生理学┃呼吸的反射性调节

1、生理学I呼吸的反射性调节生理学呼吸第四节 呼吸运动的调节二、呼吸的反射性调节 呼吸节律虽起源于脑，但呼吸运动的频率、深度和样式等都受到 来自呼吸器官自身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。下面讨论几种重要的呼吸反射。（一）化学感受性呼吸反射 化学因素对呼吸运动的调节是一种反射性活动，称为 化学感受性 反射（chemoreceptor reflex）。这里的化学因素是指动脉血液、组 织液或脑脊液中的02、CO2和H+。机体通过呼吸运动调节血液中 02、CO2和H+的水平，而血液中的02、CO2和H+水平的变化又 通过化学感受性反射调节呼吸运动，从而维持机体内环境中这些化学 因素的相对稳定和机体代谢活动的正常进行。1化学感受器：化学感受器（chemoreceptor ）是指其适宜刺 激为02、CO2和H+等化学物质的感受器。根据所在部位的不同，化 学感受器分为外周化学感受器（peripheral chemoreceptor ）和中 枢化学感受器（central chemoreceptor ）。（1）外周化学感受器：外周化学感受器位于颈动脉体和主动脉体 1930年，比利时

2、生理学家Heymans首次证明颈动脉体和主动脉体在 化学感受性呼吸调节中的作用，于 1938 年获得诺贝尔生理学或医学 奖。外周化学感受器在动脉血PO2降低、PCO2或H+浓度升高时受 到刺激，冲动分别沿窦神经（舌咽神经的分支，分布于颈动脉体）和 迷走神经（分支分布于主动脉体）传入延髓孤束核，反射性引起呼吸 加深加快和血液循环功能的变化（后者见第四章）。颈动脉体和主动 脉体虽都参与呼吸和循环的调节，但颈动脉体主要参与呼吸调节，而 主动脉体在循环调节方面较为重要。颈动脉体的解剖位置便于研究， 因而对外周化学感受器的研究主要集中在颈动脉体。颈动脉体和主动脉体的血液供应非常丰富，其每分钟血流量约为 其重量的20倍，100g该组织的血流量约为2000ml/min （每100g 脑组织血流量约为55ml/min）。一般情况下，其动、静脉PO2差几 乎为零，即它们始终处于动脉血液的环境之中，表明其丰富的血供与 其敏感的化学感受功能有关，而并非为了满足其自身高代谢率的需要。记录游离的颈动脉体的传入神经单纤维动作电位，观察改变灌流 液成分时动作电位频率的变化，可了解颈动脉体所感受的刺激的性质 和刺激与

3、反应之间的关系。对颈动脉体的研究结果表明，当灌流液 PO2下降、PC02升高或H+浓度升高时，窦神经放电频率增加，呼吸 运动增强增快，肺通气量增加；若保持灌流液PO2于100mmHg，仅 减少灌流量，其传入冲动频率也增加。当血流量减少时，颈动脉体从 单位体积血液中摄取的O2量相对增加，细胞外液PO2因供氧少于耗 氧而下降。然而，在贫血或CO中毒时，血液O2含量虽然下降，但其 P02 仍正常，只要血流量不减少，化学感受器传入神经放电频率并不 增加。因此，当机体缺氧时，外周化学感受器所感受的刺激是其所处 环境PO2的下降，而不是动脉血O2含量的降低。当血液中PCO2和H+浓度升高时，夕卜周化学感受器可因H+进入 细胞内而受到刺激，引起传入神经动作电位频率增高，进而兴奋呼吸 运动。CO2较容易扩散进入外周化学感受器细胞，使细胞内H+浓度 升高；而血液中H+则不易进入细胞，因而，血液H+浓度升高时，感 受器细胞内的H+浓度变化较小。因此，相对而言，CO2对外周化学 感受器的刺激作用较H+强。在实验中还可观察到，上述三种因素对化学感受器的刺激作用有 相互增强的现象，两种因素同时作用比单一因素的作

4、用强。这种协同 作用的意义在于，当机体发生循环或呼吸衰竭时，PCO2升高和PO2 降低往往同时存在，它们协同刺激外周化学感受器，共同促进代偿性 呼吸增强反应。颈动脉体含I型细胞（球细胞）和口型细胞（鞘细胞），细胞周 围包绕着毛细血管窦，血液供应十分丰富。I型细胞呈球形，胞内有 大量囊泡，囊泡内含递质，如多巴胺、乙酰胆碱、 ATP 等，这类细胞起感受器的作用。口型细胞数量较少，没有囊泡，可能起支持作用， 类似神经胶质细胞。窦神经的传入纤维末梢分支穿插于I型和口型细 胞之间，与I型细胞形成特化的接触，包括单向突触、交互突触和缝 隙连接等（图 5-21），传入神经末梢可为突触前和（或）突触后成分 交互突触在I型细胞与传入神经之间构成一种反馈环路，通过释放递 质调节化学感受器的敏感性。此外，颈动脉体还受传出神经支配，通 过调节血流量和感受细胞的敏感性来改变化学感受器的活动。I型细 胞受到刺激时，通过一定途径使细胞内Ca2+浓度升高，由此触发递质 释放，引起传入神经纤维兴奋。赛神经传人纤维JT AJiI型细胞交感神经传出纤维颈动脉体的传出神经支配包括交感神经和副交感神经，交感神经 使颈动脉体血管

5、收缩，减少血流量；副交感神经的作用可能是降彳氐I 型细胞对低氧刺激的敏感性。关于颈动脉体的神经支配，详见网络增 值服务。20 世纪 80、90 年代以来，呼吸运动的化学感受性调节的研究重点主要集中在颈动脉体感受化学刺激的机制方面；另一研究重点为I 型细胞的神经递质及其作用；随着 NO、CO 和 H2S 被相继发现为三 种气体信号分子，近年来，关于它们在颈动脉体化学感受机制中的作用也成为了研究热点，详见网络增值服务。（2）中枢化学感受器：摘除动物外周化学感受器或切断其传入神经后，吸入CO2仍能增加肺通气量；增加脑脊液CO2和H+浓度，也 能刺激呼吸。动物实验表明，在延髓还存在一些不同于呼吸中枢但可 影响呼吸活动的化学感受区，这些区域被称为中枢化学感受器。中枢化学感受器位于延髓腹外侧浅表部位，左右对称，可分为头、 中、尾三个区（图5-22A ）。头端和尾端区都有化学感受性；中间区不具有化学感受性，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。近年来的研究表明，在斜方体后核、孤束核、蓝斑 下丘脑等部位也有化学敏感神经元。在过去的近三十年中，随着研究的不断深入，关于中枢化学感受 器

6、部位的认识逐渐形成了两种截然不同的观点，一种是分散学说，另 一种是特化学说，详见网络增值服务。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 ;但血液中的CO2能迅速透过血-脑屏障，使化学感受器 周围细胞外液中的H+浓度升高，从而刺激中枢化学感受器，进而影响 呼吸中枢的活动（图5-22B ），使呼吸运动加深加快，肺通气量增加。 由于脑脊液中碳酸酐酶含量很少，CO2与水的水合反应很慢，所以对 CO2的通气反应有一定的时间延迟。另一方面，血液中的H+不易透 过血-脑屏障，故血液 pH 的变化对中枢化学感受器的刺激作用较弱， 也较缓慢。Ulf化学敬感区tr-nHcOj核团图中枢佬学感受髓A_延忖複外侧按占删仙中棋化学感受M氾血被戒備脊植H化丁卜規刺激呼腰运苛船中脳机制- V . VI. . WD . IX . X .XI用分划対弗5 dH ,9JO J12当体内C02持续增多时，在最初数小时内，呼吸兴奋反应很明显， 但在随后12天内，呼吸兴奋反应逐渐减弱到原先的1/5左右，即存 在适应现象。这是因为：肾对血液pH具有调节作用；血液中的 HCO3-也可缓慢透过血-脑

7、屏障和血-脑脊液屏障，使脑脊液和局部细胞外液的pH回升，减弱H+对呼吸运动的刺激作用。所以，血液中的 CO2 对呼吸运动的急性驱动作用较强，而慢性刺激作用则较弱。与外周化学感受器不同，中枢化学感受器不感受低氧刺激，但对H +的敏感性比外周化学感受器高，反应潜伏期较长。中枢化学感受器 的功能可能是通过影响肺通气来调节脑脊液的H+浓度，使中枢神经系 统有一稳定的pH环境；而外周化学感受器的作用则主要是在机体缺氧 时驱动呼吸运动，以改善缺氧状态。2CO2、H+和低氧对呼吸运动的调节（1） CO2对呼吸运动的调节：CO2是调节呼吸运动最重要的生 理性化学因素。人们早已知道，在麻醉动物或人，当动脉血液 PCO2 降到很低水平时，可出现呼吸暂停，因此一定水平的 PCO2 对维持呼 吸中枢的基本活动是必需的；过度通气可使呼吸运动受到抑制。另一 方面，当肺通气或肺换气功能障碍以及吸入气中CO2浓度增加时，血 液 PCO2 将升高（称为高碳酸血症），代谢活动增强（如运动）也可 使血液 PCO2 升高，在这些情况下，呼吸运动将反射性加深加快，肺 通气量增加（图 5-23）。肺通气增加可使 CO2 排出增加

8、，从而使血匚二液 PCO2 恢复正常水平。但血液 PCO2 过高可致中枢神经系统包括呼 吸中枢活动抑制，引起呼吸困难、头痛、头昏，甚至昏迷，出现 CO2 麻醉。总之，CO2对呼吸运动起经常性的调节作用，血液PCO2 在- 定范围内升高可加强呼吸运动，但超过一定限度则起抑制作用。765-rco201J厂inPCO. 30354045505565 TTimHg140120100806040200 tiiniHgpH 7.67.57.47.27.17.0fi.9图5公 改变功腺血液PCOPO补pH三因秦CO2朿燉呼吸运动由两条途径，即刺激中枢化学感受器或外周化 学感受器。在去除外周化学感受器的作用后，CO2引起的通气反应仅 下降20%左右；动脉血PCO2只需升高2mmHg就能刺激中枢化学感 受器，引起肺通气增强的反应；而刺激外周化学感受器，则动脉血 PCO2需升高10mmHg。可见，中枢化学感受器在CO2引起的通气 反应中起主要作用。但因中枢化学感受器的反应较慢，所以当动脉血 PCO2 突然增高时，外周化学感受器在引起快速呼吸反应中具有重要 作用。另外，当中枢化学感受器对CO2的敏感性降低或

9、产生适应后， 外周化学感受器的作用就显得很重要。在心力衰竭或脑干损伤的患者，长可出现呼吸运动增强和减弱交替的现象，其产生机制可能是肺泡气于化学感受器处的 PCO2 存在时 间差和反馈增益过强。当 PCO2 较高的血液到达化学感受器时，可引 起呼吸中枢的反应增强，使肺通气量增加；随着呼出的C02增多，动 脉血 PCO2 逐渐下降，当 PCO2 较低的血液到达化学感受器时，又使 呼吸运动因缺少足够的 C02 刺激而受到抑制，于是呼吸变慢变浅甚至 停止；呼吸的抑制又使CO2的排出减少，血液PCO2升高，再次引起 呼吸运动变快变深。如此周而复始，出现病理性的周期性呼吸，每个 周期约 45s 至 3min ，这种形式的呼吸称为 陈-施呼吸（ Cheyne- Stokes breathing ）。陈-施呼吸也偶见于正常人熟睡时、新生J儿和 老年人。（2）H+对呼吸运动的调节：当动脉血液中H+浓度升高（如呼吸性或代谢性酸中毒）时，呼吸运动加深加快，肺通气量增加；相反， 当H+浓度降低（如呼吸性或代谢性碱中毒）时，呼吸运动受到抑制， 肺通气量减少（图5-23）。H+对呼吸的调节也是通过外周化学感受器和中枢化学感受器实现的。中枢化学感受器对H+的敏感性较外周化 学感受器高，约为后者的25倍。但H+通过血-脑屏障的速度较慢，限 制了它对中枢化学感受器的作用。因此，血液中的H+主要通过刺激外 周化学感受器而起作用，而脑脊液中的H+才是中枢化学感受器最有效 的刺激物。（3）低氧对呼吸运动的调节：当吸入气 PO2 降低（如初上高原） 以及肺通气或肺换气功能障碍时，动脉血液中 PO2 将下降，因而呼吸 运动加深加快，肺通气量增加；反之，则肺通气量减少（见图 5-23）。 通常在动脉血PO2下降到80mmHg以下时，肺通气量才出现可觉察 到的增加。可见，动脉血PO2的改变对正常呼吸运动的调节作用不大， 而当机体严重缺氧时才有重要

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