Тема: Нервная регуляция дыхательной смстемы. Дыхательный центр, регуляция дыхания

Ритмическая последовательность вдоха и выдоха, а также изменение характера дыхательных движений в зависимости от состояния организма (покой, работа различной интенсивности, эмоциональные проявления и т. д.) регулируются дыхательным центром, расположенным в продолговатом мозге. Дыхательным центром называется совокупность нейронов, обеспечивающих деятельность аппарата дыхания и его приспособление к изменяющимся условиям внешней и внутренней среды.

Решающее значение в определении локализации дыхательного центра и его активности имели исследования отечественного физиолога Н.А. Миславского, который в 1885 г. показал, что дыхательный центр у млекопитающих находится в продолговатом мезге, на дне IV желудочка в ретикулярной формации. Дыхательный центр - парное, симметрично расположенное образование, в состав которого входят вдыхательная и выдыхательная части.

Результаты исследований Н.А. Миславского легли в основу современных представлений о локализации, строении и функции дыхательного центра. Они подтверждены в экспериментах с использованием микроэлектродной техники и отведения биопотенциалов от различных структур продолговатого мозга. Было показано, что в дыхательном центре имеются две группы нейронов: инспираторные и экспираторные. Обнаружены некоторые особенности в работе дыхательного центра. При спокойном дыхании активна только небольшая часть дыхательных нейронов, и, следовательно, в дыхательном центре есть резерв нейронов, который используется при повышенной потребности организма в кислороде. Установлено, что между инспираторными и экспираторными нейронами дыхательного центра существуют функциональные взаимосвязи. Они выражаются в том, что при возбуждении инспираторных нейронов, обеспечивающих вдох, деятельность экспираторных нервных клеток заторможена, и наоборот. Таким образом, одной из причин ритмичной, автоматической деятельности дыхательного центра являются взаимосвязанные функциональные отношения между этими группами нейронов. Существуют и другие представления о локализации и организации дыхательного центра, которые поддерживаются рядом советских и зарубежных физиологов. Предполагают, что в продолговатом мозге локализованы центры вдоха, выдоха и судорожного дыхания. В верхней части моста головного мозга (варолиев мост) находится пневмотаксический центр, который контролирует деятельность расположенных ниже центров вдоха и выдоха и обеспечивает правильное чередование циклов дыхательных движений.

Дыхательный центр, расположенный в продолговатом мозге, посылает импульсы к мотонейронам спинного мозга, иннервирующим дыхательные мышцы. Диафрагма иннервируется аксонами мотонейронов, расположенных на уровне III-IV шейных сегментов спинного мозга. Мотонейроны, отростки которых образуют межреберные нервы, иннервирующие межреберные мышцы, расположены в передних рогах (III-XII) грудных сегментов спинного мозга.

Регуляция деятельности дыхательного центра

Регуляция деятельности дыхательного центра осуществляется с помощью гуморальных, рефлекторных механизмов и нервных импульсов, поступающих из вышележащих отделов головного мозга.

Гуморальные механизмы. Специфическим регулятором активности нейронов дыхательного центра является углекислый газ, который действует на дыхательные нейроны непосредственно и опосредованно. В нейронах дыхательного центра в процессе их деятельности образуются продукты обмена веществ (метаболиты), в том числе и углекислый газ, который оказывает непосредственное влияние на инспираторные нервные клетки, возбуждая их. В ретикулярной формации продолговатого мозга, вблизи дыхательного центра, обнаружены хеморецепторы, чувствительные к углекислому газу. При увеличении напряжения углекислого газа в крови хеморецепторы возбуждаются, и нервные импульсы поступают к инспираторным нейронам, что приводит к повышению их активности. В лаборатории М.В. Сергиевского получены данные о том, что углекислый газ повышает возбудимость нейронов коры большого мозга. В свою очередь клетки коры большого мозга стимулируют активность нейронов дыхательного центра. В механизме стимулирующего влияния углекислого газа на дыхательный центр важное место принадлежит хеморецепторам сосудистого русла. В области сонных синусов и дуги аорты обнаружены хеморецепторы, чувствительные к изменениям напряжения углекислого газа и кислорода в крови.

В эксперименте показано, что промывание сонного синуса или дуги аорты, изолированных в гуморальном отношении, но с сохраненными нервными связями, жидкостью с повышенным содержанием углекислого газа сопровождается стимуляцией дыхания (рефлекс Гейманса). В аналогичных экспериментах установлено, что повышение напряжения кислорода в крови тормозит активность дыхательного центра.

Механизм влияния углекислого газа на активность нейронов дыхательного центра сложен. Углекислый газ оказывает прямое действие на дыхательные нейроны, опосредованное (возбуждение клеток коры большого мозга, нейронов ретикулярной формации), а также рефлекторное за счет раздражения специальных хеморецепторов сосудистого русла. Следовательно, в зависимости от газового состава внутренней среды организма меняется активность нейронов дыхательного центра, что отражается на характере дыхательных движений. При оптимальном содержании в крови углекислого газа и кислорода наблюдаются дыхательные движения, отражающие умеренную степень возбуждения нейронов дыхательного центра. Эти дыхательные движения грудной клетки получили название эйпноэ.

Избыточное содержание углекислого газа и недостаток кислорода в крови усиливают активность дыхательного центра, что обусловливает возникновение частых и глубоких дыхательных движений - гиперпноэ. Еще большее нарастание количества углекислого газа в крови приводит к нарушению ритма дыхания и появлению одышки - диспноэ. Понижение концентрации углекислого газа и избыток кислорода в крови угнетают активность дыхательного центра. В этом случае дыхание становится поверхностным, редким и может наступить его остановка - апноэ.

Периодическим называют тип дыхания, при котором ряд дыхательных движений чередуется с паузами. Продолжительность пауз колеблется в пределах от 5 до 20 с и даже более. При периодическом дыхании типа Чейна-Стокса после паузы появляются слабые, впоследствии усиливающиеся дыхательные движения. При достижении максимума вновь наблюдается ослабление дыхания, а затем оно прекращается - наступает новая пауза. По окончании паузы цикл вновь повторяется. Продолжительность цикла - 30-60 с.

При снижении возбудимости дыхательного центра, обусловленном недостатком кислорода, наблюдаются и другие типы периодического дыхания.

Механизм первого вдоха новорожденного. В организме матери газообмен плода происходит через пупочные сосуды, тесно контактирующие с плацентарной кровью матери. После рождения ребенка и отделения плаценты указанная связь нарушается. Метаболические процессы в организме новорожденного приводят к образованию и накоплению углекислого газа, который, так же как и недостаток кислорода, гуморально возбуждает дыхательный центр. Кроме того, изменение условий существования ребенка приводит к возбуждению экстеро- и проприорецепторов, что также является одним из механизмов, принимающих участие в осуществлении первого вдоха новорожденного.

Рефлекторные механизмы. Различают постоянные и непостоянные (эпизодические) рефлекторные влияния на функциональное состояние дыхательного центра.

Постоянные рефлекторные влияния возникают в результате раздражения рецепторов альвеол (рефлекс Геринга-Брейера), корня легкого и плевры (пульмоторакальный рефлекс), хеморецепторов дуги аорты и сонных синусов (рефлекс Гейманса), проприорецепторов дыхательных мышц.

Наиболее важным рефлексом является рефлекс Геринга-Брейера. В альвеолах легких заложены механорецепторы растяжения и спадения, являющиеся чувствительными нервными окончаниями блуждающего нерва. Рецепторы растяжения возбуждаются при обычном и максимальном вдохе, т. е. любое увеличение объема легочных альвеол возбуждает эти рецепторы. Рецепторы спадения становятся активными только в условиях патологии (при максимальном спадении альвеол).

В экспериментах на животных было установлено, что при увеличении объема легких (вдувание в легкие воздуха) наблюдается рефлекторный выдох, выкачивание же воздуха из легких приводит к быстрому рефлекторному вдоху. Указанные реакции не возникали при перерезке блуждающих нервов.

Рефлекс Геринга-Брейера является одним из механизмов саморегуляции дыхательного процесса, обеспечивая смену актов вдоха и выдоха. При растяжении альвеол во время вдоха нервные импульсы от рецепторов растяжения по блуждающему нерву идут к экспираторным нейронам, которые, возбуждаясь, тормозят активность инспираторных нейронов, что приводит к пассивному выдоху. Легочные альвеолы спадаются, и нервные импульсы от рецепторов растяжения уже не поступают к экспираторным нейронам. Активность их падает, что создает условия для повышения возбудимости инспираторной части дыхательного центра и осуществлению активного вдоха. Кроме того, активность инспираторных нейронов усиливается при нарастании концентрации углекислого газа в крови, что также способствует проявлению вдоха.

Таким образом, саморегуляция дыхания осуществляется на основе взаимодействия нервного и гуморального механизмов регуляции активности нейронов дыхательного центра.

Пульмоторакальный рефлекс возникает при возбуждении рецепторов, заложенных в легочной ткани и плевре. Проявляется этот рефлекс при растяжении легких и плевры. Рефлекторная дуга замыкается на уровне шейных и грудных сегментов спинного мозга. Конечным эффектом рефлекса является изменение тонуса дыхательной мускулатуры, благодаря чему происходит увеличение или уменьшение среднего объема легких.

К дыхательному центру постоянно поступают нервные импульсы от проприорецепторов дыхательных мышц. Во время вдоха происходит возбуждение проприорецепторов дыхательных мышц и нервные импульсы от них поступают в инспираторную часть дыхательного центра. Под влиянием нервных импульсов тормозится активность вдыхательных нейронов, что способствует наступлению выдоха.

Непостоянные рефлекторные влияния на активность дыхательных нейронов связаны с возбуждением разнообразных экстеро- и интерорецепторов. К непостоянным рефлекторным воздействиям, оказывающим влияние на деятельность дыхательного центра, относятся рефлексы, возникающие при раздражении рецепторов слизистой оболочки верхних дыхательных путей, слизистой носа, носоглотки, температурных и болевых рецепторов кожи, проприорецепторов скелетных мышц. Так, например, при внезапном вдыхании паров аммиака, хлора, сернистого ангидрида, табачного дыма и некоторых других веществ происходит раздражение рецепторов слизистой оболочки носа, глотки, гортани, что приводит к рефлекторному спазму голосовой щели, а иногда даже мускулатуры бронхов и рефлекторной задержке дыхания.

При раздражении эпителия дыхательных путей накопившейся пылью, слизью, а также попавшими химическими раздражителями и инородными телами наблюдается чиханье и кашель. Чиханье возникает при раздражении рецепторов слизистой оболочки носа, кашель - при возбуждении рецепторов гортани, трахеи, бронхов.

Влияние клеток коры большого мозга на активность дыхательного центра. Для оценки роли коры большого мозга в регуляции дыхания большое значение имеют данные, полученные с помощью метода условных рефлексов. Если у человека или животных звук метронома сопровождать вдыханием газовой смеси с повышенным содержанием углекислого газа, то это приведет к увеличению легочной вентиляции. Через 10-15 сочетаний изолированное включение метронома (условный сигнал) вызывает стимуляцию дыхательных движений, т. е. образовался условный дыхательный рефлекс на определенное число ударов метронома в единицу времени.

Учащение и углубление дыхания, которые наступают до начала физической работы или спортивных состязаний, также осуществляются по механизму условных рефлексов. Эти изменения в дыхательных движениях отражают сдвиги в активности дыхательного центра и имеют приспособительное значение, способствуя подготовке организма к выполнению работы, требующей большой затраты энергии и усиления окислительных процессов.

По мнению М.Е. Маршака, корковая регуляция дыхания обеспечивает необходимый уровень легочной вентиляции, темп и ритм дыхания, постоянство уровня углекислого газа в альвеолярном воздухе и артериальной крови.

По М.В. Сергиевскому, регуляция активности дыхательного центра представлена тремя уровнями.

Первый уровень регуляции - спинной мозг. Здесь располагаются центры диафрагмальных и межреберных нервов, обусловливающие сокращение дыхательных мышц. Однако этот уровень регуляции дыхания не может обеспечить ритмичную смену фаз дыхательного цикла, так как огромное количество афферентных импульсов от дыхательного аппарата, минуя спинной мозг, направляются непосредственно в продолговатый мозг.

Второй уровень регуляции - продолговатый мозг. Здесь находится дыхательный центр, который перерабатывает разнообразные афферентные импульсы, идущие от дыхательного аппарата, а также от основных рефлексогенных сосудистых зон. Этот уровень регуляции обеспечивает ритмичную смену фаз дыхания и активность спинномозговых мотонейронов, аксоны которых иннервируют дыхательную мускулатуру.

Третий уровень регуляции - верхние отделы головного мозга, включающие и корковые нейроны. Только при участии коры большого мозга возможно адекватное приспособление реакций системы дыхания к изменяющимся условиям окружающей среды.

Дыхательный центр представляет собой парное скопление нейронов (клеток) головного мозга, объединенных общей функцией. За счет его работы дыхательные мышцы сокращаются и расслабляются в определенной последовательности, а сам процесс дыхания подстраивается под окружающую среду и состояние организма.

Данная анатомическая структура находится в мосте и продолговатом мозге. Помимо этого анатомического отдела, здесь же располагаются и такие важные центры, как жевания, глотания, слюноотделения и другие. Повреждение продолговатого мозга человека чаще всего приводит к смерти от паралича дыхательных мышц, разобщения процесса дыхания, и, как следствие, нарастания дыхательной недостаточности.

В дыхательном центре существуют несколько значимых отделов. Инспираторный отдел отвечает за регуляцию вдоха, экспираторный — выдоха. Повреждение какого-либо одного отдела блокирует эту функцию на той стороне, где находится очаг поражения. Экспираторный отдел располагается в вентральном ядре продолговатого мозга, в то время как инспираторный — в дорсальном ядре. Процесс координации вдохов и выдохов контролируется пневмотаксическим центром, который находится в области варолиева моста. Данный отдел обладает функцией автоматизма, то есть, самостоятельно генерирует нервный импульс. Возбуждение этого центра осуществляется вдохом, за которым должен следовать своевременный выдох. В мосте располагается также отдел, регулирующий тонус дыхательного центра.

Работа дыхательного центра

Функция дыхательного центра контролируется совокупностью факторов. Рассмотрим их компоненты:

1. Автоматизм нейронов центра, которые самостоятельно вырабатывают импульсы для совершения дыхательных движений. Этот процесс контролируется газовым составом крови, ее кислотно-щелочным состоянием, метаболическими особенностями организма и физической нагрузкой, а также условиями окружающей среды.
2. Углекислый газ вызывает стимуляцию дыхательного центра. При недостатке кислорода в окружающем воздухе его поступает со вдохом мало, поэтому наступает компенсация: увеличение частоты и глубины дыхания.
3. Газовый состав крови напрямую влияет на работу дыхательного центра. При недостатке кислорода (гипоксии) кислотно-основное состояние крови смещается в сторону кислого (ацидоз). Ткани не справляются со своими функциональными обязанностями, так как для их деятельности не хватает кислорода. В связи с этим увеличивается частота дыхания, но оно поверхностное, т.е. недостаточно эффективное.
4. В организме человека существует несколько рефлексогенных зон, стимуляция которых изменяет ритм дыхания. Резкое раздражение рецепторов тепла или холода кожи может привести к рефлекторной остановке дыхания. При чихании, глотании дыхательная деятельность кратковременно останавливается. Сосудистая синокаротидная зона, как и дыхательный центр, чувствительна к изменению газового состава среды.

Нормальный дыхательный цикл

Исходя из полученной информации, дыхательный цикл можно изобразить следующим образом:

Активация инспираторных нейронов за счет повышения концентрации углекислого газа — нервный импульс направляется из вентральных ядер по нервным волокнам в моторецепторы диафрагмальных и межреберных нервов — увеличение объема легких и грудной клетки — вдох — раздражение рецепторов растяжения альвеол — направление нервного импульса к экспираторному отделу дыхательного центра — раздражение отдела — выдох.

Данная схема получила название дыхательного контура. Процесс ритмичности этих циклов контролируется пневмотаксическим центром.

Внешнее дыхание - одна из важнейших функций организма. Прекращение дыхания вызывает неизбежную гибель человека уже через З-5 мин. Запасы кислорода в организме очень незначительны, поэтому необходимо его постоянное поступление через систему внешнего дыхания. Указанное обстоятельство объясняет формирование в процессе эволюции такого механизма регуляции, который должен обеспечивать высокую надежность выполнения дыхательных движений. Деятельность системы регуляции дыхания основывается на поддержании константного уровня таких показателей организма, как РП) , Р0 и рН. Основной принцип регуляции - саморегуляция: отклонения указанных показателей от нормального уровня немедленно вызывает цепь процессов, направленных на их восстановление.

Кроме того, дыхание участвует в мовотворенні, в выражении эмоций (смех), а также взаимосвязанное с некоторыми другими функциями организма (пищеварение, терморегуляция и т. п).

В системе регуляции дыхания можно выделить внутренние и внешние звенья саморегуляции. Внутренние звенья связаны с состоянием крови (буферные свойства, содержание гемоглобина) и сердечно-сосудистой системы, внешние - с механизмами внешнего дыхания. Регулируемые параметры системы внешнего дыхания - глубина и частота дыхательных движений.

Основной регулируемый объект - дыхательные мышцы, что принадлежат к скелетной. Кроме них к объекту регуляции дыхания необходимо отнести непосмуговані мышцы глотки, трахеи и бронхов, влияют на состояние дыхательных путей. Транспортировка газов кровью и газообмен в тканях осуществляют образование сердечно-сосудистой системы, регуляцию функции которой шла речь в соответствующем разделе.

Дыхание регулируется рефлекторным путем, который охватывает такие элементы:

1) рецепторы, воспринимающие информацию, и афферентные пути, которые передают ее нервным центрам;

2) нервные центры;

3) эффекторы (пути передачи команд от центров) и сами регулируемые объекты.

Дыхательный центр

Дыхательный центр расположен в области ствола мозга. Он состоит из нескольких отделов, нередко именуют отдельными дыхательными центрами. Местоположение каждого из них было установлено в экспериментах на животных с помощью перерізувань мозга, вживлению электродов.

Обе половины продолговатого мозга содержат не менее двух скоплений нейронов, проявляющих свою активность в момент осуществления вдоха или выдоха - дорсальне и вентральне ядра (рис. 86). Если возбуждение нейрона совпадает с вдохом, его причисляют к інспіраторних, если с выдохом-к експіраторних. Нейроны этих ядер широко контактируют с ретикулярной формацией ствола, через которую до дыхательного центра поступают афферентные сигналы от периферических рецепторов.

На сегодня все еще нет единой теории функционирования и строения дыхательного центра. Поэтому ниже изложена одна из гипотез.

Дорсальне ядро содержит нейроны, которые возбуждаются при инспирации. В нем можно выделить два основных типа нейронов:

а) Иа-нейроны (возбуждаются только во время вдоха);

б) ф-нейроны (возбуждаются одновременно с Иа и ігід время паузы).

Иа-нейроны - типичные инспираторные нейроны. Нервные импульсы от них передаются на мотонейроны диафрагмы, расположенные в спинном мозге (3-й и 4-й шейные сегменты). Одновременно с этим возбуждение Иа-нейронов передается к иβ-нейронов. Однако эти нейроны не передают свои импульсы к мотонейрон И В диафрагмы, их возбуждение приводит к торможению активности інспіраторних Иа-нейронов.

Группа нейронов, принадлежащего расположенного на 4-6 мм кпереди и латеральнее от предыдущих вентрального ядра, имеет большую длину. Верхняя часть вентрального ядра содержит инспираторные нейроны, а нижняя - експіраторні. Большая часть нервных волокон этих ядер идет в грудные сегменты спинного мозга к мотонейрон и в міжребрових мышц и мышц живота (в соответствии с мышц вдоха или выдоха). Лишь 20-25 % волокон разветвляются в области диафрагмальных ядер.

Кроме центров продолговатого мозга в передней части моста, сразу за чотиригорбовою пластиной обнаружено еще одно ядро, которое участвует в регуляции дыхания, - пневмотаксичний центр.

Рис. 86. 1 - дорсальне ядро; 2 - вентральне ядро; С - апнейстичний центр; 4 - пневмотаксичний центр; 5 - мост мозга

Продолжительность изучения темы: 10 часов;

из них на занятие 4 часа; самостоятельная работа 6 часов

Место проведения учебная комната

Цель занятия : Изучить нервно-гуморальные механизмы регуляции дыхания; особенности дыхания при различных условиях и состояниях организма. Освоение методов исследования функционального состояния дыхательной системы.

Задачи:

знать многоуровневую организацию и особенности функционирования центрального аппарата регуляции дыхания;

знать сущность понятия «дыхательный центр»;

уметь правильно охарактеризовать роль дыхательных мотонейронов спинного мозга и проприорецепторов межреберных мышц в приспособлении организма.

Тема тесно связана с материалами предыдущего занятия. Для клинической практики, профессионального отбора людей (космонавты, альпинисты, водолазы и т. д.) особый интерес представляют данные, касающиеся регуляции дыхания при различных функциональных состояниях организма, при патологии и нахождении организма в особых условиях окружающей среды. Методы оценки функционального состояния дыхательной системы широко используются в клинике с диагностической целью

Регуляция лёгочного кровотока Кислород (точнее - изменение PaО2) вызывает либо вазодилатацию, либо вазоконстрикцию.Вазодилатация. Под влиянием повышения PaО2 (например, при помещении в камеру с повышенным содержанием кислорода - гипербарическая оксигенация или при вдыхании 100% кислорода - кислородная подушка) лёгочное сосудистое сопротивление (RPV) уменьшается, а перфузия увеличивается.Вазоконстрикция. Под влиянием пониженного PaО2 (например, при подъёме в горы) RPV увеличивается, а перфузия уменьшается.Биологически активные вещества (вазоконстрикторы и вазодилататоры), воздействующие на ГМК кровеносных сосудов, многочисленны, но их эффекты локальны и кратковременны. Диоксид углерода (повышенное PaСО2) также имеет незначительный, преходящий и локальный сосудосуживающий эффект на просвет кровеносных сосудов.Лёгочные вазодилататоры: простациклин, оксид азота, ацетилхолин, брадикинин, дофамин, β–адренергические лиганды.Вазоконстрикторы: тромбоксан A2, α–адренергические лиганды, ангиотензины, лейкотриены, нейропептиды, серотонин, эндотелин, гистамин, Пг, повышенное PaСО2.

Функцию нервной регуляции дыхания выполняют дыхательные нейроны - множество нервных клеток, расположенных в стволовой части мозга. Контроль дыхательных движений (эфферентная нервная импульсация к дыхательным мышцам) осуществляется как непроизвольно (автоматический ритм дыхательных нейронов стволовой части мозга, на рисунке - «генератор ритма»), так и произвольно (в этом случае эфферентная нервная импульсация поступает к дыхательным мышцам, минуя дыхательные нейроны ствола мозга). Адекватное функционирование этих и других контуров регуляции дыхания обеспечивает нормальное дыхание (эупноэ).

Регуляция дыхания направлена на выполнение двух задач: во-первых, автоматическая генерация частоты и силы сокращения дыхательных мышц, во-вторых, подстройка ритма и глубины дыхательных движений к реальным потребностям организма (в первую очередь, к изменениям метаболических параметров в виде DPО2, DPСО2 и DpH артериальной крови и DPСО2 и DpH межклеточной жидкости мозга).

Система регуляции дыхания состоит из 3 основных блоков: рецепторного (хемо- и барорецепторы, регистрирующие и передающие информацию в мозг), регуляторного, или контролирующего (совокупность дыхательных нейронов) и эффекторного (дыхательные мышцы, непосредственно осуществляющие вентиляцию лёгких). Таким образом, вся система регуляции дыхания состоит из нескольких взаимосвязанных регуляторных контуров.

Нервные центры расположены в стволе мозга (в основном, в составе продолговатого мозга). Схема регуляции дыхания предусматривает наличие генератора ритма дыхательных движений и центра интеграции сенсорной информации. Под терминами «генератор ритма» и «интегратор сенсорной информации» следует понимать абстрагированные интегральные понятия, а не конкретные нервные структуры, так как соответствие анатомических структур рассматриваемым понятиям установлено далеко не во всех случаях. Генератор ритма включает нейроны, расположенные преимущественно в составе продолговатого мозга, а также моста и некоторых других отделов ствола мозга. Разные группы нейронов генерируют разного спектра пачки импульсов - потенциалы действия (ПД) - на разных фазах дыхательных движений, в то числе либо преимущественно во время вдоха (инспираторные нейроны), либо преимущественно во время выдоха (экспираторные нейроны).

Вся совокупность дыхательных нейронов подразделяется с анатомической точки зрения на вентральную и дорсальную дыхательные группы (ВДГ и ДДГ соответственно). И ВДГ, и ДДГ представлены билатерально, т.е. дублированы. Дорсальная дыхательная группа (ДДГ) содержит преимущественно инспираторные нервные клетки (в том числе нейроны важного комплекса ядер вегетативной нервной системы - ядер одиночного пути, получающих сенсорную информацию от внутренних органов грудной и брюшной полостей по нервным волокнам языкоглоточного и блуждающего нервов). Вентральная дыхательная группа (ВДГ) содержит как инспираторные, так и экспираторные нейроны. В ростро–каудальном направлении ВДГ состоит из ростральной части - комплекс Бётцингера (содержит в основном экспираторные нервные клетки и в том числе позадилицевого ядра), промежуточной (содержит преимущественно инспираторные нейроны двойного и околодвойного ядер) и каудальной (экспираторные нейроны позадидвойного ядра) частей. Направление импульсации от дыхательных нейронов: 1. от нервных клеток ДРГ к ВДГ, а также к премоторным нейронам, далее к мотонейронам и к основным инспираторным мышцам; 2. от промежуточной части ВДГ в конечном итоге к основным и вспомогательным инспираторным мышцам; 3. от каудальной части ВДГ к дополнительным экспираторным мышцам. Входящие сигналы . Генератор ритма получает нисходящую из коры головного мозга импульсацию, а также нервные сигналы от нервных клеток интегратора сенсорной информации и непосредственно от центральных хеморецепторов.Выходящие сигналы . Нервная импульсация от генератора ритма направляется к иннервирующим дыхательные мышцы двигательным нервным клеткам соответствующих ядер черепных нервов (VII, IX–XII) и к мотонейронам передних рогов спинного мозга (их аксоны в составе спинномозговых нервов направляются к дыхательным мышцам).

Механизм ритмической активности генератора не установлен. Предложено несколько моделей, учитывающих индивидуальные особенности электрогенной мембраны групп однотипных нервных клеток (например, наличие разных ионных каналов), спектр синаптических связей (в том числе осуществляемых при помощи разных нейромедиаторов), наличие пейсмейкерных (со свойствами водителя ритма) дыхательных нейронов (таковые обнаружены) или пейсмейкерных свойств локальных нейронных сетей. Нет ясности и в вопросе о том, является ли ритмическая активность свойством ограниченной группы нервных клеток или свойством всей совокупности дыхательных нейронов. Интегратор сенсорной информации получает чувствительную информацию от разнообразных хемо- и механорецепторов, расположенных в органах дыхания и дыхательных мышцах, по ходу магистральных кровеносных сосудов (периферические хеморецепторы), а также в продолговатом мозге (центральные хеморецепторы). Помимо этих прямых сигналов, интегратор получает множество информации, опосредованной различными структурами мозга (в том числе и от высших отделов ЦНС). Импульсация от нервных клеток интегратора, направляясь к нейронам генератора ритма, модулирует характер разрядов от них. Чувствительные структуры, сигналы от которых прямо или опосредованно (через интегратор сенсорной информации) влияют на ритмическую активность генератора ритма, включают периферические и центральные хеморецепторы, барорецепторы стенки артерий, механорецепторы лёгких и дыхательных мышц. Наиболее существенное значение на деятельность генератора ритма имеет осуществляемый периферическими и центральными хеморецепторами контроль pH и газов крови.

Периферические хеморецепторы (каротидные и аортальные тельца ) регистрируют в артериальной крови pH, PО2 (PaО2) и PСО2, они особенно чувствительны к уменьшению PО2 (гипоксемии) и в меньшей степени - к увеличению PСО2 (гиперкапнии) и уменьшению pH (ацидозу). Каротидный синус - расширение просвета внутренней сонной артерии тотчас у места её ответвления от общей сонной артерии. В стенке артерии области расширения присутствуют многочисленные барорецепторы, регистрирующие значения АД и передающие эту информацию в ЦНС по нервным волокнам, проходящим в составе синусного нерва (Херинга) - ветви языкоглоточного нерва.Каротидное тельце находится в области бифуркации общей сонной артерии. Клубочек каротидного тельца состоит из 2–3 клеток типа I (гломусные клетки), окружённых поддерживающими клетками (тип II). Клетки типа I образуют синапсы с терминалями афферентных нервных волокон. Каротидное тельце состоит из скоплений клеток (клубочков, гломусов), погружённых в густую сеть кровеносных капилляров (интенсивность перфузии телец наибольшая в организме, в 40 раз больше перфузии головного мозга). Каждый клубочек содержит 2–3 хемочувствительные гломусные клетки, образующие синапсы с терминальными разветвлениями нервных волокон синусного нерва - ветви языкоглоточного нерва. В тельцах также находятся нервные клетки симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы. На этих нейронах и на гломусных клетках заканчиваются преганглионарные симпатические и парасимпатические нервные волокна, а на гломусных клетках также постганглионарные нервные волокна из верхнего шейного симпатического узла [терминали этих волокон содержат светлые (ацетилхолин) или гранулярные (катехоламины) синаптические пузырьки]. Гломусные клетки связаны друг с другом при помощи щелевых контактов, их плазмолемма содержит потенциалозависимые ионные каналы, клетки могут генерировать ПД и содержат разные синаптические пузырьки, содержащие ацетилхолин, дофамин, норадреналин, вещество P и метионин–энкефалин. Механизм регистрации DPО2, DPСО2 и DpH окончательно не установлен, но приводит к блокаде K+ каналов, что вызывает деполяризацию плазмолеммы гломусных клеток, открытию потенциалозависимых Ca2+ каналов, внутриклеточному увеличению и секреции нейромедиаторов.Аортальные (парааортальные) тельца рассыпаны по внутренней поверхности дуги аорты и содержат гломусные хемочувствительные клетки, образующие синапсы с афферентами блуждающего нерва.Центральные хеморецепторы (нервные клетки стволовой части мозга) регистрируют в межклеточной жидкости мозга pH и PСО2, они особенно чувствительны к увеличению PСО2 (гиперкапнии), а часть из них к уменьшению pH (ацидозу). Существенно, что центральные хеморецепторы расположены кнутри от гематоэнцефалического барьера, т.е. они отделены от крови в системе общей циркуляции (в частности, находятся в более кислой среде).

Гематоэнцефалический барьер образован эндотелиальными клетками кровеносных капилляров мозга. Базальная мембрана, окружающая эндотелий и перициты, а также астроциты, ножки которых полностью охватывают капилляр снаружи, не являются компонентами барьера. Гематоэнцефалический барьер изолирует мозг от временных изменений состава крови. Непрерывный эндотелий капилляров, клетки которого связаны между собой цепочками плотных контактов - основа гематоэнцефалического барьера. Гематоэнцефалический барьер функционирует как фильтр. Наибольшей проницаемостью обладают вещества нейтральные (например, O2 и CO2,) и растворимые в липидах (например, никотин, этиловый спирт, героин), но проницаемость ионов (например, Na + , Cl – , H + , HCO - 3) низка.

pH и PСО2 . Поскольку проницаемость барьера для CO2 велика (в отличие от H+ и

HCO - 3), а CO2 легко диффундирует через клеточные мембраны, отсюда следует, что кнутри от барьера (в интерстициальной жидкости, в ликворе, в цитоплазме клеток) наблюдается относительный ацидоз и что увеличение PСО2 приводит к большему уменьшению значения pH, чем в крови. Другими словами, в условиях ацидоза возрастает хемочувствительность нейронов к DPСО2 и DpH.

Чувствительные к ацидозу (хемочувствительные к DPco2 и DpH) нейроны, активность которых влияет на лёгочную вентиляцию, обнаружены в вентролатеральной части продолговатого мозга, в двойном ядре, ядрах одиночного пути продолговатого мозга, а также в гипоталамусе и в голубоватом месте и в ядрах шва моста. Многие из этих хемочувствительных нейронов относятся к серотонинергическим нервным клеткам.

Барорецепторы стенки артерий и вен. Эти механорецепторы реагируют на изменения давления в просвете и в стенке сосудов, они образованы терминалями волокон, проходящих в составе блуждающего и языкоглоточного нерва. Барорецепторы особенно многочисленны в дуге аорты, сонных артериях, лёгочном стволе, лёгочных артериях и в стенке крупных вен большого и малого круга кровообращения. Барорецепторы участвуют в рефлекторной регуляции кровообращения и дыхания, увеличение АД может привести к рефлекторной гиповентиляции или даже остановке дыхания (апноэ), а понижение АД способно вызвать гипервентиляцию.

Рецепторы воздухоносных путей и респираторного отдела регистрируют изменения объёмов лёгких, наличие посторонних частиц и раздражающих веществ и проводят информацию по нервным волокнам блуждающего и языкоглоточного (от верхних отделов воздухоносных путей) нервов к нейронам дорсальной дыхательной группы. К рецепторам этой группы относятся медленно адаптирующиеся рецепторы растяжения, быстро адаптирующиеся ирритантные рецепторы и J–рецепторы.Медленно адаптирующиеся рецепторы растяжения расположены среди ГМК стенки воздухоносных путей. Они реагируют на увеличение объёма лёгочной ткани (раздувание ткани лёгкого), регистрируя растяжение стенки воздухоносных путей, и проводят пачки импульсов по миелинизированным нервным волокнам. Особенность этих механорецепторов - медленная адаптируемость (при возбуждении рецепторов импульсная активность продолжается длительное время). Эти рецепторы возбуждаются при расширении просвета воздухоносных путей (бронходилатации) и запускают рефлекс Херинга–Бройера (при раздувании лёгкого происходит уменьшение дыхательного объёма и увеличение частоты дыхания; другими словами, рефлекс Херинга–Бройера направлен на подавление длительности вдоха и увеличение продолжительности выдоха). Одновременно и рефлекторно возникает тахикардия (увеличение ЧСС). У новорождённых этот рефлекс контролирует дыхательный объём при нормальном дыхании (эупноэ). У здоровых взрослых лиц рефлекс включается только при гиперпноэ - значительном увеличении дыхательного объёма (свыше 1 л), например, при значительной физической нагрузке. При обструктивных заболеваниях увеличенный объём лёгкого постоянно стимулирует рецепторы растяжения, что приводит к отсрочке следующего вдоха на фоне длительного затруднённого выдоха. Быстро адаптирующиеся (ирритантные) рецепторы расположены между эпителиальными клетками слизистой оболочки крупных воздухоносных путей. Они (как и медленно адаптирующие рецепторы растяжения) реагируют на сильное раздувание лёгочной ткани, но главным образом на действие поступающих при вдохе раздражающих ткани едких газов (например, аммиака), табачного дыма, пыли, холодного воздуха, а также на наличие в стенке воздухоносных путей гистамина (освобождается из тучных клеток при аллергических реакциях), Пг и брадикининов (поэтому их также называют ирритантными - раздражающими - рецепторами). Возбуждение от рецепторов распространяется по миелинизированным афферентным нервным волокнам блуждающего нерва. Особенность этих рецепторов - быстрая адаптируемость (при возбуждении рецепторов импульсная активность практически прекращается в течение одной секунды). При возбуждении ирритантных рецепторов увеличивается сопротивление воздухоносных путей, рефлекторно возникает задержка дыхания и кашель.J–рецепторы (от англ. «juxtacapillary» - околокапиллярные) расположены в межальвеолярных перегородках, являются как хемо– так и механорецепторами. J–рецепторы возбуждаются при перерастяжении ткани лёгкого, а также при воздействии различных экзо– и эндогенных химических соединений (капсаицин, гистамин, брадикинин, серотонин, Пг). Пачки импульсов от этих рецепторов направляются в ЦНС по безмиелиновым нервным волокнам (C - волокна) блуждающего нерва. Стимуляция этих рецепторов приводит к рефлекторной задержке дыхания с последующим появлением частого и поверхностного дыхания, сужению просвета воздухоносных путей (бронхоконстрикции), увеличению секреции слизи, а также к падению АД и урежению ЧСС (брадикардии). Одышка. J–рецепторы реагируют на переполнение кровью лёгочных капилляров и увеличение объёма интерстициальной жидкости альвеол, что возможно при левожелудочковой недостаточности и приводит к появлению диспноэ (одышки).

Внелёгочные рецепторы

Рецепторы лица и носовой полости . Их стимуляция при погружении в воду рефлекторно вызывает остановку дыхания, брадикардию, чихание.Рецепторы носоглотки и глотки . При их возбуждении развивается сильное инспираторное усилие («шмыгание»), перемещающее посторонний материал из носоглотки в глотку. Эти рецепторы важны и для глотания, когда одновременно закрывается гортанная щель (впрочем, новорождённые могут дышать и глотать одновременно).Рецепторы гортани . Их раздражение рефлекторно вызывает остановку дыхания (апноэ), кашель и сильные экспираторные движения, необходимые для предупреждения попадания постороннего материала в дыхательные пути (аспирация).Механорецепторы суставов и мышц (в том числе нервно–мышечные веретёна). Поступающая от них информация необходима для рефлекторной регуляции мышечного сокращения. Возбуждение этих рецепторов в какой-то степени обусловливает ощущение одышки (диспноэ), возникающей в том случае, когда дыхание требует больших усилий (например, при обструкции дыхательных путей).Болевые и температурные рецепторы . Изменения вентиляции могут возникать в ответ на раздражение различных афферентных нервов. Так, в ответ на боль часто наблюдается задержка дыхания, за которой следует гипервентиляция.

ЦНС и лёгочная вентиляция . ЦНС функционирует не только в качестве генератора ритма и модулятора этого центрального генератора («интегратор сенсорной информации» на рисунке), не только влияет на активность генератора ритма в связи с выполнением других функций воздухоносных путей (голосообразование и обоняние), но и модулирует параметры ритма дыхания при выполнении других функций, контролируемых ЦНС (например, жевание, глотание, рвота, дефекация, терморегуляция, различные эмоции, пробуждение от сна и так далее). К таким отделам ЦНС относятся в частности ретикулярная формация моста, лимбическая доля большого мозга, гипоталамус промежуточного мозга, кора большого мозга. Сон и дыхание. Дыхание во время сна контролируется менее строго, чем во время бодрствования; в то же время сон оказывает мощный эффект на параметры дыхания и в первую очередь на чувствительность хеморецепторов к D PСО2 и на ритм дыхания. В течение фазы «медленного» сна ритм дыхания в целом становится более регулярным, чем в состоянии бодрствования, но чувствительность хеморецепторов к D PСО2 понижается, как и эфферентные влияния на дыхательные мышцы и мышцы глотки. Во время фазы «быстрого» сна происходит дальнейшее снижение чувствительности к DP PСО2, но ритм дыхания становится нерегулярным (вплоть до отсутствия всякого ритма). Барбитураты подавляют активность генератора ритма и во время сна увеличивают периоды апноэ. Дыхательные расстройства во время сна, или синдром ночного апноэ (различают синдром патологического храпа, синдром апноэ–гипопноэ сна и синдром ожирения–гиповентиляции) может быть обусловлен обструктивными (ожирение, небольшие размеры ротоглотки) или необструктивными (патология ЦНС) причинами. Апноэ во время сна, как правило, смешанное, сочетает обструктивные и неврологические расстройства. Пациенты могут иметь сотни подобных эпизодов во время сна на протяжении одной ночи. Обструктивное ночное апноэ - одно из многочисленных расстройств сна (частота - 8–12% общей взрослой популяции). Более половины случаев заболевания имеет тяжёлое течение и может приводить к внезапной смерти во время сна.

Адекватное выполнение функции внешнего дыхания существенно важно для поддержания множества параметров гомеостаза и в первую очередь - КЩР, насыщения крови кислородом (PaО2) и содержания в крови диоксида углерода - CO2 (PaСО2) и pH (DPo2, DPco2 и DpH), в особенности понятия о гипоксии и гиперкапнии.

Кислотно–щелочное равновесие

КЩР оценивают по величине рН, а также по стандартным основным показателям.

рН - водородный показатель - отрицательный десятичный логарифм молярной в среде. рН жидких сред организма зависит от содержания в них органических и неорганических кислот и оснований. Кислота - вещество, которое в растворе является донором протонов. Основание - вещество, являющееся в растворе акцептором протонов.

В норме в организме образуются почти в 20 раз больше кислых продуктов, чем основных (щелочных). В связи с этим в организме доминируют системы, обеспечивающие нейтрализацию, экскрецию и секрецию избытка соединений с кислыми свойствами. К этим системам относятся химические буферные системы и физиологические механизмы регуляции КЩР. Химические буферные системы представлены бикарбонатным, фосфатным, белковым и гемоглобиновым буферами. Принцип действия буферных систем заключается в трансформации сильных кислот и сильных оснований в слабые. Эти реакции реализуются как внутри-, так и внеклеточно (в крови, межклеточной, спинномозговой и других жидких средах), но в большем масштабе - в клетках. Гидрокарбонатная буферная система - основной буфер крови и межклеточной жидкости и составляет около половины буферной ёмкости крови и более 90% - плазмы и интерстициальной жидкости. Гидрокарбонатный буфер внеклеточной жидкости состоит из смеси угольной кислоты - H2СO3 и гидрокарбоната натрия - NaHCO3. В клетках в состав соли угольной кислоты входят калий и магний. Функционирование гидрокарбонатного буфера ассоциировано с функцией внешнего дыхания и почек. Система внешнего дыхания поддерживает оптимальный уровень Рco2 крови (и как следствие - концентрацию H2CO3), а почки - содержание аниона HCO3–. Ацидоз характеризуется относительным или абсолютным избытком в организме кислот. В крови при ацидозе наблюдается абсолютное или относительное повышение [Н+] и уменьшение рН ниже нормы (<7,39; компенсированный ацидоз при значениях рН 7,38–7,35; при рН 7,34 и ниже - некомпенсированный ацидоз). Респираторный ацидоз развивается при снижении объёма альвеолярной вентиляции (гиповентиляции), повышенном образовании в организме CO2 и при избыточном поступлении в организм CO2. Гиповентиляция лёгких приводит к гиперкапнии (повышению PСО2 в крови). При респираторном ацидозе знаменатель соотношения / (т.е. концентрация угольной кислоты) увеличивается. Респираторный ацидоз возникает вследствие накопления избытка CO2 в крови и последующего увеличения концентрации в ней угольной кислоты. Такие изменения наблюдаются при обструкции дыхательных путей (при бронхиальной астме, бронхитах, эмфиземе лёгких, аспирации инородных тел), нарушении растяжимости лёгких (например, при пневмонии или гемотораксе, ателектазе, инфаркте лёгкого, парезе диафрагмы), увеличении функционального «мёртвого» пространства (например, при гипоперфузии ткани лёгкого), нарушении регуляции дыхания (например, при энцефалитах, расстройствах мозгового кровообращения, полиомиелите). Повышенное образование эндогенного CO2. Усиленная продукция СО2 в организме (не компенсированная вентиляцией лёгких) через некоторое время ведёт к развитию респираторного ацидоза. Такие изменения наблюдаются при активации катаболических процессов у пациентов с лихорадкой, сепсисом, длительными судорогами различного генеза, тепловом ударе, а также при парентеральном введении большого количества углеводов (например, глюкозы). Включение избытка углеводов в метаболизм также сопровождается повышенным образованием CO2. Таким образом, и в данной ситуации накопление в организме CO2 является результатом неадекватной (недостаточной) вентиляции лёгких. Избыточное поступление в организм CO2 (с последующим образованием угольной кислоты) наблюдается при подаче газовой смеси для дыхания с неадекватно повышенным содержанием CO2 (например, в скафандрах, подводных лодках, летательных аппаратах) или при нахождении большого количества людей в замкнутом пространстве (например, в шахте или небольшом помещении).

Метаболический ацидоз - одна из наиболее частых и опасных форм нарушения КЩР. При метаболическом ацидозе числитель соотношения / (т.е. концентрация гидрокарбонатов) уменьшается. Одним из характерных проявлений является компенсаторное увеличение альвеолярной вентиляции. При тяжёлом метаболическом ацидозе (в том числе при кетоацидозе за счёт ацетона, ацетоуксусной и b‑оксимасляной кислот, может возникать при сахарном диабете, продолжительном голодании, длительных лихорадочных состояниях, алкогольной интоксикации, обширных ожогах и воспалениях) может развиться глубокое и шумное дыхание - периодическое дыхание Куссмауля («ацидотическое дыхание»). Причина развития такого дыхания: увеличение содержания H+ в плазме крови (и в других биологических жидкостях) - стимул для инспираторных нейронов. Однако, по мере уменьшения Рco2 и нарастании повреждения нервной системы, возбудимость дыхательного центра снижается и развивается периодическое дыхание. Алкалоз характеризуется относительным или абсолютным избытком в организме оснований. В крови при алкалозе отмечается абсолютное или относительное снижение [Н+] или увеличение рН (>7,39; 7,40–7,45 - компенсированный алкалоз при значениях рН 7,40–7,45; при рН 7,46 и выше - некомпенсированный алкалоз).Респираторный алкалоз развивается при увеличении объёма альвеолярной вентиляции (гипервентиляции). При гипервентиляции (увеличенная эффективная альвеолярная вентиляция) объём вентиляции лёгких превышает необходимый для адекватного выведения CO2, образующегося в организме. Гипервентиляция лёгких приводит к гипокапнии (снижение PСО2 в крови), снижению уровня угольной кислоты в крови и развитие газового (респираторного) алкалоза. При респираторном алкалозе знаменатель соотношения / (т.е. концентрация угольной кислоты) уменьшается. Респираторный алкалоз развивается при высотной и горной болезнях; невротических и истерических состояниях; повреждении головного мозга (сотрясении, инсульте, новообразовании); заболеваниях лёгких (например, при пневмонии, астме), при гипертиреозе; выраженной лихорадочной реакции; интоксикации ЛС (например, салицилатами, симпатомиметиками, прогестагенами); почечной недостаточности; чрезмерном и длительном болевом или термическом раздражении; гипертермических и ряде других состояний. Кроме того, развитие газового алкалоза возможно при нарушении режима искусственной вентиляции лёгких (ИВЛ), приводящем к гипервентиляции.Метаболический алкалоз характеризуется повышением рН крови и увеличением концентрации бикарбоната. Для этого состояния характерна гипоксия, развивающаяся за счёт гиповентиляции лёгких (обусловлена снижением [Н+] в крови и как следствие - уменьшением функциональной активности инспираторных нейронов) и за счёт увеличения сродства Hb к кислороду вследствие уменьшения содержания H+ в крови, что приводит к снижению диссоциации HbО2 и поставки кислорода к тканям.

Дыхание (внешнее дыхание в лёгких, транспорт газов в крови и тканевое дыхание) направлено на снабжение клеток, тканей, органов и организма кислородом. Недостаточное выполнение функции дыхания приводит к развитию кислородного голодания - гипоксии.

Гипоксия (кислородное голодание, кислородная недостаточность) - состояние, возникающее в результате недостаточного обеспечения организма кислородом и/или нарушения усвоения кислорода в ходе тканевого дыхания.Гипоксемия (уменьшение по сравнению с должным уровней напряжения и содержания кислорода в крови) нередко сочетается с гипоксией. Аноксия (отсутствие кислорода и прекращение процессов биологического окисления) и аноксемия (отсутствие кислорода в крови) в целостном живом организме не наблюдаются, эти состояния относятся к экспериментальным или специальным (перфузия отдельных органов) ситуациям.

Горная болезнь наблюдается при подъёме в горы, где организм подвергается воздействию не только пониженного содержания кислорода в воздухе и пониженного барометрического давления, но также более или менее выраженной физической нагрузки, охлаждения, повышенной инсоляции и других факторов средне- и высокогорья.

Высотная болезнь развивается у людей, поднятых на большую высоту в открытых летательных аппаратах, на креслах-подъёмниках, а также при снижении давления в барокамере. В этих случаях на организм действуют в основном сниженные PО2 во вдыхаемом воздухе и барометрическое давление.

Декомпрессионная болезнь наблюдается при резком снижении барометрического давления (например, в результате разгерметизации летательных аппаратов на высоте более 10 000–11 000 м). При этом формируется опасное для жизни состояние, отличающееся от горной и высотной болезни острым или даже молниеносным течением.

Гиперкапния - избыток углекислого газа в жидкостях тела. Если уровень альвеолярного PСО2 повышается от 60 до 75 мм рт.ст. дыхание становится глубоким и частым, а диспноэ (субъективное ощущение укорочения дыхания) более тяжёлым. Как только PCO2 возрастает от 80 до 100 мм рт.ст., возникает вялость и апатия, иногда полукоматозное состояние. Смерть может наступить при уровнях PСО2 от 120 до 150 мм рт.ст. Приспособление (адаптация) системы дыхания к мышечной работе, к условиям необычной среды (пониженному и повышенному барометрическому давлению, гипоксии, загрязненной среде и т.д.), а также правильная диагностика и лечение дыхательных расстройств определяются глубиной понимания основных физиологических принципов дыхания и газообмена. Ряд респираторных заболеваний - результат неадекватной вентиляции, в то время как другие - результат затруднённой диффузии через аэрогематический барьер.Действие повышенного барометрического давления (гипербария). Давление при погружении в воду увеличивается на 1 атм на каждые 10 м глубины (соответственно увеличивается количество растворённых газов). Создание барокамер позволило изучить эффект и повышенного барометрического давления, и высоких давлений газов на тело человека без глубоководных погружений. При PО2 около 3000 мм рт.ст. (около 4 атм) общее количество не связанного с Hb, а физически растворённого в крови кислорода составляет 9 мл/100 мл крови. МОЗГ особенно чувствителен к острому кислородному отравлению. После 30–минутной экспозиции в среде с давлением O2 в 4 атм возникают судорожные припадки с последующей комой. Токсическое влияние O2 на нервную систему вызвано действием т.н. активных форм кислорода (синглетного - 1O2, супероксидного радикала - O2–, пероксида водорода - Н2О2, гидроксильного радикала - OH–). Дыхание в течение нескольких часов газовой смесью с высокой концентрацией O2 может привести к повреждению лёгких. Первые патологические изменения обнаруживаются в эндотелиальных клетках лёгочных капилляров. У здоровых добровольцев при дыхании чистым кислородом при нормальном атмосферном давлении через 24 ч возникают неприятные ощущения за грудиной, усугубляющиеся при глубоком дыхании. Кроме того, жизненная ёмкость лёгких у них снижается на 500–800 мл. Это обусловливает так называемый абсорбционный ателектаз, вызванный интенсивным переходом O2 в венозную кровь и быстрым спадением альвеол. Послеоперационный ателектаз часто встречается у больных, дышащих газовыми смесями с высоким содержанием O2. Особенно высокая вероятность спадения паренхимы лёгкого имеется в нижних его отделах, где паренхима лёгких расправлена в наименьшей степени.

Во время водолазного погружения парциальное давление N2 возрастает, в результате этот плохо растворимый газ накапливается в тканях. Во время подъёма азот медленно удаляется из тканей. Если декомпрессия происходит слишком быстро, образуются пузырьки азота. Большое количество пузырьков сопровождается болями, особенно в области суставов (кессонная болезнь ). В тяжёлых случаях могут возникать нарушения зрения, глухота и даже параличи. Для лечения декомпрессионной болезни пострадавшего помещают в специальную камеру с высоким давлением.

Базисные знания студентов необходимые для реализации целей занятия:

Знать:

Организацию дыхательного центра и роль разных его отделов в регуляции дыхания.

Механизмы регуляции дыхания (нервно-рефлекторный и нервно-гуморальный) и опыты их доказывающие (опыт Фредерика и Гейманса).

Типы вентиляции легкого при различных состояниях организма.

Уметь:

Рисовать схемы организации дыхательного центра и центрального механизма дыхания.

Рисовать пневмограммы при различных функциональных состояниях организма.

Рисовать схему модели Дондерса.

Вопросы для самоподготовки к занятию.

Дыхательный центр. Современные представления о его структуре и функции. Автоматия дыхательного центра.

Спинальный уровень регуляции дыхания. Роль проприорецепторов дыхательных мышц в регуляции дыхания.

Роль продолговатого мозга и варолиева моста в поддержании периодики и оптимального уровня легочной вентиляции.

Роль гипоталамуса лимбической системы и коры больших полушарий в регуляции дыхания при различных приспособительных реакциях организма.

Гуморальная регуляция дыхания: опыты, регистрирующая роль кислорода и углекислого газа.

Дыхание в условиях повышенного и пониженного атмосферного давления. Кессонная болезнь. Горная болезнь.

Механизм первого вздоха новорожденного.

Учебно-практическая и исследовательская работа:

Задание № 1

Просмотрите видеофильм «Регуляция дыхания» и ответьте на следующие вопросы.

Каковы современные представления о структуре дыхательного центра?

Чем обусловлена правильная смена вдоха и выдоха?

Что такое апноэ, диспноэ, гиперпноэ?

Какое влияние на дыхательный центр оказывает избыток диоксида углерода и недостаток кислорода в крови?

Что такое гиперкапния, гипокапния?

Что такое гипоксия?

Что такое гипоксемия?

Какова роль хеморецепторов в регуляции дыхания?

Какова роль механорецепторов легких в регуляции частоты и глубины дыхания?

Чем обусловлен первый вдох ребенка?

В каких условиях и почему может возникнуть кессонная болезнь?

В чем причина возникновения высотной, или горной, болезни и как она проявляется?

Какие защитные дыхательные рефлексы вы знаете?

Задание № 2

Проанализируйте ситуационные задачи:

После произвольной задержки дыхания, дыхание независимо от воли обследуемого, автоматически возобновляется. Почему?

Почему на больших высотах, при разгерметизации скафандра у астронавта может «закипать» кровь?

Как узнать, дышал ли внезапно умерший ребенок сразу после рождения или не дышал?

В больницу поступил тяжелый больной, В распоряжении врача имеется карбоген (95% О 2 и 6% СО 2) и чистый кислород. Что выберет врач и почему?

На собаках проведены эксперименты с перерезкой мозга на разных уровнях: 1) перерезка между шейным и грудным отделами спинного мозга; 2) перерезка между продолговатым и спинным мозгом. Какие изменения у собак наблюдались у собак в данных экспериментах? Объясните ваши ответы.

1.Материал лекций.

2.Физиология человека: Учебник/Под ред. В.М.Смирнова

3.Нормальная физиология. Учебное пособие./ В.П.Дегтярев, В.А.Коротич, Р.П.Фенькина,

4.Физиология человека: В 3-х томах. Пер. с англ./ Под. Ред. Р. Шмидта и Г. Тевса

5. Практикум по физиологии /Под ред. М.А. Медведева.

6.Физиология. Основы и функциональные системы: Курс лекций/ Под ред. К. В.Судакова.

7.Нормальная физиология: Курс физиологии функциональных систем. /Под ред. К.В.Судакова

8.Нормальная физиология: Учебник/ Ноздрачев А.Д., Орлов Р.С.

9.Нормальная физиология: учебное пособие: в 3 т. В. Н. Яковлев и др.

10.Юрина М.А Нормальная физиология (учебно-методическое пособие).

11.Юрина М.А. Нормальная физиология (краткий курс лекций)

12.Физиология человека / Под редакцией А.В. Косицкого.-М.: Медицина, 1985.

13.Нормальная физиология / Под ред. А.В. Коробкова.-М.; Высшая школа, 1980.

14.Основы физиологии человека / Под ред. Б.И. Ткаченко.-Спб.; 1994.

15.Физиология человека и животных / Под ред. А.Б. Когана. Часть 1 глава

16.Основы физиологии / Под ред. П. Стерки. Глава 17.

Дыхание регулируется дыхательным центром, который находится в спинном, продолговатом мозге, мосту, гипоталамусе, коре больших полушарий.

Ведущая роль в организации дыхания принадлежит центру продолговатого мозга, который состоит из центров вдоха (инспираторные нейроны) и выдоха (экспираторные нейроны). Разрушение этой области ведет к остановке дыхания. Здесь находятся нейроны, обеспечивающие ритмичность вдоха и выдоха. Это связано с тем, что дыхательный центр обладает свойством автоматии, т.е. его нейроны способны ритмически самовозбуждаться. Автоматия сохраняется, даже если к дыхательному центру не поступают нервные импульсы по центростремительным нейронам. Автоматия может изменяться в зависимости от гуморальных факторов, нервных импульсов, поступающих по центростремительным нейронам и под влиянием вышележащих отделов мозга. От дыхательного центра нервные импульсы по центробежным нейронам подходят к межреберным мышцам, диафрагме и др. мышцам.

Регуляция дыхания осуществляется с помощью гуморальных, рефлекторных механизмов и нервных импульсов, поступающих из вышележащих отделов головного мозга.

Гуморальные механизмы

Специфическим регулятором активности нейронов дыхательного центра является углекислый газ, который действует на дыхательные нейроны непосредственно и опосредованно. Углекислый газ непосредственно возбуждает инспираторные клетки дыхательного центра. В механизме стимулирующего влияния углекислого газа на дыхательный центр важное место принадлежит хеморецепторам сосудистого русла. В области сонных синусов и дуги аорты обнаружены хеморецепторы, чувствительные к изменениям напряжения углекислого газа в крови. Кстати, первый вдох новорожденного объясняется действием накопившейся в его тканях углекислого газа на дыхательный центр (после перерезки пуповины и отделения от организма матери). Это действие является как прямым, так и опосредованным, рефлекторным – через хеморецепторы сонного синуса и дуги аорты. Избыток углекислого газа в крови вызывает одышку. Недостаток кислорода в крови углубляет дыхание. Установлено, что повышение напряжения кислорода в крови тормозит активность дыхательного центра.

Рефлекторные механизмы. Различают постоянные и непостоянные рефлекторные влияния на функциональное состояние дыхательного центра. Постоянные рефлекторные влияния возникают в результате раздражения рецепторов альвеол (рефлекс Э. Геринга – И. Брейера), корня легкого и плевры (плевропульмональный рефлекс), хеморецепторов дуги аорты и сонных синусов (рефлекс К. Гейманса), проприорецепторов дыхательных мышц.

Рефлекс Э. Геринга и И. Брейера называют рефлексом торможения вдоха при растяжении легких. При вдохе возникают импульсы, тормозящие вдох и стимулирующие выдох, а при выдохе – импульсы, рефлекторно стимулирующие вдох. Регуляция дыхательных движений осуществляется по принципу обратной связи. При перерезке блуждающих нервов рефлекс выключается, дыхание становится редким и глубоким.

Непостоянные рефлекторные влияния на активность дыхательных нейронов связаны с возбуждением разнообразных экстерорецепторов и интерорецепторов. Так, например, при внезапном вдыхании паров аммиака, хлора, табачного дыма и некоторых других веществ происходит раздражение рецепторов слизистой оболочки носа, глотки, гортани, что приводит к рефлекторному спазму голосовой щели (иногда даже мускулатуры бронхов) и рефлекторной задержке дыхания. Сильные температурные воздействия на кожу возбуждают дыхательный центр, увеличивают вентиляцию легких. Резкое охлаждение угнетает дыхательный центр. На дыхание влияют боль, импульсы от сосудистых барорецепторов: так, повышение артериального давления угнетает дыхательный центр, что проявляется уменьшением глубины и частоты дыхания.

При раздражении эпителия дыхательных путей накопившейся пылью, слизью, химическими раздражителями и инородными телами возникают чиханье и кашель (защитные врожденные рефлексы). Чиханье возникает при раздражении рецепторов слизистой оболочки носа, кашель – при возбуждении рецепторов гортани, трахеи, бронхов.

Первый уровень регуляции – спинной мозг. Здесь располагаются центры диафрагмальных и межреберных нервов, обусловливающие сокращение дыхательных мышц. Однако этот уровень регуляции дыхания не может обеспечить ритмичную смену фаз дыхательного аппарата.

Второй уровень регуляции – продолговатый мозг. Здесь находится дыхательный центр, который перерабатывает разнообразные афферентные импульсы, идущие от дыхательного аппарата, а также от основных рефлексогенных сосудистых зон. Этот уровень регуляции обеспечивает ритмичную смену фаз дыхания и активность спинномозговых мотонейронов, аксоны которых иннервируют дыхательную мускулатуру.

Третий уровень регуляции – верхние отделы головного мозга, включающие и корковые нейроны. Только при участии коры большого мозга возможно адекватное приспособление реакций системы органов дыхания к изменяющимся условиям окружающей среды.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ:

1. Общий план строения и значение дыхательной системы.

2. Строение полости носа.

3. Строение гортани.

4. Строение трахеи и главных бронхов.

5. Строение легких.

6. Плевральные полости и синусы.

7. Границы легких и плевры

8. Понятие о средостении. Органы средостения.

9. Этапы процесса дыхания.

10. Аппарат внешнего дыхания.

11. Дыхательный цикл.

12. Механизмы вдоха и выдоха.

13. Понятие о легочных объемах и легочной вентиляции.

14. Состав атмосферного, альвеолярного и выдыхаемого воздуха.

15. Газообмен в легких.

16. Транспорт газов кровью.

17. Газообмен между кровью и тканями.

18. Дыхательный центр. Регуляция дыхания.

Задание № 1. Выберите одно правильное утверждение:

1. В дыхательную систему не входит:

A) пищевод

B) гортань

2. Вход в гортань при глотании закрывается:

B) щитовидным хрящом

C) надгортанником

D) язычком мягкого неба

3. Наибольшая частота дыхательных движений будет при концентрации углекислого газа в крови:

4. Дыхательный объем легких равен:

A) 1500 – 2000 мл

B) 300 – 700 мл

C) 1000 – 1500 мл

D) 3000 – 3500 мл

5. Обонятельной областью является:

A) верхний носовой ход

B) средний носовой ход

C) нижний носовой ход

D) преддверие носа

6. Самый крупный хрящ гортани:

A) перстневидный

B) щитовидный

C) надгортанный

D) черпаловидный

7. Бифуркация трахеи находится на уровне:

A) VIII грудного позвонка

B) III грудного позвонка

C) V грудного позвонка

D) II грудного позвонка

8. Количество сегментов верхней доли правого легкого:

9. Каждая легочная долька содержит:

A) 18 ацинусов

B) 30 ацинусов

C) 10 ацинусов

D) 5 ацинусов

10. Увеличение глубины дыхания называется:

A) гипервентиляцией

B) гиперпноэ

C) тахипноэ

Задание №2. Ответьте на вопросы ситуационных задач

№1. Жизненная емкость обследуемого 3600 мл, резервный объем выдоха 1500 мл, резервный объем вдоха 1600 мл, частота дыхания 16 в минуту. Каков минутный объем дыхания обследуемого?

№2. Два спортсмена, близких по возрасту и физическому развитию, участвуют в забеге на 1000 метров. В конце дистанции минутный объем дыхания первого - 120 литров, частота дыхательных движений – 80 в минуту, у второго минутный объем дыхания - 120 литров, при частоте дыхательных движений – 40 в минуту. Кто из обследуемых спортсменов более тренирован? Вычислить дыхательный объем обоих спортсменов.

№3. При исследовании функционального состояния аппарата внешнего дыхания у студента выявлено: дыхательный объем – 600 мл, резервный объем вдоха – 1800 мл, резервный объем выдоха – 1900 мл. Какова жизненная емкость легких студента?

ЭТАЛОНЫ ОТВЕТОВ

Задание №1: 1-A, 2-C, 3-D, 4-B, 5-A, 6-B, 7-C, 8-D, 9-A, 10-B.

Задание №2. №1: Минутный объем обследуемого 8000 мл, если дыхательный объем – 500 мл.

№2: Второй спортсмен тренирован в большей степени: он имеет больший дыхательный объем, поэтому частота дыхательных движений у него вдвое реже. Дыхательный объем первого спортсмена – 1,5 литра; второго спортсмена – 3 литра. №3: Жизненная емкость легких – 4300 мл.