение выдоха, в результате чего происходит затяжной вдох;
б) тела – гипер- или умеренная гипотермия стимулируют дыхание, а глубокая гипотермия – угнетает.
2. Боль – как правило, увеличивает вентиляцию легких за счет учащения дыхания. Сильная боль, напротив, может вызвать задержку дыхания.
3. Изменение артериального давления – его повышение сопровождается торможением и инспираторных, и экспираторных нейронов и, следовательно, уменьшением как глубины, так и частоты дыхания. При снижении артериального давления вентиляция легких несколько увеличивается.
4. Гормоны – адреналин (при физической или умственной нагрузке), прогестерон (при беременности) стимулируют дыхание. Эндогенные опиоиды (энкефалины, эндорфины) – угнетают.
5. Раздражение рецепторов слизистой оболочки гортани и глотки – приводит к рефлекторному торможению дыхания.
6. Высшие психические влияния, связанные с социальной деятельностью человека (речь, пение и т.д.) – также изменяют дыхание.
7. Факторы, включающиеся во время физической нагрузки. Изменения легочной вентиляции в этих условиях характеризуются следующей динамикой:
1) В начале работы с умеренной нагрузкой происходит скачкообразное, а затем более плавное углубление и учащение дыхания, в результате чего увеличивается МОД (максимально до 120 л). Эта фаза связана с нейрогенными факторами:
а) центральная коиннервация – обусловлена тем, что импульсы от двигательных центров коры больших полушарий поступают не только к скелетным мышцам, но и иррадиируют к дыхательному центру;
б) афферентация от проприорецепторов работающих мышц - также способствует активации дыхательного центра (регуляция по возмущению). Об этом свидетельствуют опыты М.Е.Маршака – после наложения на работающую конечность жгута, останавливающего отток венозной крови с повышенным содержанием углекислого газа и лактата, уже в первые минуты развивалась стимуляция дыхания;
в) условнорефлекторная регуляция – стимулирует дыхание еще до начала мышечной деятельности, например, перед стартом у спортсменов. Это регуляция по возмущению;
г) выброс катехоламинов в кровь, сопутствующий повышению симпатических влияний.
2) Через 3-4 минуты уровень легочной вентиляции стабилизируется (плато) и точно соответствует потреблению кислорода. Это сопряжение обусловлено вышеописанными нейрогенными влияниями и обратной связью через хеморецепторы. Если вентиляция начинает отставать от энергозатрат организма, в крови повышается содержание углекислого газа и других кислых продуктов метаболизма и снижается напряжение кислорода. Это стимулирует центральный дыхательный механизм, в результате чего происходит компенсаторный рост вентиляции – регуляция по отклонению. Повышению МОД способствует и возрастание температуры тела, увеличивающее частоту дыхания через центры гипоталамуса.
При тяжёлых нагрузках происходит отставание кислородного снабжения мышц, вследствие чего в крови повышается содержание продуктов анаэробного гликолиза, главным образом, лактата (метаболический ацидоз). Рефекторно (через хеморецепторы) это вызывает рост вентиляции, опережающий потребление кислорода и образование углекислого газа. В результате развивается гипокапния и дыхательный алкалоз.
3) После окончания работы, благодаря «выключению» нейрогенных стимулов, вентиляция легких резко снижается. Но еще некоторое время она остается повышенной за счет возбуждения хеморецепторов недоокисленными продуктами обмена (молочная и другие органические кислоты). Это необходимо для погашения кислородного долга – разности между количеством кислорода, требуемого для покрытия всех энерготрат (кислородный запрос) и количеством кислорода, фактически потребленного за время работы.
По мере тренировок, как уже отмечалось, регуляция дыхания становится более совершенной. У тренированных людей рост МОД происходит преимущественно за счет углубления, а не учащения дыхания, что увеличивает вентиляцию альвеол. У них повышается кислородная емкость крови, ее буферные резервы и величина максимального потребления кислорода (до 4-5 л в минуту, а у нетренированного человека она составляет 2-3 л в минуту.
Таким образом, дыхательный центр постоянно получает информацию не только о дыхательной потребности организма (специфические факторы), но и о его состоянии (неспецифические). Это определяет процессы афферентного синтеза в функциональной системе дыхания, в результате которого инспираторные нейроны дыхательного центра на основе молекулярных процессов «принимают решение» «взять» необходимое количество воздуха. В форме нервных импульсов оно адресуется к исполнительному мышечному аппарату.
Далее рассмотрим механизмы, поддерживающие газовый гомеостаз организма в условиях изменённой газовой среды, в которой человек может оказаться в процессе трудовой и исследовательской деятельности.
На высоте 2,5-3,5 км развиваются следующие срочные адаптационные реакции:
1. Увеличение вентиляции легких, обусловленное тем, что уменьшение напряжения кислорода в крови становится достаточным для стимуляции периферических хеморецепторов. Это улучшает снабжение тканей кислородом. Однако усиление дыхания имеет и отрицательные последствия:
1) увеличивает расход кислорода на работу дыхательных мышц;
2) приводит к снижению парциального давления углекислого газа в альвеолярной газовой смеси и в крови (гипокапния) и к выпадению его стимулирующего влияния на дыхательный центр;
3) гипокапния вызывает спазм сосудов головного мозга, что еще больше ухудшает снабжение последнего кислородом.
2. Стимуляция эритропоэза, приводящая к увеличению числа эритроцитов в крови.
3. Повышение содержания гемоглобина в эритроцитах, вызывающее возрастание кислородной емкости крови.
4. Увеличение содержания 2,3-дифосфоглицерата в эритроцитах, что сдвигает кривую диссоциации оксигемоглобина вправо, т.е. уменьшает сродство гемоглобина к кислороду и улучшает отдачу последнего тканям.
5. Учащение сердечных сокращений и повышение артериального давления.
На высоте 4-5 км указанные механизмы не могут компенсировать недостаток кислорода, поэтому развивается высотная (горная) болезнь. Ее признаками являются слабость, тошнота, цианоз, брадикардия, гипотензия, головные боли, уменьшение глубины дыхания, нарушения со стороны психики (эйфория, расстройства координации и др.).
На высоте свыше 7 км наступают опасные для жизни нарушения дыхания и кровообращения. Особенно чувствительны к недостатку кислорода клетки мозга, в которых окислительные процессы протекают наиболее интенсивно.
Устойчивость к гипоксии характеризуется большими индивидуальными различиями. В эксперименте этот показатель оценивается по соотношению «время жизни / время реституции (восстановления)» при сублетальной гипоксии («подъём» в барокамере на высоту 11 км над уровнем моря). Такое соотношение у высокоустойчивых животных больше 1,0, а у низкоустойчивых – меньше.
Устойчивость к гипоксии может быть повышена в процессе тренировок короткими гипоксическими сеансами в барокамере. Адаптация к гипоксии повышает устойчивость организма не только к этому фактору, но и ко многим другим, т.е. обладает «перекрестным» защитным эффектом. Вследствие этого она имеет значительный спектр лечебных и профилактических эффектов и широко используется в клинике.
Длительное воздействие пониженного атмосферного давления в горах вызывает акклиматизацию к недостатку кислорода, обеспечивающую более экономичные приспособительные реакции:
1. Развитие гипоксической «глухоты» – значительное ослабление реакции дыхания на снижение парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе.
2. Повышение содержания в эритроцитах гемоглобина F, обладающего значительно большим по сравнению с гемоглобином А сродством к кислороду.
3. Снижение уровня 2,3-дифосфоглицерата в эритроцитах. Однако у коренных жителей Гималаев – шерпов, живущих на высоте 4 км над уровнем моря, ожидаемый уровень гемоглобина составляет 190 г/л крови, а реальный – 168 г/л. Содержание 2,3-дифосфоглицерата в эритроцитах ниже нормы. Это определяет сдвиг кривой дисоциации оксигемоглобина влево. Следовательно, для организма на больших высотах важнее не облегчить отдачу кислорода тканям, а достичь лучшего насыщения крови кислородом в легких.
4. Повышение плотности кровеносных капилляров в тканях, увеличение их длины и извилистости.
5. Мобилизация внутриклеточных локальных механизмов, например, белков теплового шока и антиоксидантных ферментов, повышающих устойчивость клеток к гипоксии.
6. Увеличение содержания миоглобина в скелетных мышцах и миокарде, а также количества митохондрий и их энергетической эффективности.
Переход от высокого давления к нормальному должен осуществляться постепенно. При быстрой декомпрессии, вследствие снижения растворимости газов, они образуют пузырьки. Кислород и углекислый газ в этом плане менее опасны, т.к. быстро связываются кровью. Особенно опасны пузырьки азота, поскольку они разносятся кровью и закупоривают мелкие сосуды (газовая эмболия). В этих условиях развивается кессонная болезнь, характеризующаяся болями в мышцах, головокружением, рвотой, одышкой, потерей сознания, в тяжелых случаях – параличами. Для лечения этого состояния пострадавшего необходимо вновь подвергнуть действию высокого давления (для растворения пузырьков азота), а затем постепенно произвести декомпрессию.
Метод лечения кислородом при повышенном давлении (до 3-4 атм.) – гипербарическая оксигенация (hyper+barоs, греч. – тяжесть, давление) – применяется в клинике. В результате в крови значительно возрастает содержание физически растворенного кислорода, что повышает его напряжение и увеличивает скорость его диффузии к клеткам.
Таким образом, саморегуляция дыхания – это сложный процесс, протекающий с учетом анализа специфических и неспецифических сенсорных раздражений в дыхательном центре и характеризующийся высокой степенью надёжности вследствие наличия дублирующих механизмов.
Цель регуляции дыхания – обеспечить его интенсивность, адекватную сиюминутным метаболическим потребностям организма. Это может быть достигнуто, прежде всего, за счет изменения вентиляции легких. Различают 12 типов лёгочной вентиляции:
1. Нормовентиляция – вентиляция, при которой парциальное давление углекислого газа в альвеолярной смеси газов близко к 40 мм рт. ст.
2. Гипервентиляция – усиленная по сравнению с метаболическими потребностями организма вентиляция, приводящая к «вымыванию» углекислого газа из альвеолярной газовой смеси, в результате чего его парциальное давление становится ниже 40 мм рт. ст.
3. Гиповентиляция – сниженная по отношению к метаболическим потребностям организма вентиляция, при которой парциальное давление углекислого газа в альвеолах увеличивается свыше 40 мм рт. ст.
4. Повышенная вентиляция – любое возрастание вентиляции, независимо от парциального давления углекислого газа в альвеолярной смеси газов.
5. Эупноэ (eu, греч. – хорошо, правильно, pnoe, греч. – дыхание) – нормальная вентиляция в покое, сопровождающаяся субъективным ощущением комфорта.
6. Гиперпноэ (hyper, греч. – чрезмерное повышение) – увеличение глубины дыхания, независимо от его частоты.
7. Тахипноэ (tachys, греч. – скорый, быстрый) – возрастание частоты дыхания.
8. Брадипноэ (bradys, греч. – медленный) – урежение дыхания.
9. Апноэ (а, греч. – отсутствие чего-либо) – остановка дыхания в результате отсутствия физиологической стимуляции дыхательного центра при снижении напряжения углекислого газа в артериальной крови.
10. Диспноэ (dys,греч. – расстройство) – неприятное субъективное ощущение недостаточности или затрудненности дыхания (одышка).
11. Ортопноэ (orthos, греч. – прямой) – выраженная одышка, обусловленная застоем крови в капиллярах легких в результате недостаточности левого сердца. Усугубляется в горизонтальном положении.
12. Асфиксия (asphyxia, греч. – удушье) – остановка дыхания, обусловленная, главным образом, параличом дыхательного центра и приводящая к гипоксии (недостаточному снабжению тканей кислородом) и гиперкапнии (повышению напряжения углекислого газа в крови).
Как и любая другая физиологическая функция, дыхание регулируется соответствующей функциональной системой, которая, благодаря наличию обратной афферентации, является саморегулирующейся. Поэтому правильнее говорить о саморегуляции дыхания.
Функциональная система, обеспечивающая
оптимальный для метаболизма уровень газов
Первое звено – полезный приспособительный результат. Им является поддержание оптимального уровня показателей газового гомеостаза в тканях – напряжения кислорода и углекислого газа. С последним параметром связан рН. Это конечный результат деятельности рассматриваемой системы. Предконечный, тесно с ним связанный, – показатели газового гомеостаза в крови. Поддержание последних на постоянном уровне дает надежную гарантию газового гомеостаза в тканях. Указанные параметры являются относительно жесткими константами – при серьезном их смещении организм может существовать не более нескольких минут. оптимальный для метаболизма уровень газов
Второе звено – рецепторы. Изменения показателей газового гомеостаза воспринимаются хеморецепторами. Их подразделяют на центральные и периферические.
Периферические хеморецепторы расположены в стенках сосудов и в тканях. Особенно много их в параганглиях каротидных синусов (в области бифуркации общей сонной артерии) и дуги аорты. Функция их стала понятна после опытов с денервацией рецепторов, их электрической стимуляцией, перфузией, регистрацией импульсов в иннервирующих их волокнах. Наибольшее значение имеют каротидные рецепторы, а аортальные играют роль преимущественно в регуляции кровообращения. Синокаротидные рецепторы впервые были описаны в конце 20-х г.г. XX века бельгийским фармакологом Ж. Геймансом и его сыном К. Геймансом. Они расположены в особых маленьких тельцах – гломусах (масса каждого 2 мг), образованных крупными эпителиоидными клетками I типа, окруженными мелкими интерстициальными клетками II типа. Гломерулярные клетки интенсивно флуоресцируют при специальной обработке вследствие наличия в них дофамина. Ранее считалось, что именно они являются хеморецепторами, но по последним данным эту роль играют афферентные окончания иннервирующего каротидные тельца синусного нерва (нерва Геринга) – веточки языкоглоточного нерва. Аортальные тельца иннервируются волокнами блуждающего нерва. Каротидные тельца обильно кровоснабжаются – удельный кровоток в них составляет 20 мл/мин×г. Вследствие этого артерио-венозная разница по кислороду очень мала, поэтому чувствительность этих рецепторов к его недостатку необычайно высока – частота импульсов от них изменяется даже при смене фаз дыхательного цикла. Тоническое возбуждение этих рецепторов, в котором они находятся в обычных условиях, исчезает только при напряжении кислорода свыше 170 мм рт. ст. При недостаточном поступлении этого газа к клеткам каротидного тельца в них снижается образование АТФ, что приводит к возбуждению рецепторов.
Артериальные хеморецепторы возбуждаются, в основном, при снижении напряжения кислорода в крови, в меньшей степени – при возрастании напряжения углекислого газа (каротидные и аортальные) и падении рН (только каротидные). Это доказывается тем, что при сдвигах двух последних показателей импульсация от периферических рецепторов определяет лишь 20% изменения дыхания.
Периферические рецепторы чувствительны только к физически растворенным газам, а не к общему их содержанию в крови, что показано в опытах московского физиолога и клинициста Л.Л.Шика: при снижении содержания гемоглобина или при связывании его с угарным газом, сопровождающимися резким уменьшением количества кислорода в крови, приводящим к кислородному голоданию тканей, изменения дыхания не развивались. В то же время, при снижении атмосферного давления, когда уменьшалось напряжение кислорода в крови, наблюдалось учащение дыхания.
Чувствительность периферических хеморецепторов контролируется автономной нервной системой: увеличение симпатических влияний повышает её, тогда как парасимпатических – снижает.
Центральные (медуллярные) хеморецепторы. На их существование указывает классический опыт французского исследователя Л. Фредерика (1882) с перекрестным кровообращением. В условиях наркоза и искусственного дыхания было произведено перекрестное соединение перерезанных концов внутренних сонных артерий и яремных вен двух собак. Другие сосуды шеи пережимались. После перекрытия трахеи у I собаки наблюдали увеличение глубины и частоты дыхания (гипер- и тахипноэ) у II собаки, обусловленное поступлением к ее голове крови от туловища I собаки. Затем у I собаки происходила остановка дыхания (апноэ), обусловленная поступлением к ее голове крови от туловища II собаки. Однако сам Л. Фредерик, так же, как и другие ученые того времени, считал, что такие изменения дыхания обусловлены тем, что кровь с измененным газовым составом «омывает» сам дыхательный центр. И только через много лет выяснилось, что его нейроны не обладают чувствительностью к химическим веществам. Лишь в 50-х г.г. XX века группой западноевропейских физиологов Дж. Лойзеном, Х. Лешке, М.Шлефке, Р. Митчеллом и др. были открыты и изучены центральные хеморецепторы. Установлено, что они находятся на вентральной поверхности продолговатого мозга латеральнее пирамид (около корешков блуждающего и подъязычного нервов) на глубине не более 0,2 мм вблизи дыхательного центра, нейроны которого лежат глубже. Поэтому центральные хеморецепторы образно называют «контролер под боком у центра». Они образуют два рецептивных поля - M и L, между которыми расположено небольшое поле S. Рецепторы полей M и L возбуждаются при уменьшении рН межклеточной жидкости мозга. Оно может быть вызвано: 1) снижением рН спинномозговой жидкости (в норме 7,32), обусловленным повышением напряжения углекислого газа в артериальной крови и его диффузией через гематоэнцефалический барьер, которой способствует расширение сосудов головного мозга в этих условиях. При изменении напряжения углекислого газа в крови изменяется рН не только спинномозговой жидкости, но и крови, однако в меньшей степени, благодаря значительно большему, чем в ликворе, содержанию белков; 2) изменениями местного кровотока и метаболизма.
Рецепторы поля S не чувствуют изменения рН. Однако они необходимы для реализации эффектов возбуждения полей M и L, которые исчезают при разрушении поля S.
Центральные хеморецепторы не реагируют на гипоксию. Это доказывается тем, что после денервации периферических хеморецепторов этот фактор не оказывает стимулирующего влияния на дыхание.
Таким образом, артериальные хеморецепторы наиболее чувствительны к снижению напряжения кислорода в крови, тогда как медуллярные – к уменьшению рН межклеточной жидкости мозга.
Центральные рецепторы газовых показателей, так же, как и периферические, обильно васкуляризированы.
При сопоставлении их роли в регуляции дыхания необходимо учесть, что для человека и наземных животных получение кислорода не является проблемой. Гораздо труднее отдавать углекислый газ, который не может диффундировать через ороговевшие покровы тела, а интенсивность его образования высока. Затруднение элиминиции углекислого газа приводит к тому, что главным регулятором дыхания является напряжение углекислого газа во внутренней среде. Поэтому основное значение для дыхания имеет не гипоксический стимул, а гиперкапнический. Вследствие этого лидирующее положение в регуляции дыхания занимают медуллярные хеморецепторы. После удаления артериальных хеморецепторов у животного не развиваются резкие нарушения дыхания, хотя, как уже указывалось, оно и перестает отвечать на гипоксию. Периферические хеморецепторы, в первую очередь синокаротидные, являются, главным образом, «аварийным» механизмом защиты от недостатка кислорода, когда из-за нарушения окислительного метаболизма в мозге происходит снижение или исчезновение чувствительности медуллярных хеморецепторов.
Раздражение последних вызывает более выраженные изменения дыхания, чем раздражение периферических рецепторов. Например, уменьшение рН спинномозговой жидкости всего на 0,01 приводит к возрастанию минутного объема дыхания на 4 л. Однако скорость реагирования периферических рецепторов на изменение газовых показателей выше, чем центральных. Так, на повышение напряжения углекислого газа в артериальной крови первые отвечают через 3-5 сек, тогда как вторые – через 20-30 сек. Это связано с необходимостью диффузии этого газа в спинномозговую жидкость, а затем в ткань мозга. Поэтому особенно важную роль при внезапных изменениях напряжения углекислого газа в крови играют периферические хеморецепторы.
Таким образом, взаимодействие периферических и центральных хеморецепторов имеет важное физиологическое значение.
Импульсы от рецепторов газовых показателей поступают к следующему звену функциональной системы – нервному центру.
Третье звено – дыхательный центр. Это совокупность нейронов, расположенных на разных уровнях центральной нервной системы, обеспечивающих соответствие дыхания изменяющимся метаболическим запросам организма. Исследования, проведенные в 1812 г. Ц.Легаллуа (перерезка мозга у птиц), в 1842 г. М.Флурансом (раздражение и разрушение участков продолговатого мозга) позволили научно объяснить установленный еще во II веке Галеном факт остановки дыхания при повреждении центральной нервной системы ниже продолговатого мозга. Флуранс представлял дыхательный центр («жизненный узел») как зону размером с булавочную головку. Более точно его локализацию установил Н.А.Миславский в 1885 г. путем точечного раздражения и разрушения отдельных участков продолговатого мозга. В результате он определил, что дыхательный центр находится в ретикулярной формации в области дна IV желудочка и является парным, при этом каждая его половина иннервирует дыхательные мышцы ипсилатеральной (той же) стороны тела. Н.А.Миславский также показал, что дыхательный центр состоит из центра вдоха и центра выдоха. Однако, в 1956 г. Баумгартен доказал, что четкой границы между этими центрами не существует, но имеются участки, где расположены преимущественно инспираторные и экспираторные нейроны. В 1923 г. Лумсден, а затем и другие исследователи установили, что дыхательный центр имеет более сложную организацию – в его состав также входят структуры, расположенные в верхней части варолиевого моста.
Согласно современным представлениям (на основании результатов перерезки центральной нервной системы на различных уровнях, разрушения и раздражения локальных участков мозга, регистрации потенциалов действия отдельных нейронов с помощью микроэлектродов), различают следующие уровни дыхательного центра:
1. Спинальный – мотонейроны, аксоны которых иннервируют диафрагму (расположены в передних рогах серого вещества спинного мозга на уровне С III-V), межреберные мышцы и мышцы живота (на уровне Th I-XII). Этот отдел дыхательного центра получает нисходящие влияния по ретикулоспинальному тракту. Самостоятельного значения не имеет, поскольку, как уже отмечалось, после отделения головного мозга от спинного дыхание прекращается (при перерезке спинного мозга ниже шейного отдела сохраняется только диафрагмальное дыхание). Роль его заключается в изменениии силы сокращения мышц-респираторов в зависимости от сопротивления дыханию.
2. Бульбопонтинный (центральный дыхательный механизм) – структуры продолговатого мозга и варолиевого моста. После перерезки мозга между этими отделами дыхание, хотя и измененное, сохраняется. Это указывает на то, что важнейшие структуры дыхательного центра находятся в продолговатом мозге и обладают автоматией – непрерывной спонтанной ритмической импульсной активностью (это свойственно только инспираторным нейронам). Впервые это свойство было обнаружено И.М.Сеченовым, который в 1882 г. зарегистрировал спонтанные изменения биопотенциалов в клетках продолговатого мозга лягушки. Автоматия дыхательного центра отличается от автоматии проводящей системы сердца тем, что: 1) существенно зависит от взаимодействия многих нейронов, важное значение среди которых имеют тормозные; 2) поддерживается тонической специфической импульсацией (от хеморецепторов) и неспецифической (от множества других рецепторов, поступающей по коллатералям проводниковых путей в ретикулярную формацию, а от нее – к дыхательному центру). Тонус ретикулярной формации, определяющий «фон» работы мозга, заставляет «бодрствовать» и дыхательный центр. Поэтому после обширной деафферентации (прерывания потока импульсов от внутренних органов и сосудов) у новорожденного животного происходит постепенное, в течение 30 минут, угасание автоматии (Сергиевский, Широкий, 1961). Этот уровень дыхательного центра обеспечивает регуляцию дыхания в покое.
3. Гипоталамо-лимбико-ретикулярные структуры и кора больших полушарий. Значение этих структур в обеспечении соответствия дыхания метаболическим запросам организма доказывается тем, что после перерезки мозгового ствола между средним мозгом и мостом у животных существенно нарушается дыхание при нагрузке. В лаборатории Э.А.Асратяна было показано, что после декортикализации собака задыхалась при попытке встать и сделать несколько шагов, тогда как в покое ее дыхание было нормальным. Следовательно, указанный уровень обеспечивает регуляцию дыхания в состоянии физического или эмоционального напряжения. При этом он осуществляет интеграцию дыхания с соматическими компонентами поведенческих актов (гипоталамус) и произвольную регуляцию дыхания (кора).
Центры гипоталамуса стимулируют инспираторные нейроны бульбарного отдела дыхательного центра, что приводит к усилению дыхания в условиях общей защитной реакции организма (при болевых воздействиях, физической работе, эмоциональном возбуждении), а также к увеличению его частоты при повышении температуры тела (тепловая одышка).
Электрическая стимуляция лимбической системы переднего мозга угнетает дыхание.
Кора больших полушарий влияет на деятельность бульбарного отдела дыхательного центра либо прямо (через кортико-бульбарные пути), либо опосредованно (через подкорковые структуры – стриопаллидарную и лимбическую системы, гипоталамус, ретикулярную формацию). В коре нет участков, специфически регулирующих дыхание, поскольку его изменения возникают при раздражении множества областей коры. Однако, они наиболее выражены при раздражении соматосенсорной и орбитальной зон.
Кора обеспечивает наиболее тонкое приспособление дыхания к изменяющимся условиям существования. Это достигается за счет образования условных рефлексов. Впервые условные дыхательные рефлексы были выработаны В.М.Бехтеревым и В.П.Протопоповым. Примером их может служить увеличение вентиляции легких на стук метронома после нескольких его сочетаний с вдыханием воздуха с повышенным содержанием углекислого газа (Г.П.Конради). В естественных условиях выработка таких рефлексов происходит в процессе тренировок. Значение условнорефлекторной регуляции заключается в том, что вызванные ею изменения дыхания опережают возможные сдвиги показателей газового гомеостаза, т.е. имеют упреждающий характер. В результате газовые параметры заранее соответствуют будущим метаболическим потребностям организма. Это регуляция дыхания не по отклонению регулируемого параметра от нормального уровня, а по возмущению. Под последним понимают выведение организма из состояния физиологического покоя. Регуляция по возмущению более точна и оперативна, чем по отклонению.
С участием коры связаны следующие особенности регуляции дыхания у человека.
1. Возможность произвольного управления дыханием. Это необходимо во время речи, пения, игры на духовых инструментах и др. Человек может, с одной стороны, задерживать дыхание: на вдохе на 40-50 секунд (проба Штанге), на выдохе на 35 секунд (проба Генчи); с другой – увеличивать вентиляцию легких (на короткое время до 170 л/мин). Кроме того, он способен определенный промежуток времени поддерживать заданный какими-либо сигналами искусственный ритм дыхания. Это обусловлено представительством дыхательных мышц в коре больших полушарий и существованием нисходящих кортикоспинальных возбуждающих и тормозных влияний на их деятельность.
Рассматриваемая особенность имеет определенные временные ограничения. При чрезмерной задержке дыхания или резком отклонении его минутного объема от физиологически обоснованного возникает сильное возбуждение хеморецепторов, в результате чего развивается «императивный стимул», возвращающий дыхание под контроль бульбарного отдела дыхательного центра вопреки кортикальным влияниям. Следовательно, вмешательство супрапонтинных структур в регуляцию дыхания жестко лимитировано.
2. Относительная независимость дыхательного центра от сигналов, поступающих от хеморецепторов сосудов и механорецепторов легких. Поэтому после гипервентиляции у человека не наступает апноэ, а блокада проведения импульсов по блуждающему нерву, имеющему важную роль в регуляции дыхания, не приводит к брадипноэ.
3. Возможности субъективной оценки газового состава крови и состояния дыхательных путей. Наличие первой демонстрирует газопреферендум (praeferro, лат. – предпочитать) – метод активного выбора предпочитаемых газовых смесей. Он показывает, что человек избегает дыхания смесями, нарушающими газовый гомеостаз. Кроме того, тренированные люди после нагрузки могут почти точно определить степень оксигенации своей крови. О второй возможности свидетельствуют неприятные ощущения при одышке, чувство увеличения сопротивления при обструкции воздухоносных путей или при дыхании через трубки, клапаны.
4. «Самообучение» системы регуляции дыхания – по мере тренировок условные дыхательные рефлексы становятся более точными, т.е. совершенствуется регуляция дыхания по возмущению. У нетренированных людей любая нагрузка вызывает, как правило, гипервентиляцию. С возрастанием степени тренированности последняя исчезает.
5. Зависимость дыхания от активности коры. С одной стороны, ослабление тонических кортикальных влияний (во время сна, при закрытии глаз) приводит к снижению вентиляции легких. С другой стороны, интеллектуальная деятельность сопровождается учащением дыхания. Стресс вызывает и учащение, и углубление дыхания.
6. Значительная индивидуальная вариабельность. По отношению чувствительности разных людей к углекислому газу выделяют гипо- и гипервентиляторов.
Таким образом, дыхательный центр включает нейроны различных уровней центральной нервной системы, образующие функционально подвижные ассоциации. Это способствует наиболее точному соответствию дыхания метаболическим потребностям организма.
Четвертое звено – исполнительные органы. Различают три контура:
1) внешний;
2) внутренний;
3) поведенческий.
Внешний – регулирует потребление кислорода из окружающей среды и выделение в нее углекислого газа за счет изменения глубины и частоты вентиляции легких. Имеет основное значение. Его полезный приспособительный результат – постоянство состава альвеолярной смеси газов.
Внутренний – включается при длительной произвольной задержке дыхания или при дыхании воздухом со сниженным содержанием кислорода. Поддерживает газовый гомеостаз весьма ограниченное время за счет внутренних, генетически детерминированных, вегетативных механизмов – изменения деятельности сердца (силы и частоты сокращений), скорости кровотока, свойств крови (количества эритроцитов, гемоглобина, сродства последнего к кислороду, кислородной емкости крови, ее буферных свойств), интенсивности эритропоэза, функции органов выделения и желез внутренней секреции. Значение этого контура возрастает при нарушении работы внешнего, например, при удалении одного легкого.
Поведенческий – функционирует только в экстремальных ситуациях, когда организм не может длительно поддерживать газовый гомеостаз за счет вышеописанных механизмов. По мере того, как газовые показатели все больше отклоняются от нормы, возникает мотивация по устранению такой ситуации или ее избегания. Это формирует определенное поведение, результаты которого решают данную задачу.
Пятое звено – обратная афферентация. Это мульти-параметрическая импульсация в дыхательный центр от рецепторов о результатах совершенных системой действий, т.е. о степени достижения полезного приспособительного результата. Она адресована находящемуся в дыхательном центре контролирующему аппарату – акцептору результата действия (Полянцев В.А., Фельдшеров Ю.И.). Он работает следующим образом. Как только инспираторные нейроны посылают команды к эффекторам, по коллатералям аксонов этих нейронов копии команд распространяются к специальной группе интернейронов, связанных между собой циклическими соотношениями. Возбуждение в «ловушках» продолжает циркулировать до поступления обратной афферентации от хеморецепторов и рецепторов растяжения легких (см. ниже). Затем происходит ее оценка. Если характер поступающей импульсации соответствует дыхательной потребности, вдох прекращается и после выдоха формируется следующий дыхательный цикл. Если нет – инспираторные нейроны изменяют команду и посылают её вентиляторному аппарату при следующем вдохе.
Следовательно, в функциональной системе дыхания на основе обратных связей все время оценивается дыхательная потребность. С помощью акцептора результата действия она постоянно сопоставляется с количеством и качеством поступившего в легкие воздуха.
Итак, поддержание оптимального для метаболизма уровня газов осуществляется динамической саморегулирующейся функциональной системой. В результате ее деятельности формируется паттерн (рисунок) дыхания, характеризующийся определенными периодикой и ритмикой.
Для того чтобы понять их механизм, необходимо подробнее рассмотреть структуру бульбарного отдела дыхательного центра. В его состав входят ретикулярные нейроны (их биоэлектрическая активность не имеет видимой связи с фазами дыхательного цикла), а также дыхательные и респираторно-связанные (имеют ее).
Ретикулярные нейроны осуществляют связь дыхательных с вышележащими уровнями дыхательного центра и с различными рецепторами.
Респираторно-связанные нейроны иннервируют мышцы верхних дыхательных путей.
Среди дыхательных нейронов различают инспираторные (разряжаются во время вдоха) и экспираторные (активны во время выдоха). В зависимости от соотношения биоэлектрической активности дыхательных нейронов с фазами вдоха и выдоха выделяют:
1) «ранние» инспираторные нейроны – разряжаются с максимальной частотой в начале вдоха;
2) «поздние» инспираторные нейроны – частота их разрядов максимальна в конце вдоха;
3) «полные» инспираторные нейроны – их импульсная активность постоянна или постепенно нарастает в течение вдоха;
4) постинспираторные нейроны – максимально активны в начале выдоха;
5) экспираторные нейроны – их активность постоянна или постепенно увеличивается в течение выдоха;
6) преинспираторные нейроны – разряжаются с максимальной частотой в самом конце выдоха непосредственно перед вдохом.
Как установил московский физиолог В.А.Сафонов (1980), различные типы дыхательных нейронов не разбросаны по отдельности, а образуют своеобразные микрокомплексы, в которых формируется автоматия дыхательного центра – ритмообразующие группы.
Как уже отмечалось, в дыхательном центре нет четко ограниченных центров вдоха и выдоха, но имеются отделы продолговатого мозга, где расположены преимущественно инспираторные или экспираторные нейроны.
Первые находятся в двух участках с обеих сторон продолговатого мозга: более латерально – в ростральном отделе обоюдного ядра (инспираторная зона вентрального дыхательного ядра) и медиальнее – в области, прилегающей к одиночному пучку (дорсальное дыхательное ядро). Первая группа образована «ранними», «полными», «поздними» инспираторными и постинспираторными нейронами), вторая – «поздними» и «полными» инспираторными нейронами. Медиальная инспираторная область несколько меньше, чем латеральная. Аксоны ее нейронов образуют синапсы с мотонейронами диафрагмального нерва. Аксоны инспираторных нейронов латеральной зоны – с мотонейронами межреберных мышц и частично с мотонейронами диафрагмы (кроме «ранних» инспираторных и постинспираторных, которые контактируют только с другими типами дыхательных нейронов, т.е. их аксоны не выходят за пределы продолговатого мозга, вследствие чего их называют проприобульбарными нейронами.
Экспираторные нейроны находятся в n.retroambiqualis – участках, расположенных латеральнее и каудальнее обоюдного ядра (экспираторная зона вентрального дыхательного ядра).
Таким образом, дорсальное дыхательное ядро образовано преимущественно инспираторными нейронами (содержит только 5% экспираторных нейронов), а вентральное – и инспираторными, и экспираторными. Синхронизацию деятельности правой и левой половин дыхательного центра обеспечивают проприобульбарные нейроны и экспираторные нейроны комплекса Бетцингера, локализованные ростральнее вентрального дыхательного ядра.
Рассмотрим механизмы, определяющие ритмическую активность дыхательного центра, т.е. циклическую смену возбудительного процесса тормозным, что приводит к смене вдоха на выдох.
1. Внутренний механизм – реализуется на уровне продолговатого мозга. Для его реализации имеют значение несколько факторов. Во-первых, тормозные межклеточные взаимодействия между субпопуляциями инспираторных нейронов медиальной зоны. В ней обнаружены 2 вида нейронов: Rα и Rβ. Активность Rα-нейронов максимальна в начале вдоха и угасает, когда легкие начинают растягиваться. В это время возбуждаются Rβ-нейроны, активность которых достигает максимума при наибольшем растяжении легких. Rα-нейроны возбуждают Rβ-нейроны. Последние разряжаются не только одновременно с Rα-нейронами, но и во время паузы последних. Полагают, что Rβ-нейроны тормозят Rα-нейроны по принципу отрицательной обратной связи. Это прерывает вдох.
Во-вторых, возвратное возбуждение и торможение. На взаимодействии этих процессов основана новая теория генерации дыхательного ритма, разработанная западногерманским физиологом Д. Рихтером. Возбуждаясь, каждый нейрон тормозит два предшествующих ему по фазе, а сам выходит из торможения, т.е. растормаживается. При этом возникают новые, ингибированные ранее структурно-функциональные изменения в системе. Растормаживание обусловлено исчезновением эффектов тормозных нейромедиаторов. «Ранние» инспираторные нейроны освобождаются от торможения со стороны постинспираторных нейронов. Их полное растормаживание совпадает с торможением экспираторных нейронов, вызванным активацией преинспираторных нейронов. «Ранние» инспираторные нейроны возбуждают «полные» инспираторные нейроны. Они образуют цепи, которые работают по принципу положительной обратной связи, т.е. эти нейроны совозбуждают друг друга. Поэтому они активны в течение всего вдоха. К его середине «ранние» инспираторные нейроны вследствие особенностей физиологических свойств их мембраны тормозятся. Это моносинаптически растормаживает «поздние» инспираторные нейроны, которые обеспечивают начальное выключение вдоха. Их активность нарастает из-за поступления импульсов от рецепторов растяжения легких, достигая максимума, когда прекращается активность других типов инспираторных нейронов. В этот момент заканчивается растормаживание постинспираторных нейронов, начавшееся в период снижения частоты разрядов «ранних» инспираторных нейронов. Постинспираторные нейроны тормозят инспираторные, в результате чего выключают инспирацию. После этого начинается пассивная контролируемая экспирация, занимающая первую половину выдоха. В эту фазу активны только постинспираторные нейроны. Все другие нейроны дыхательного центра (кроме респираторно-связанных) заторможены. Затем растормаживаются экспираторные нейроны, которые обеспечивают фазу активной экспирации, соответствующую второй половине выдоха. Они вновь тормозятся в конце выдоха из-за возбуждения преинспираторных нейронов.
Таким образом, цикл активности центрального дыхательного механизма имеет 3 фазы:
1) инспираторная – соответствует вдоху, характеризуется активацией инспираторных нейронов;
2) постинспираторная – соответствует первой половине выдоха, характеризуется торможением инспираторных нейронов;
3) экспираторная – соответствует второй половине выдоха, характеризуется активацией экспираторных нейронов.
2. Второй механизм – реализуется при участии структур верхней трети варолиевого моста. Еще в 1923 г. Лумсден показал, что возбуждение срединного парабрахиального ядра моста приводит к смене вдоха на выдох, и назвал эту область пневмотаксическим или апнейстическим центром. Сейчас установлено, что в его состав входит также и ядро Келликера-Фузе. Первое ядро состоит из инспираторных, экспираторных и фазовопереходных нейронов (последние максимально активны при смене фаз дыхательного цикла), второе – из инспираторных. Дыхательные нейроны варолиевого моста организованы в группы из 10-12 клеток различного типа. Импульсы к ним поступают по аксонам инспираторных нейронов продолговатого мозга. При нарушении связи с продолговатым мозгом дыхательные нейроны моста теряют залповый характер импульсации.
Для реализации рассматриваемого механизма имеют значение реципрокные отношения между дыхательными нейронами продолговатого мозга. Возбуждение инспираторных нейронов «включает» пневмотаксический центр, который активирует экспираторные нейроны. Последние тормозят инспираторные нейроны. Поэтому после поперечной перерезки моста ниже четверохолмия частота дыхания уменьшается, а глубина возрастает вследствие увеличения продолжительности и вдохов, и выдохов. Дыхательные циклы становятся неодинаковыми по продолжительности. Однако, учитывая, что дыхание сохраняется, считают, что этот центр связан с «тонкой настройкой» ритма.
3. Третий механизм – связан с рецепторами растяжения лёгких, которые расположены, главным образом, в гладких мышцах трахеи, бронхов, бронхиол и, в меньшей степени, в паренхиме легких (поэтому правильнее их называть трахеобронхиальными рецепторами растяжения). В каждом легком содержится около 1000 таких рецепторов. Они возбуждаются повышением трансмурального давления, т.е. разности давлений внутри и снаружи дыхательных путей, при вдохе. Импульсы от них по крупным миелиновым волокнам блуждающего нерва (80% всех его волокон, скорость проведения возбуждения 40 м/сек) поступают к β-инспираторным нейронам, которые тормозят α-инспираторные нейроны.
Рецепторы растяжения легких являются медленноадаптирующимися – если легкие длительно раздуты, их активность изменяется мало. Рецепторы растяжения подразделяют на:
1) статические, активность которых зависит от достигнутого объема, и динамические, реагирующие на скорость вдоха;
2) низкопороговые, возбужденные и при вдохе, и при выдохе;
3) высокопороговые, возбуждающиеся только при вдохе (их соотношение 1 : 1).
Доказательством участия рецепторов растяжения легких в переключении фаз дыхательного цикла служит тот факт, что после двухсторонней ваготомии нарушается плавность дыхания, оно урежается и становится глубоким – так называемое «вагусное» дыхание. Если одновременно перерезать варолиев мост между верхней и средней третями, то развивается апнейзис – длительные судорожные вдохи (десятки секунд, минуты), прерываемые короткими выдохами. Впервые такой тип дыхания был зарегистрирован Марквальдом в 1887 г.
Помимо рецепторов растяжения, в воздухоносных путях и легких находятся и другие рецепторы, раздражение которых изменяет дыхание.
1. Ирритантные – расположены в эпителии и субэпителиальном слое стенок дыхательных путей. Импульсы от них передаются по крупным миелиновым волокнам блуждающего нерва. Эти рецепторы являются одновременно и механо-, и хеморецепторами. Они реагируют на: 1 – резкие изменения объема легких, например, на их спадение, что рефлекторно вызывает вдох (объемно-инспираторный рефлекс); 2 – снижение растяжимости ткани легких; 3 – частички пыли, дыма, на холодный воздух и химические раздражители (едкие вещества), что приводит к сужению бронхов, тахипноэ (за счет укорочения выдохов), одышке, а также к защитным рефлексам. Раздражение ирритантных рецепторов сопровождается неприятными ощущениями (першение, жжение). Эти рецепторы являются быстроадаптирующимися, т.е. импульсы в афферентных волокнах от них возникают только на короткое время. С раздражением ирритантных рецепторов связаны периодические глубокие вдохи – «вздохи». Они имеют важное значение – расправляют легкие, чем предотвращают спадение альвеол.
2. J-рецепторы (юкстаальвеолярные, юкстакапиллярные (от juxta, лат. – вблизи) – находятся в интерстиции легких вблизи капилляров альвеол. Реагируют на: 1 – биологически активные вещества (никотин, гистамин, простагландины), поступающие либо из воздухоносных путей, либо из крови; 2 – переполнение кровью капилляров легких и увеличение объема интерстициальной жидкости в стенках альвеол. Импульсы от них распространяются по безмиелиновым С-волокнам блуждающего нерва, что вызывает частое поверхностное дыхание и сужение бронхов. При сильном раздражении этих рецепторов может наступить остановка дыхания. J-рецепторы практически не адаптируются.
3. Проприорецепторы дыхательных мышц – содержатся в мышечных веретенах преимущественно межреберных и брюшных мышц. В диафрагме их мало (10-30). Эти рецепторы возбуждаются при затруднении вдоха или выдоха из-за недостаточного укорочения инспираторных или экспираторных мышц. Импульсы от них через гамма-мотонейроны повышают активность альфа-мотонейронов, что усиливает сокращение соответствующих мышц (проприоцептивный рефлекс), а также направляются к нейронам центрального дыхательного механизма, в результате чего также изменяется деятельность мышц-респираторов. Значение этих рефлексов заключается в обеспечении соответствия механических параметров дыхания сопротивлению респирации для выполнения «задания» центрального дыхательного механизма.
Далее рассмотрим механизмы дыхательной периодики. Она определяется продолжительностью фаз вдоха и выдоха. При спокойном дыхании их соотношение равно 1 : 1,3. Отношение длительности вдоха к общей продолжительности дыхательного цикла называют инспираторным индексом.
В первоначальной теории периодики, разработанной американским нейрофизиологом Р.Ф.Питсом в 1939-1946 г.г., основная роль отводилась трем структурам: центру вдоха, центру выдоха и пневмотаксическому центру (рис. 33).
Рис. 33. Модель Питса.
Условные обозначения:
ПТЦ – пневмотаксический центр,
ИЦ – инспираторный центр,
ИМ – инспираторные мышцы,
РРЛ – рецепторы растяжения легких,
ЭЦ – экспираторный центр.
Условные обозначения:
ПТЦ – пневмотаксический центр,
ИЦ – инспираторный центр,
ИМ – инспираторные мышцы,
РРЛ – рецепторы растяжения легких,
ЭЦ – экспираторный центр.
Вследствие рефлекторного (через хеморецепторы) воздействия повышенного напряжения углекислого газа или сниженных напряжения кислорода и рН на дыхательный центр происходит возбуждение инспираторных нейронов. Оно одновременно передается по двум путям: 1 – к мотонейронам инспираторных мышц, что вызывает вдох; 2 – к нейронам пневмотаксического центра, которые, в свою очередь, возбуждают экспираторные нейроны. Этому же способствуют и влияния от рецепторов растяжения легких. Экспираторные нейроны тормозят инспираторные, что приводит к прекращению вдоха. Следовательно, в данной схеме существуют 2 петли обратной связи – хеморецепторная и механорецепторная. Продолжительность выдоха определяется развитием изменений газового состава крови, необходимых для возбуждения инспираторных нейронов.
Однако оказалось, что между популяциями нейронов существуют более сложные отношения. Это отражает схема Г. Брэдли (1975) (рис.34).
Согласно этой гипотезе, сигналы от центральных и периферических хеморецепторов возбуждают генератор центрального инспираторного возбуждения (ЦИВ), представляющий совокупность α-инспираторных нейронов.
Рис. 34. Модель Брэдли.
Условные обозначения:
ПТЦ – пневмотаксический центр,
Н – нисходящие влияния,
ХР – хеморецепторы,
ЦТИ – центр торможения инспирации,
ГЦИВ – генератор центрального инспираторного возбуждения,
ИМ – инспираторные мышцы,
РРЛ – рецепторы растяжения легких,
МВИ – механизм выключения инспирации.
Условные обозначения:
ПТЦ – пневмотаксический центр,
Н – нисходящие влияния,
ХР – хеморецепторы,
ЦТИ – центр торможения инспирации,
ГЦИВ – генератор центрального инспираторного возбуждения,
ИМ – инспираторные мышцы,
РРЛ – рецепторы растяжения легких,
МВИ – механизм выключения инспирации.
α-инспираторные нейроны возбуждают β-инспираторные нейроны, (отвечают за механизм выключения инспирации (МВИ)), а также мышцы-инспираторы. Происходит вдох. В результате увеличения объема легких и воздухоносных путей раздражаются рецепторы растяжения легких. Афферентные сигналы от них также возбуждают β-инспираторные нейроны. Когда их возбуждение достигает порогового уровня, они тормозят α-инспираторные нейроны, но не непосредственно, а через возбуждение центра торможения инспирации (ЦТИ) – блока С. Он «накапливает» возбуждение, поступающее от β-инспираторных нейронов, в результате временной суммации и разряжается, когда его собственное возбуждение достигнет порога. Т.е., торможение инспирации происходит по принципу «всё или ничего». Возбудимость нейронов блока С уменьшается под влиянием импульсов от хеморецепторов. Поэтому при усилении раздражения последних развивается не только тахипноэ, обусловленное стимуляцией α-инспираторных нейронов, но и гиперпноэ, определяемое увеличением времени, необходимого для того, чтобы возбуждение нейронов блока С достигло порогового уровня. После прекращения инспирации происходит выдох. При спокойном дыхании активность экспираторной зоны не проявляется. При форсированном выдохе происходит возбуждение экспираторных нейронов, обусловленное как прекращением тормозных влияний со стороны α-инспираторных нейронов, так и сигналами от хеморецепторов. Продолжительность выдоха прямо и линейно зависит от длительности предшествующего вдоха.
Возбуждение нейронов блока С во время выдоха постепенно затухает. Это растормаживает генератор ЦИВ. Деятельность всех описанных механизмов контролируется нисходящими влияниями (возбуждающими и тормозными) со стороны вышележащих нейронов и пневмотаксического центра. Последний повышает скорость развития ЦИВ и возбудимость нейронов блока С, а также ускоряет наступление следующей инспирации.
Следует обратить внимание на то, что вдох в нормальных условиях прекращается еще до того, как кислород поступившего в легкие воздуха переходит в кровь и доставляется к тканям, т.е. в условиях, когда на дыхательный центр еще продолжает действовать накопившийся в результате метаболизма углекислый газ. В этом процессе проявляется общий принцип «сенсорного насыщения». Афферентация о поступившем в альвеолы воздухе является гарантией прекращения акта вдоха, т.к. дыхательная потребность организма при поступлении воздуха в альвеолы обязательно будет обеспечена.
Центральный дыхательный ритм модифицируется периферическими стимулами. Различают специфические и неспецифические факторы, влияющие на дыхание. К первым относят факторы, участвующие в регуляции дыхания. Ко вторым – факторы, не участвующие непосредственно в этом процессе, но влияющие на дыхание.
Специфические факторы по природе подразделяют на 2 группы – механические и химические.
1. Механические факторы. В 1868 г. немецкие физиологи Э. Геринг и Й. Брейер обнаружили, что изменение объема легких сопровождается сильными и постоянными дыхательными рефлексами.
Увеличение объёма лёгких приводит к трем эффектам: а) если оно производится при вдохе, то последний преждевременно прекращается – инспираторно-тормозящий рефлекс; б) если оно осуществляется при выдохе, то наступление следующего вдоха задерживается – экспираторно-облегчающий рефлекс; в) если оно чрезмерно сильное, то возникает судорожный вдох («вздох») – парадоксальный эффект Хэда.
Уменьшение объема легких способствует наступлению следующего вдоха – рефлекс на спадение легких.
Рефлекторная дуга рефлексов Геринга-Брейера начинается от рецепторов растяжения легких, афферентные влияния от которых, как уже указывалось, передаются по блуждающему нерву и тормозят α-инспираторные нейроны через β-инспираторные нейроны. Эфферентное звено рефлексов представлено двигательными нервами, снабжающими мышцы-респираторы. Значение рефлексов Геринга-Брейера заключается в регуляции соотношения глубины и частоты дыхания в зависимости от состояния легких. Это повышает экономичность работы дыхательной системы. Рефлексы Геринга-Брейера имеют важное значение у новорожденных (в первые 3-4 дня). У взрослого человека они реализуются только при дыхательных объемах свыше 1 л. Кроме того, они обеспечивают тахипноэ при гиперкапнии и гипоксии, поскольку после «выключения» блуждающих нервов, например, анестетиками, в этих условиях развивается лишь гиперпноэ.
2. Химические факторы. В уже упоминавшемся опыте Л.Фредерика было показано, что нарушение газового состава крови изменяет дыхание. Какими именно факторами это обусловлено, стало понятно только после опытов Дж.Холдена (начало XX века) на человеке, который находился в замкнутом пространстве небольшого объема. В этих условиях даже незначительное повышение содержания углекислого газа во вдыхаемом воздухе, а значит, и в альвеолярной смеси газов, и в артериальной крови, резко увеличивало вентиляцию легких. Это позволяет полагать, что стимуляция дыхания у II собаки была обусловлена поступлением к ее голове крови, обогащенной углекислым газом, от туловища I собаки. Такое изменение дыхания привело к «вымыванию» углекислого газа из крови II собаки. Поступление гипокапнической крови к голове I собаки вызвало у нее остановку дыхания (апноэ).
К специфическим регуляторам дыхания, помимо напряжения углекислого газа в крови, относят и напряжение кислорода, а также рН.
Напряжение углекислого газа. Зависимость вентиляции легких, оцениваемой по минутному объему дыхания (МОД), от напряжения углекислого газа (рСО2) в артериальной крови представлена на рис. 35.
При повышении напряжения углекислого газа в артериальной крови (гиперкапния) до 70 мм рт. ст. происходит возрастание МОД до 75 л за счет увеличения глубины и, в меньшей степени, частоты дыхания. На 1 мм рт. ст. повышения напряжения углекислого газа легочная вентиляция стимулируется на 2-3 л в минуту. Это сопровождается субъективным ощущением одышки (диспноэ).
Рис. 35. Влияние рСО2 в артериальной крови на МОД.
Описанный эффект связан с опосредованным влиянием углекислого газа на дыхательный центр через хеморецепторы, особенно центральные. Пороговым значением напряжения углекислого газа, необходимым для их минимального возбуждения, является величина 20-30 мм рт. ст. Как уже отмечалось, эти рецепторы чувствительны только к изменению рН, поэтому действие углекислого газа связано с образованием протонов. При повышении напряжения углекислого газа в крови он быстро диффундирует через гематоэнцефалический барьер в ткань мозга. Образующаяся угольная кислота диссоциирует, в результате чего увеличивается концентрация протонов в жидкости, омывающей центральные хеморецепторы.
Увеличение напряжения углекислого газа в артериальной крови свыше 70 мм рт. ст. приводит к гиперполяризации нейронов дыхательного центра, вследствие чего вентиляция легких начинает уменьшаться.
Следовательно, в умеренных концентрациях углекислый газ стимулирует дыхание, а в высоких – угнетает.
рН. На значении этого фактора в регуляции дыхания основана гематогенная теория Винтерштейна (1911), согласно которой возбуждение дыхательного центра вызывает не углекислый газ, а повышение концентрации протонов в результате увеличения содержания угольной кислоты в клетках мозга. Зависимость вентиляции легких от рН артериальной крови представлена на рис.36.
Рис. 36. Влияние рН артериальной крови на МОД.
Примечание. I – в естественных условиях, II – при поддержании постоянного напряжения углекислого газа в артериальной крови.
При уменьшении рН артериальной крови ниже нормального уровня (ацидоз) вентиляция легких возрастает, при повышении (алкалоз) – снижается, но в меньшей степени. Эти изменения опосредованы влияниями преимущественно от центральных и, в меньшей степени, от каротидных хеморецепторов. Уменьшение рН может быть вызвано накоплением либо нелетучих кислот, либо углекислого газа. В первом случае (метаболический ацидоз) увеличение вентиляции выражено слабо: при снижении рН на 0,1 – только на 2 л в минуту. Это обусловлено выпадением стимулирующего влияния углекислого газа на дыхательный центр вследствие его «вымывания» из крови. Однако, если напряжение углекислого газа поддерживать на постоянном уровне (40 мм рт. ст.), то МОД будет изменяться более значительно, но все же в меньшей степени, чем при возрастании напряжения углекислого газа. Это объясняется тем, что протоны значительно хуже, чем углекислый газ, проникают из крови в ткань мозга через гематоэнцефалический барьер.
Снижение рН артериальной крови, вызванное накоплением углекислого газа (респираторный ацидоз), усиливает дыхание в существенно большей степени. Поскольку напряжение углекислого газа и рН связаны друг с другом, встает вопрос о вкладе каждого из этих факторов в стимуляцию дыхания в этом случае. Оказалось, что 60% прироста вентиляции легких обусловлено рефлекторным влиянием углекислого газа на дыхательный центр, а оставшиеся 40% – вызванным им изменением рН крови.
Напряжение кислорода. Прямое доказательство того, что снижение напряжения кислорода в артериальной крови возбуждает хеморецепторы каротидного синуса, в результате чего увеличивается частота импульсов в синокаротидном нерве, было получено Геймансом и Нилом. Зависимость вентиляции легких от напряжения кислорода (рО2) в артериальной крови представлена на рис. 37.
При снижении напряжения кислорода в артериальной крови (гипоксия) наблюдается увеличение легочной вентиляции (за счёт возрастания частоты дыхания), опосредованное импульсами от периферических хеморецепторов. Это приводит к снижению напряжения углекислого газа в артериальной крови и выпадению его эффекта, стимулирующего дыхание. Поэтому МОД повышается незначительно. И лишь когда напряжение кислорода в артериальной крови становится ниже 50 мм рт. ст., происходит более существенное увеличение вентиляции легких. При поддержании напряжения углекислого газа в артериальной крови на уровне 40 мм рт. ст. возрастание МОД при гипоксии выражено в большей степени. Но все же оно менее значительно по сравнению со стимулирующим действием углекислого газа.
Следовательно, роль гипоксии в регуляции дыхания в обычных условиях невелика. Но она возрастает при подъеме на большие высоты.
Рис. 37. Влияние рО2 в артериальной крови на МОД.
Примечание. I – в естественных условиях, II – при поддержании постоянного напряжения углекислого газа в артериальной крови.
Примечание. I – в естественных условиях, II – при поддержании постоянного напряжения углекислого газа в артериальной крови.
Таким образом, влияние углекислого газа и протонов на дыхание опосредовано, главным образом, центральными хеморецепторами, а кислорода – исключительно периферическими. Ведущее значение среди специфических факторов имеет напряжение углекислого газа в артериальной крови.
Неспецифические факторы. Как уже указывалось, эти факторы оказывают влияние на легочную вентиляцию, но не участвуют непосредственно в ее регуляции, т.е. они неспецифичны по отношению к дыхательной функции. К ним относят:
1. Изменение температуры:
а) кожи – при сильных тепловых или холодовых воздействиях происходит возбуждение дыхательного центра. Однако, в начальный момент, например, при погружении в холодную или горячую воду, возникает торможение выдоха, в результате чего происходит затяжной вдох;
б) тела – гипер- или умеренная гипотермия стимулируют дыхание, а глубокая гипотермия – угнетает.
2. Боль – как правило, увеличивает вентиляцию легких за счет учащения дыхания. Сильная боль, напротив, может вызвать задержку дыхания.
3. Изменение артериального давления – его повышение сопровождается торможением и инспираторных, и экспираторных нейронов и, следовательно, уменьшением как глубины, так и частоты дыхания. При снижении артериального давления вентиляция легких несколько увеличивается.
4. Гормоны – адреналин (при физической или умственной нагрузке), прогестерон (при беременности) стимулируют дыхание. Эндогенные опиоиды (энкефалины, эндорфины) – угнетают.
5. Раздражение рецепторов слизистой оболочки гортани и глотки – приводит к рефлекторному торможению дыхания.
6. Высшие психические влияния, связанные с социальной деятельностью человека (речь, пение и т.д.) – также изменяют дыхание.
7. Факторы, включающиеся во время физической нагрузки. Изменения легочной вентиляции в этих условиях характеризуются следующей динамикой:
1) В начале работы с умеренной нагрузкой происходит скачкообразное, а затем более плавное углубление и учащение дыхания, в результате чего увеличивается МОД (максимально до 120 л). Эта фаза связана с нейрогенными факторами:
а) центральная коиннервация – обусловлена тем, что импульсы от двигательных центров коры больших полушарий поступают не только к скелетным мышцам, но и иррадиируют к дыхательному центру;
б) афферентация от проприорецепторов работающих мышц - также способствует активации дыхательного центра (регуляция по возмущению). Об этом свидетельствуют опыты М.Е.Маршака – после наложения на работающую конечность жгута, останавливающего отток венозной крови с повышенным содержанием углекислого газа и лактата, уже в первые минуты развивалась стимуляция дыхания;
в) условнорефлекторная регуляция – стимулирует дыхание еще до начала мышечной деятельности, например, перед стартом у спортсменов. Это регуляция по возмущению;
г) выброс катехоламинов в кровь, сопутствующий повышению симпатических влияний.
2) Через 3-4 минуты уровень легочной вентиляции стабилизируется (плато) и точно соответствует потреблению кислорода. Это сопряжение обусловлено вышеописанными нейрогенными влияниями и обратной связью через хеморецепторы. Если вентиляция начинает отставать от энергозатрат организма, в крови повышается содержание углекислого газа и других кислых продуктов метаболизма и снижается напряжение кислорода. Это стимулирует центральный дыхательный механизм, в результате чего происходит компенсаторный рост вентиляции – регуляция по отклонению. Повышению МОД способствует и возрастание температуры тела, увеличивающее частоту дыхания через центры гипоталамуса.
При тяжёлых нагрузках происходит отставание кислородного снабжения мышц, вследствие чего в крови повышается содержание продуктов анаэробного гликолиза, главным образом, лактата (метаболический ацидоз). Рефекторно (через хеморецепторы) это вызывает рост вентиляции, опережающий потребление кислорода и образование углекислого газа. В результате развивается гипокапния и дыхательный алкалоз.
3) После окончания работы, благодаря «выключению» нейрогенных стимулов, вентиляция легких резко снижается. Но еще некоторое время она остается повышенной за счет возбуждения хеморецепторов недоокисленными продуктами обмена (молочная и другие органические кислоты). Это необходимо для погашения кислородного долга – разности между количеством кислорода, требуемого для покрытия всех энерготрат (кислородный запрос) и количеством кислорода, фактически потребленного за время работы.
По мере тренировок, как уже отмечалось, регуляция дыхания становится более совершенной. У тренированных людей рост МОД происходит преимущественно за счет углубления, а не учащения дыхания, что увеличивает вентиляцию альвеол. У них повышается кислородная емкость крови, ее буферные резервы и величина максимального потребления кислорода (до 4-5 л в минуту, а у нетренированного человека она составляет 2-3 л в минуту.
Таким образом, дыхательный центр постоянно получает информацию не только о дыхательной потребности организма (специфические факторы), но и о его состоянии (неспецифические). Это определяет процессы афферентного синтеза в функциональной системе дыхания, в результате которого инспираторные нейроны дыхательного центра на основе молекулярных процессов «принимают решение» «взять» необходимое количество воздуха. В форме нервных импульсов оно адресуется к исполнительному мышечному аппарату.
Далее рассмотрим механизмы, поддерживающие газовый гомеостаз организма в условиях изменённой газовой среды, в которой человек может оказаться в процессе трудовой и исследовательской деятельности.
Пониженное атмосферное давление
В таких условиях человек находится при подъеме на высоту или в барокамере, в которой создано разрежение воздуха. Следствием уменьшения парциального давления кислорода во вдыхаемом и альвеолярном воздухе является гипоксия – недостаток кислорода в тканях. Развивается при подъеме на высоту свыше 2 км над уровнем моря. До этой высоты содержание оксигемоглобина в крови, благодаря особой форме кривой его диссоциации, снижается незначительно (на 3%).На высоте 2,5-3,5 км развиваются следующие срочные адаптационные реакции:
1. Увеличение вентиляции легких, обусловленное тем, что уменьшение напряжения кислорода в крови становится достаточным для стимуляции периферических хеморецепторов. Это улучшает снабжение тканей кислородом. Однако усиление дыхания имеет и отрицательные последствия:
1) увеличивает расход кислорода на работу дыхательных мышц;
2) приводит к снижению парциального давления углекислого газа в альвеолярной газовой смеси и в крови (гипокапния) и к выпадению его стимулирующего влияния на дыхательный центр;
3) гипокапния вызывает спазм сосудов головного мозга, что еще больше ухудшает снабжение последнего кислородом.
2. Стимуляция эритропоэза, приводящая к увеличению числа эритроцитов в крови.
3. Повышение содержания гемоглобина в эритроцитах, вызывающее возрастание кислородной емкости крови.
4. Увеличение содержания 2,3-дифосфоглицерата в эритроцитах, что сдвигает кривую диссоциации оксигемоглобина вправо, т.е. уменьшает сродство гемоглобина к кислороду и улучшает отдачу последнего тканям.
5. Учащение сердечных сокращений и повышение артериального давления.
На высоте 4-5 км указанные механизмы не могут компенсировать недостаток кислорода, поэтому развивается высотная (горная) болезнь. Ее признаками являются слабость, тошнота, цианоз, брадикардия, гипотензия, головные боли, уменьшение глубины дыхания, нарушения со стороны психики (эйфория, расстройства координации и др.).
На высоте свыше 7 км наступают опасные для жизни нарушения дыхания и кровообращения. Особенно чувствительны к недостатку кислорода клетки мозга, в которых окислительные процессы протекают наиболее интенсивно.
Устойчивость к гипоксии характеризуется большими индивидуальными различиями. В эксперименте этот показатель оценивается по соотношению «время жизни / время реституции (восстановления)» при сублетальной гипоксии («подъём» в барокамере на высоту 11 км над уровнем моря). Такое соотношение у высокоустойчивых животных больше 1,0, а у низкоустойчивых – меньше.
Устойчивость к гипоксии может быть повышена в процессе тренировок короткими гипоксическими сеансами в барокамере. Адаптация к гипоксии повышает устойчивость организма не только к этому фактору, но и ко многим другим, т.е. обладает «перекрестным» защитным эффектом. Вследствие этого она имеет значительный спектр лечебных и профилактических эффектов и широко используется в клинике.
Длительное воздействие пониженного атмосферного давления в горах вызывает акклиматизацию к недостатку кислорода, обеспечивающую более экономичные приспособительные реакции:
1. Развитие гипоксической «глухоты» – значительное ослабление реакции дыхания на снижение парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе.
2. Повышение содержания в эритроцитах гемоглобина F, обладающего значительно большим по сравнению с гемоглобином А сродством к кислороду.
3. Снижение уровня 2,3-дифосфоглицерата в эритроцитах. Однако у коренных жителей Гималаев – шерпов, живущих на высоте 4 км над уровнем моря, ожидаемый уровень гемоглобина составляет 190 г/л крови, а реальный – 168 г/л. Содержание 2,3-дифосфоглицерата в эритроцитах ниже нормы. Это определяет сдвиг кривой дисоциации оксигемоглобина влево. Следовательно, для организма на больших высотах важнее не облегчить отдачу кислорода тканям, а достичь лучшего насыщения крови кислородом в легких.
4. Повышение плотности кровеносных капилляров в тканях, увеличение их длины и извилистости.
5. Мобилизация внутриклеточных локальных механизмов, например, белков теплового шока и антиоксидантных ферментов, повышающих устойчивость клеток к гипоксии.
6. Увеличение содержания миоглобина в скелетных мышцах и миокарде, а также количества митохондрий и их энергетической эффективности.
Повышенное атмосферное давление
В такой ситуации человек может оказаться во время водолазных и кессонных работ. Давление смеси, которая подается ему для дыхания, должно соответствовать давлению на данной глубине. На каждые 10 м увеличения глубины давление возрастает на 1 атм. В результате дыхания воздухом под повышенным давлением увеличивается растворимость газов (в т.ч. кислорода и азота) в крови, а следовательно, и их содержание в ней. Значительное повышение напряжения кислорода в крови вызывает «кислородное отравление», сопровождающееся судорогами. Поскольку при высоких давлениях пропорционально возрастает плотность воздуха, а значит, и сопротивление дыханию, то на больших глубинах используют смесь кислорода и гелия (гелиокс). Гелий почти нерастворим в крови и обладает в 7 раз меньшей плотностью, чем азот. Кроме того, он обладает минимальным наркотическим эффектом, что также является важным, поскольку большинство газов при гипербарии оказывают наркотическое действие – основное неблагоприятное последствие. Так как гипероксия (повышенное содержание кислорода в воздухе, крови и тканях организма) вызывает раздражение слизистой оболочки дыхательных путей, нарушение функций сурфактанта, воспаление легких, расстройство деятельности центральной нервной системы, содержание кислорода в дыхательной смеси по мере погружения снижают так, чтобы его парциальное давление было близко к наземному. Переход от высокого давления к нормальному должен осуществляться постепенно. При быстрой декомпрессии, вследствие снижения растворимости газов, они образуют пузырьки. Кислород и углекислый газ в этом плане менее опасны, т.к. быстро связываются кровью. Особенно опасны пузырьки азота, поскольку они разносятся кровью и закупоривают мелкие сосуды (газовая эмболия). В этих условиях развивается кессонная болезнь, характеризующаяся болями в мышцах, головокружением, рвотой, одышкой, потерей сознания, в тяжелых случаях – параличами. Для лечения этого состояния пострадавшего необходимо вновь подвергнуть действию высокого давления (для растворения пузырьков азота), а затем постепенно произвести декомпрессию.
Метод лечения кислородом при повышенном давлении (до 3-4 атм.) – гипербарическая оксигенация (hyper+barоs, греч. – тяжесть, давление) – применяется в клинике. В результате в крови значительно возрастает содержание физически растворенного кислорода, что повышает его напряжение и увеличивает скорость его диффузии к клеткам.
Таким образом, саморегуляция дыхания – это сложный процесс, протекающий с учетом анализа специфических и неспецифических сенсорных раздражений в дыхательном центре и характеризующийся высокой степенью надёжности вследствие наличия дублирующих механизмов.
Last modified: Friday, 3 January 2020, 10:34 AM