生理學/化學因素對呼吸的調節

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生理學

呼吸
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  - 運動時呼吸的變化及調節

化學因素對呼吸的調節也是一種呼吸的反射性調節，化學因素是指動脈血或腦脊液中的O₂、CO₂和H⁺。機體通過呼吸調節血液中的O₂、CO₂和H⁺的水平，動脈血中O₂、CO₂和H⁺水平的變化又通過化學感受器調節著呼吸，如此形成的控制環維持著內環境這些因素的相對穩定。

（一）化學感受器

化學感覺器是拂曉春適宜刺激化學物質的感受器。參與呼吸調節的化學感受器因其所在部位的不同，分為外周化學感受器和中樞化學感受器。

1．外周化學感受器頸動脈體和主動脈體是調節呼吸和循環的重要外周化學感受器。在動脈血PO₂降低、PCO₂或H⁺濃度（［H⁺］）升主時受到刺激，衝動經竇神經和迷走神經傳入延髓，反射性地引起呼吸加深加快和血液循環的變化。雖然頸、主動脈體兩者都參與呼吸和循環的調節，但是頸動脈體主要調節呼吸，而主動脈體在循環調節方面較為重要。由於頸動脈體的有利的解剖位置，所以，對外周化學感受器的研究主要集中在頸動脈體。

頸動脈體含Ⅰ型細胞（球細胞）和Ⅱ型細胞（鞘細胞），它們周圍包繞以毛細血管竇。血液供應十分豐富。Ⅰ型細胞呈球形，有大量囊泡，內含遞質，如乙醯膽鹼、兒茶酚胺、某些神經活性肽等。Ⅱ型細胞數量較少，沒有囊泡。Ⅱ型細胞包繞著Ⅰ型細胞、神經纖維和神經末梢，功能上類似神經膠質細胞，與頸動脈體其它成分之間沒有特化的接觸。竇神經的傳入纖維末梢分支穿插於Ⅰ、Ⅱ型細胞之間，與Ⅰ型細胞形成特化接觸，包括單向突觸、交互突觸、縫隙邊接等（圖5-19），傳入神經末梢可以是突觸前和（或）突觸後成分。交互突觸構成Ⅰ型細胞與傳入神經之間的一種反饋環路，借釋放遞質調節化學感受器的敏感性。此外，頸動脈體還有傳出神經支配，借調節血流和化學感受器以改變化學感受器的活動。

用游離的頸動脈體，記錄其傳入神經單纖維的動作，觀察改變灌流液成分時動作頻率的變化，可以了解頸動脈體所感受的刺激的性質以及刺激與反應之間的關係。結果發現當灌流液PO₂下降，PCO₂或［H⁺］升高時，傳入衝動增加。如果保持灌流血液的PO₂正常的13.3kPa(100mlHg)，僅減少血流量，傳入衝動也增加。困為血流量下降時，頸動脈體從單位血液中攝取的O₂量相對增加，細胞外液 PO₂因供O₂少於耗 O₂而下降。但在貧血或CO中毒時，血 O₂含量雖然下降，但PO₂正常，只需血流量充分，化學感受器傳入衝動並不增加，所以化學感受器所感受的刺激是PO₂，而不是動脈血O₂含量，而且是感受器所處環境的PO₂。從實驗中還可看出上述三種刺激對化學感受器有相互增強的作用。兩種刺激同進作用時比單一刺激的效應強。這種協同作用有重要意義，因為機體發生循環或呼吸衰竭時，總是PCO₂升高和PO₂降低同進存在，它們的協同作用加強了對化學感受器的刺激，從而促進了代償性呼吸增強的反應。

頸動脈體組織結構示意圖

圖5-19 頸動脈體組織結構示意圖

圖中未顯示Ⅱ細胞

目前認為，Ⅰ型細胞起著化學感受器的作用。當它們受到刺激時，細胞漿內［Ca²⁺］升高。觸發遞質釋放，引起傳入神經纖維興奮。PO₂降低與 PCO₂或［H⁺］升高引起細胞內［Ca²⁺］升高機制不同。PO₂降低可抑制細胞 K⁺通道的開放，K⁺外流減少，細胞膜去極化，從而促使電壓依從性Ca²⁺通道開放，Ca²⁺進入細胞。而PCO₂或［H⁺］升高時，進入細胞內的H⁺增多，激活了細胞的Na⁺-H⁺交換機制，Na⁺進入細胞，使細胞內［Na⁺］長高，繼而使細胞的Na⁺-Ca²⁺交換機制活動嗇，Na⁺出細胞，Ca²⁺進細胞內，引起細胞漿內［Ca²⁺］升高。還有資料表明，少部分胞漿內Ca²⁺可能來自細胞內的Ca²⁺貯器。

2．中樞化學感受器摘除動物外周化學感受器或切斷其傳入神經後，吸入CO₂仍能加強通氣。改變腦脊液CO₂和H⁺濃度也能刺激呼吸。過去認為這是CO₂直接刺激呼吸中樞所致年代以來，用改變腦表面灌流液成分和pH、局部冷阻斷、電凝固損傷、電刺激、記錄神經元電活動、離體腦組織塊的電生理研究等方法在多種動物做了大量實驗，結果表明在延髓有一個不同於呼吸中樞，但可影響呼吸的化學感受器，稱為中樞化學感受器，以另於外周化學感受器。

中樞化學感受器位於延髓腹外側淺表部位，左右對稱，可以分為頭、中、尾三個區（圖5-20A）。頭端和尾端區都有化學感受性，中間區不具有化學感受性，不過，局部阻滯或損傷中間區後，可以使動物通氣量降低，並使頭端、尾端區受刺激時的通氣反應消失，提示中間區可能是端區和尾端區傳入衝動向腦幹呼吸中樞投射的中繼站。應用膽鹼能激動劑和拮抗劑的研究結果表明，在中樞化學感受器傳遞環節中可能有膽鹼能機制參與。

中樞化學感受器

圖5-20 中樞化學感受器

A示延髓腹外側的三個化學敏感區 B示血液或

腦脊液PCO₂升高時，刺激呼吸的中樞機制

中樞化學感受器的生理刺激是腦脊液和局部細胞外液的H⁺。因為如果保持人工腦脊液的pH不變，用含高濃度CO₂的人工腦脊液灌流腦室時所引起的通氣增強反應消失，可見有效刺激不是CO₂本身，而是CO₂所引起的［H⁺］的增加。在體內，血液中的CO₂能迅速通過血腦屏障，使化學感受器周圍液體中的［H⁺］升高，從而刺激中樞化學感受器，再引起呼吸中樞的興奮（圖5-20B）。可是，腦脊液中碳酸酶含量很少，CO₂與水的水合反應很慢，所以對CO₂的反應有一定的時間延遲。血液中的H⁺不易以通過血液屏障，故血液pH的變化對中樞化學感受器的直接作用不大，也較緩慢。

中樞化學感受器與外周化學感受器不同，它不感受缺O₂的刺激，但對CO₂的敏感性比外周的主，反應潛伏期較長。中樞化學感受器的作用可能是調節腦脊液的［H⁺］，使中樞神經系統有一穩定的pH環境，而外周化學感受器的作用主要是在機體低O₂時，維持對呼吸的驅動。

（二）CO2、H+和O2對呼吸的影響

1．CO₂的影響很早已經知道，在麻醉動物或人，動脈血液PCO₂降得很低時可發生呼吸暫停。因此，一定水平的PCO₂對維持呼吸和呼吸中樞的興奮性是必要的，CO₂是調節呼吸的最重要的生理性體液因子。

吸入含CO₂的混合氣，將使肺泡氣PCO₂長高，動脈血PCO₂也隨之升高，呼吸加深加快，肺通氣量增加（圖5-21）。通過肺通氣量的增大可能增加CO₂的清除，肺泡氣和動脈血PCO₂還可維持於接近正常水平。但是，當吸入氣CO₂陡升，CO₂堆積，壓抑中樞神經系統的活動，包括呼吸中樞，發生呼吸困難、頭痛、頭昏，甚至昏迷，出現CO₂麻醉。對CO₂的反應，有個體差異，還受許多因素影響，如疾病或藥物。總之CO₂在呼吸調節中是經常起作用的最重要的化學刺激，在一定範圍內動脈血PCO₂的升高，可以加強對呼吸的刺激作用，但超過一定限度則有壓抑和麻醉效應。

CO₂刺激呼吸是通過兩條途徑實現的，一是通過刺激中樞化學感受器再興奮呼吸中樞：二是刺激外周化學感受器，衝動竇神經和迷走神經傳入延髓呼吸有關疑團，反射性地使呼吸加深、加快，增加肺通氣。但兩條途徑中前者是主要的。因為去掉外周化學感受器的作用之後，CO₂的通氣反應僅下降約20%，可見中樞化學感受器在CO₂通氣反應中起主要作用；動脈血PCO₂只需升高 0.266kPa(2mmHg)就可刺激中樞化學感受器，出現通氣加強反應，如刺激外周化學感受器，則需升高1.33kPa(10mmHg)。不過，在下述情況下，外周化學感受器的作用可能是重要的：因為中樞化學感受器的反應慢，所以當動脈血PCO₂突然大增時，外周化學感受器在引起快速呼吸反應中可起重要作用；當中樞化學感受器到抑制，對CO₂ 的反應降低時，外周化學感受器就起重要作用。

2．H⁺的影響動脈血［H⁺］增加，呼吸加深加快，肺通氣增加；［H⁺］降低，呼吸受到抑制（圖5-21）。H⁺對呼吸的調節也是通過外周化學感受器和中樞化學感受器實現的。中樞化學感受器對H⁺的敏感性較外周的高，約為外周的25倍。但是，H⁺通過血液屏障的速度慢，限制了它對中樞化學感受器的作用。腦脊液中的H⁺才是中樞化學感受器的最有效的刺激。

動脈血液PCO2、PO2、pH改變對肺泡通氣

圖5-21 動脈血液PCO₂、PO₂、pH改變對肺泡通氣

的影響僅改變一種體液因素而保持另二因素於

正常水平時的情況（1mmHg=0.133kPa）

3．O₂的影響吸入氣PO₂降低時，肺泡氣PO₂都隨之降低，呼吸加深、加快，肺通氣增加（圖5-21）。同CO₂一樣，對低O₂的反應也有個體差異。一般在動脈PO₂下降到10.64kPa(80mmHg)以下時，肺通氣才出現可覺察到的增加，可見動脈血PO₂對正常呼吸的調節作用不大，僅在特殊情況下低O₂刺激才有重要意義。如嚴重肺氣腫、肺心病患者，肺換氣受到障礙，導致低O₂和CO₂瀦留。長時間CO₂瀦留使中樞化學感受器對CO₂的刺激作用發生適應，而外周化學感受器對低O₂刺激適應很慢，這時低O₂對外周化學感受器的刺激成為驅動呼吸的主要刺激。

低O₂對呼吸的刺激作用完全是通過外周化學感受器實現的。切斷動物外周化學感受器的傳入神經或摘除人的頸動脈體，急性低O₂的呼吸刺激反應完全消失。低O₂對中樞的直接作用是壓抑作用。但是低O₂可以通過對外周化學感受器的刺激而興奮呼吸中樞，這樣在一定程度上可以對抗低O₂對中樞的直接壓抑作用。不過在嚴重低O₂時，外周化學感受性反射已不足以克服低O₂對中樞的壓抑作用，終將導致呼吸障礙。在低O₂時吸入純O₂，由於解除了外周化學感受器的低O₂刺激，會引起呼吸暫停，臨床上給O₂治療時應予以注意。

（三）PCO2、H+和PO2在影響呼吸中的相互作用

圖5-21示保持其它兩個因素不變而只改變其中一個因素時的單因素通氣效應。可以看出PO₂下降對呼吸的影響較慢、較弱，在一般動脈血PO₂變化範圍內作用不大，要在PO₂低於10.64kPa(80mmHg)後，通氣量才逐漸增大。PCO₂和H⁺與低O₂不同，只要略有升高，通氣就明顯增大，PCO₂的作用尤為突出。

動脈血液PCO2升高、PCO2降低、pH降低對肺泡通氣率的影響

圖5-22 動脈血液PCO₂升高、PCO₂降低、pH降低對肺泡通氣率的影響

（1mmHg=0.133kpa)

但實際情況不可能是單因素的改變，而其它因素不變。往往是一種因素的改變會引起其餘一、兩種因素相繼改變或存在幾種因素的同時改變，三者間相互影響、相互作用，既可因相互總和而加大，也可因相互抵消而減弱。圖5-22為一種因素改變，另兩種因素不加控制時的情況。可以看出：PCO₂升高時，［H⁺］也隨之升高，兩者的作用總和起來，使肺通氣較單獨PCO₂升高時為大。［H⁺］增加時，因肺通氣增大使CO₂排出，PCO₂下降，抵消了一部分H⁺的刺激作用；CO₂含量的下降，也使［H⁺］有所降低。兩者均使肺通氣的增加較單獨［H⁺］升高時為小。PO₂下降時，也因肺通氣量增加，呼出較多的CO₂，使PCO₂和［H⁺］下降，從而減弱了低O₂的刺激作用。