第五章 呼吸
2011-06-08 18:15:52   来源：   作者：  评论：0 点击：

第五节 呼吸运动的调节
(Regulation of respiratory movement)
呼吸运动受意识控制，在一定程度上是一种随意运动。但同时又不因睡眠而中断，也不受各种躯体活动的干扰，即呼吸运动是一种自动的节律性活动，其深度和频率随体内外环境的改变而改变。例如，肌肉活动时代谢增强，呼吸运动加深加快，肺通气量增大，以摄取更多的O2，排出更多的CO2。呼吸运动是由于呼吸肌的节律性收缩与舒张引起的，而呼吸肌属骨骼肌，本身没有自律性。那么，这种自动的节律性的呼吸是怎样产生的？呼吸的深度和频率又如何能随内外环境改变而改变？本节将围绕这些问题进行讨论。
一、呼吸中枢
(Respiratory center)
（一）呼吸中枢
呼吸中枢(respiratory center)是指中枢神经系统内产生呼吸节律和调节呼吸运动的神经细胞群。在对呼吸中枢定位的诸多实验中，最具有意义的是1923年由英国的生理学家Lumsden对猫的脑干进行系列切割（图5-13）。该实验观察到，在脑桥与中脑之间切断，呼吸运动基本正常，提示大脑皮层等高级中枢不是产生节律性呼吸的必需部位；在脊髓与延髓间切断，保留脊髓以下的部分，动物呼吸停止，提示脊髓不能产生自动的节律性的呼吸。但支配呼吸肌的下运动神经元位于脊髓，后者为联系脑和呼吸肌的中继站和整合某些呼吸反射的初级中枢；而在延髓与脑桥间横断，保留延髓及以下的部分，此时可见到喘息样呼吸，表明延髓是呼吸节律产生的部位。而在延髓与脑桥存在时，呼吸节律是正常的，提示正常呼吸节律的形成还有赖于延髓与脑桥的共同配合。事实上，呼吸中枢分布在大脑皮层、间脑、脑桥、延髓和脊髓等各级部位，它们在呼吸节律的产生和调节中所起的作用不同，共同实现机体的正常呼吸运动。
1．脑干呼吸神经元的分类 目前呼吸中枢的神经元常按神经元放电类型、神经元投射方式及肺扩张反应等进行分类，其中以按神经元放电类型的分类方法最重要。按这种分类方法将脑干呼吸中枢的神经元分为：（1）早期吸气神经元(Early-I)：于吸气早期放电频率最高，随后逐渐降低；（2）增强型吸气神经元(I-Aug)：放电形式与Early-I正好相反，即放电频率随吸气增加；（3）后期吸气神经元(Late-I)：在吸气相与呼气早期放电，可能与中止吸气有关；（4）吸气后神经元(Post-I)：在呼气相早期放电；（5）增强型呼气神经元(E-Aug)：在呼气中晚期放电，末期放电频率最高；（6）吸气前神经元(Pre-I)：放电活动从呼气相持续到吸气相。
2．脑桥的呼吸神经元群 呼吸神经元相对集中于臂旁内侧核(parabrachialis medialis nuclei，NPBM)和相邻的K?11iker-Fuse(KF)核，合称PBKF核群。PBKF与延髓的呼吸神经核团之间有双向联系，形成调控呼吸的神经网络。在麻醉猫，切断双侧迷走神经，损毁PBKF可出现长吸式呼吸，提示该区的作用是限制吸气，促使吸气向呼气转换，从而起着稳定呼吸类型、减慢节律和影响呼吸时程等呼吸调整作用。
3．延髓的背侧呼吸组 背侧呼吸组(dorsal respiratory group，DRG)位于延髓背内侧，主要包括孤束核腹外侧区(vl-NTS)和中缝核(raphe nuclei)，以吸气神经元为主，其轴突在闩部交叉到对侧，终止于脊髓颈、胸段的膈神经运动神经元和肋间神经运动神经元。DRG的神经元接受肺牵张感受器、外周化学感受器等处的传入冲动，起着整合传入信息和调节呼吸运动的作用。
4．延髓的腹侧呼吸组 腹侧呼吸组(ventral respiratory group，VRG)相当于后疑核、疑核、旁疑核和面神经后核，所含的吸气神经元和呼气神经元数目大致相当。按其结构与功能VRG可分为三个部分：（1）VRG尾部(caudal VRG，cVRG)，位于脊髓与延髓连接处到闩门附近，主要包括后疑核，以呼气神经元为主，其轴突下行投射到胸段脊髓前角，支配肋间内肌和腹肌运动神经元，兴奋时引起主动呼气；（2）VRG中间部(intermediate VRG，iVRG)，位于延髓腹外侧，主要包括疑核和旁疑核，以吸气神经元为主，其轴突经脊髓支配膈肌和肋间外肌运动神经元，引起吸气；疑核呼吸神经元的轴突经同侧舌咽神经和迷走神经，再支配咽喉部的呼吸辅助肌；（3）VRG头端部(rostral VRG，rVRG)，包括面神经后核、包钦格复合体(B?tzinger complex，B?t C)，前包钦格复合体(pre-B?tzinger complex，pre-B?t C)等。与呼吸节律起源有关。
5．高位脑的呼吸调整作用 脑桥以上的高位中枢，如大脑皮层、边缘系统、下丘脑等对呼吸有调整作用。大脑皮层可通过皮层脊髓束和皮层脑干束控制呼吸运动神经元的活动，如说话、唱歌、哭笑等，并在一定限度内可随意屏气或加深加快呼吸。因此，大脑皮层属随意呼吸调节系统。而低位脑干的呼吸相关神经元经复杂的相互作用产生的节律性呼吸，通过相应的传出纤维到达脊髓前角呼吸神经元，属不随意的自主呼吸节律调节系统。由于这两个系统的下行通路是分开的，临床上可观察到自主呼吸和随意呼吸分离的现象。例如在脊髓前外侧下行的自主呼吸通路受损，自主节律呼吸受影响甚至停止，此时患者可通过随意呼吸或人工呼吸来维持肺通气。但若未进行人工呼吸，一旦病人入睡，可以发生呼吸停止。
（二）呼吸节律的起源与控制
前已述及，呼吸节律起源于延髓，但是其确切部位尚不完全清楚。近年来新的研究方法，如脑切片，脑干-脊髓标本，神经元分离、培养和标记技术，电生理和微电极技术，双聚焦激光显微术等，为呼吸中枢的研究提供了条件。目前比较公认的呼吸节律形成机制主要有以下两种。
1．起步神经元学说 该学说认为在延髓中存在起步神经元(pacemaker neuron)，Smith等学者在新生鼠及胎鼠证实，延髓头端腹外侧区的前包钦格复合体(pre-B?t C)含有6种呼吸神经元，实验观察到其中一些神经元具有自动去极化的起步特征，是呼吸节律起源的关键部位。
2．神经元网络学说 即呼吸节律的产生依赖于延髓内呼吸神经元之间复杂的相互联系和相互作用。Richter等学者提出由呼吸节律发生器(respiratory rhythmical generator，RRG)和吸气形式发生器(inspiratory pattern generator，IPG)构成呼吸神经元网络（图5-14）。在呼吸过程中吸气和呼气的发生与切断由呼吸节律发生器完成，而呼吸运动的模式由吸气形式发生器来执行。有研究表明, 呼吸节律发生器的活动受环境因素和联合性学习的调制,提示呼吸节律发生器的活动具有高度可塑性。

二、呼吸的反射性调节
(Reflex regulation of respiration)
产生于延髓的节律性呼吸活动除受中枢神经系统相关的呼吸神经元网络的控制外，也受呼吸器官以及血液循环等其他器官系统感受器传入冲动的反射性调节。
（一）机械感受性反射
1．肺牵张反射(pulmonary stretch reflex)
该反射是由Breuer和Hering在1868年首次报道，因此又称为黑-伯反射(Hering-Breuer reflex)，包括：
（1）肺扩张反射(pulmonary inflation reflex) 指肺充气或扩张到一定程度时抑制吸气的反射。感受器位于从气管到细支气管的平滑肌中，属牵张感受器，具有阈值低，适应慢的特点。当肺扩张时，呼吸道受牵拉扩张，呼吸道平滑肌中的感受器兴奋，冲动经迷走神经粗纤维传入延髓。在延髓内通过相关的神经联系激活吸气切断机制，使吸气停止，转入呼气。因此，肺扩张反射的意义是避免吸气过长，加速吸气和呼气的转换，增加呼吸频率。在动物实验中如果切断迷走神经，将出现吸气延长、加深，呼吸频率变慢。肺扩张反射存在明显的种属差异，兔的最强，人的最弱。平静呼吸时，肺扩张反射不参与人的呼吸调节。但在新生儿存在这一反射，大约在出生4～5天后，该反射将显著减弱。病理情况下，如各种因素使肺顺应性降低，肺扩张对气道的牵张刺激增强，激活肺扩张反射，使呼吸变浅、变快。
（2）肺萎陷反射(pulmonary deflation reflex) 指肺萎陷到一定程度时反射性地使呼气停止，引起吸气。感受器位于气道平滑肌内，传入神经纤维走行于迷走神经干中。肺萎陷反射在肺明显缩小时才出现。对防止呼气过深和肺不张等可能起一定作用，例如气胸造成肺萎陷时可兴奋肺萎陷反射的感受器，反射性增强呼吸。
2．呼吸肌本体感受性反射(respiratory reflex of respiratory muscle) 当呼吸肌内的肌梭受到牵拉刺激时，可反射性引起呼吸运动加强。例如实验动物或某些病人因治疗需要而切断脊神经背根时将引起相应的呼吸肌活动暂时性减弱，表明呼吸肌本体感受性反射参与正常呼吸运动的调节。
3．肺毛细血管旁(J)感受器引起的呼吸反射(respiratory reflex of juxtapulmonary- capillary receptor) 在肺毛细血管旁和肺泡之间的间质中存在肺毛细血管旁感受器(juxtapulmonary-capillary receptor，J感受器)，其传入纤维到达延髓，反射性引起呼吸暂停，继而呼吸浅快。在心肺疾病中如肺炎、肺水肿、肺栓塞时可能通过兴奋J感受器引起呼吸急促。
4．防御性呼吸反射(protective reflex) 当呼吸道受到机械性或化学性刺激时，分布于呼吸道黏膜上皮内的感受器兴奋，引起咳嗽反射、喷嚏反射等防御性反射，以清除刺激物，避免其进入肺泡。
（二）化学因素对呼吸的调节
化学因素主要是指动脉血或脑脊液中的O2、CO2和H＋。机体通过呼吸运动调节血液中O2、CO2和H＋水平，动脉血中O2、CO2和H＋水平的变化又通过化学感受性反射调节呼吸运动，以维持内环境的相对稳定。
1．化学感受器(chemoreceptor) 是指其适宜刺激为O2、CO2和H＋的感受器，分为外周化学感受器和中枢化学感受器。
（1）中枢化学感受器(central chemoreceptor)：位于延髓腹外侧浅表部位，常沿腹侧表面血管分布。分为左右对称的头、中、尾三个化学敏感区。延髓的头端区和尾端区具有化学感受性。中间区则无化学感受性，但动物实验中若阻滞或损伤中间区后，动物出现通气量降低，此时再刺激头端区和尾端区不再出现通气改变，提示中间区可能是头端区和尾端区传入冲动向脑干呼吸中枢投射的中继站。
如果在实验中用含高浓度CO2的人工脑脊液灌流脑室，肺通气明显加强。但若保持人工脑脊液的pH不变，则用含高浓度CO2的人工脑脊液灌流脑室，肺通气基本不变。反之，增加人工脑脊液中的H＋浓度，肺通气加强。以上结果表明：中枢化学感受器的生理性刺激是脑脊液和局部细胞外液中的H＋，而不是CO2本身。但在体内，血液中的CO2能以单纯扩散的方式迅速通过血脑屏障，在脑脊液中碳酸酐酶的作用下，CO2与水生成H2CO3，后者再离解出H＋，使中枢化学感受器周围液体中的H＋浓度升高，刺激中枢化学感受器，使得呼吸中枢兴奋。这样CO2的增加可通过兴奋中枢化学感受器而兴奋呼吸（图5-15）。但脑脊液中碳酸酐酶含量很少，CO2与水生成H2CO3的反应很慢。因此，中枢化学感受器对CO2变化作出反应潜伏期较长。
中枢化学感受器对CO2的敏感性比外周化学感受器高25倍，但不能感受缺O2的刺激。中枢化学感受器的生理作用可能在于调节脑脊液的H＋浓度，使中枢神经系统有一稳定的pH环境。
（2）外周化学感受器(peripheral chemoreceptor)：指颈动脉体(carotid body)和主动脉体(aortic body)。当动脉血Po2降低、Pco2或H＋浓度升高时颈动脉体和主动脉体兴奋，冲动经窦神经（舌咽神经的分支）和主动脉神经（行走于迷走神经干内）传入延髓，反射性地引起呼吸加深加快和血液循环的变化。虽然颈动脉体、主动脉体二者都参与呼吸和循环的调节，但是颈动脉体主要调节呼吸，而主动脉体在循环调节方面更为重要。由于颈动脉体处于颈内外动脉分叉处，是血液进入脑内的必经之处，所以也称它为化学因素监测站。
颈动脉体（图5-16）含I型细胞和Ⅱ型细胞，周围包绕着毛细血管窦，因而血液供应十分丰富。I型细胞呈球形，也称为球细胞。内有大量含递质（如乙酰胆碱、儿茶酚胺、神经活性肽等）的囊泡。这类细胞起着感受器的作用。Ⅱ型细胞数量较少，没有囊泡。Ⅱ型细胞包绕着I型细胞、神经纤维，故又称为鞘细胞。在功能上类似神经胶质细胞，与颈动脉体其他成分之间没有特化的接触。窦神经的传入纤维末梢穿插于I、Ⅱ型细胞之间，与I型细胞形成特化的接触，包括单向突触、交互突触、缝隙连接等。通过交互突触在Ⅰ型细胞与传入神经之间形成反馈环路，通过释放递质调节化学感受器的敏感性。当Pco2或H＋浓度升高时，进入I型细胞的H＋增多，细胞内H＋-Na＋交换加速，进而使Na＋-Ca2＋交换增加，细胞内Ca2＋浓度升高；Po2降低则可抑制I型细胞膜上的K＋通道，K＋外流减少，细胞膜去极化，膜上电压门控的Ca2＋通道开放，Ca2＋内流。这样，I型细胞内Ca2＋浓度升高引起递质释放，产生相应的神经冲动传入呼吸中枢。此外，颈动脉体还接受传出神经支配，通过调节局部血流和化学感受器的敏感性来改变化学感受器的活动。
实验证明，外周化学感受器敏感的是动脉血中的Po2降低、Pco2增高和H＋浓度增加，而对动脉血中的氧含量降低不敏感。因此，临床上贫血或一氧化碳中毒时，如果血流量充分，尽管血O2含量已下降，但Po2可以保持正常，此时化学感受器传入冲动便不增加。此外，Po2降低、Pco2增高和H＋浓度增加对化学感受器的刺激有相互增强的作用，两种因素同时作用时比单一因素的刺激效应大。这种协同作用有重要意义，因为机体发生循环或呼吸衰竭时，常常是Pco2升高和Po2降低同时存在，而协同作用的存在可加强对化学感受器的刺激，从而增强代偿性呼吸。
2．CO2、H＋和O2对呼吸的调节
（1）CO2：在测定最大通气量时，测定时间常选择10～15s。如果测定时间过长造成机体过度通气时，动脉血Pco2下降过多可导致呼吸暂停。这是因为维持呼吸中枢的兴奋性需要一定水平的Pco2。由此可见，CO2是调节呼吸最重要的生理性化学因素。
当吸入气中CO2增加或呼吸暂停等导致动脉血Pco2升高时，CO2可通过两条途径刺激呼吸：一是兴奋外周化学感受器，冲动经窦神经和迷走神经传入延髓，兴奋呼吸中枢；二是通过使脑脊液中H＋浓度增加，兴奋中枢化学感受器再兴奋呼吸中枢；两者共同作用，反射性地使呼吸加深、加快，肺通气量增加（图5-17）。随着CO2排出的增加，使肺泡气和动脉血的Pco2回降。在这两条途径中，以兴奋中枢化学感受器的作用为主。因为切断外周化学感受器的传入神经之后，吸入CO2仍能引起通气反应的明显增强，其幅度仅下降约20%。进一步研究表明，中枢化学感受器和外周化学感受器的兴奋阈值分别为动脉血Pco2升高0.26kPa(2mmHg)和1.33kPa(10mmHg)。可见，中枢化学感受器在CO2通气反应中起主要作用。但在某些情况下如动脉血Pco2突然增高，因中枢化学感受器对CO2的反应较慢，此时外周化学感受器迅速起作用，引起呼吸加深加快。此外，当中枢化学感受器对CO2的敏感性降低时，外周化学感受器也起重要作用。
如果CO2过高，如吸入气CO2含量超过一定水平时，肺通气量不能相应增加，则肺泡气和动脉血Pco2迅速升高造成CO2潴留，可抑制中枢神经系统包括呼吸中枢的活动，出现呼吸困难、头痛、头昏，严重时昏迷甚至死亡，即CO2麻醉。
（2）H＋：动脉血H＋浓度增高时可直接兴奋外周化学感受器，同时少量可通过血脑屏障进入脑脊液，兴奋中枢化学感受器，从而兴奋呼吸中枢，使呼吸加深加快，肺通气量增加（图5-17）。尽管中枢化学感受器对H＋的敏感性比外周化学感受器高，但H＋难以通过血脑屏障，限制了它对中枢化学感受器的作用。因此，血液中H＋浓度增加对呼吸的兴奋作用主要是通过外周化学感受器实现的。同时呼吸的加深加快将使CO2排出增多，Pco2分压随之降低，在一定程度上限制了呼吸的加强。因此，血中H＋浓度对呼吸效应的影响不如CO2明显。
（3）缺O2：各种原因使动脉血中Po2降低时，一方面缺O2可直接抑制呼吸中枢，另一方面PO2降低可兴奋外周化学感受器，使呼吸中枢兴奋。即缺O2对呼吸的直接作用是抑制，其间接作用是兴奋。因此，呼吸中枢的活动变化将取决于缺O2的程度。当轻度缺O2时，间接的兴奋作用大于直接的抑制作用，呼吸中枢兴奋，呼吸加深、加快，肺通气增加（图5-17）。这种变化发生在动脉血Po2下降到10.64kPa(80mmHg)以下时，可见动脉血Po2对正常呼吸的调节作用不大。但在某些特殊情况下低O2对呼吸的剌激有重要意义，如严重肺气肿、慢性呼吸衰竭的病人，肺换气功能严重受损，导致低O2和CO2潴留。中枢化学感受器对长时间CO2潴留产生适应，而外周化学感受器对低O2刺激的适应很慢，此时低O2对外周化学感受器的刺激成为兴奋呼吸的主要刺激。如果吸入纯O2来改善缺氧，则取消了低O2对外周化学感受器的刺激，可引起呼吸暂停。因此，应低流量给氧，以保留一定程度的缺氧。
如果缺O2进一步加重，则缺O2对呼吸中枢的直接抑制作用加强，外周化学感受器反射不足以克服缺O2对呼吸中枢的抑制作用，将导致呼吸停止。
三、气压对呼吸的影响
(Influence of barometric pressure of respiration)
在高原低气压地区，吸入气Po2降低,刺激外周化学感受器,进而兴奋呼吸中枢，使呼吸加深加快，肺通气量增加，以升高肺泡气Po2，改善机体缺氧。同时CO2排出增多，动脉血中Pco2降低，H＋浓度降低。H＋浓度降低可抑制呼吸中枢和化学感受器的敏感性，可降低缺O2的代偿效应。同时血中CO2和H＋浓度降低将使氧离曲线左移，不利于O2的释放。以上因素将造成机体一定程度的缺O2。但长期生活在高原环境的人，对缺O2的耐受力会逐渐增强以适应低氧环境，这一过程称为习服。包括：（1）增加肾脏HCO3－的排出，在一定范围内使血中H+浓度增加，解除对呼吸中枢的抑制，加强化学感受性反射，保证较大的肺通气量；（2）血中HCO3－降低，可增加CO2的刺激作用；（3）低O2使促红细胞生成素分泌增加，红细胞生成增加，有利于O2的运输；（4）红细胞内2,3-DPG增加，及CO2和H＋浓度的相对增加使氧离曲线右移，促进O2的释放。
四、 异常呼吸
(Abnormal respiratory)
（一）陈-施呼吸
陈-施呼吸(Cheyne-Stokes respiration)特征是呼吸逐渐加强，又逐渐减弱至呼吸暂停（约10～30s），随后又开始下一个周期。因此这种呼吸也称为潮式呼吸。其机理是：某种因素使呼吸受到刺激，呼吸加深加快，肺通气过多，血中Pco2降低。后者又使呼吸中枢活动减弱，呼吸变浅、变慢，甚至停止。随之血中的CO2又开始升高，呼吸活动再次加强。陈-施呼吸主要出现于：（1）心力衰竭时的肺-脑循环延长，即肺泡气与化学感受器处的Pco2存在时程差；（2）呼吸中枢的反馈增益变大（即对刺激的敏感性增加），如中枢病变。但也可见于正常人睡眠时、新生儿和老年人。
（二）比-奥呼吸
比-奥呼吸(Biot respiration)的特点是一次或多次强呼吸后，随之是长时间的呼吸停止，接着又再次出现一次或多次强呼吸。其周期在10～60s。其机理可能与呼吸中枢受损有关，常见于脑膜炎、脑损伤、脑脊液压力升高。
（三）睡眠呼吸暂停综合症
睡眠呼吸暂停综合症(sleep apnea syndromes)指在睡眠期间多次出现时间较长的呼吸暂停，可伴有动脉血Pco2升高，氧饱和度增加。由于睡眠期间出现呼吸暂停将影响睡眠的质量，伴随的觉醒使人处于应激状态，易诱发心脑血管疾病。因此，对机体将产生一定的影响。睡眠呼吸暂停综合症可分为：
1．外周性睡眠呼吸暂停 也称为阻塞性睡眠呼吸暂停，通常是仰卧睡眠并打鼾时舌根部后缩阻塞气道，呼吸气流停止，使血液中Pco2升高。后者又刺激化学感受器进而兴奋呼吸中枢。因而随着气道阻塞时间延长，呼吸活动逐渐加强。当刺激达到一定程度时可引起觉醒，气道阻塞解除，肺通气恢复。
2．中枢性睡眠呼吸暂停 由于呼吸中枢吸气神经元活动停止导致呼吸暂停，随后血中Pco2增加，Po2降低刺激呼吸中枢再次引起呼吸节律。
3．混合性呼吸暂停 指外周性睡眠呼吸暂停和中枢性睡眠呼吸暂停共存的现象。