Chức năng của hệ thống thần kinh điều hòa hô hấp
Hệ thống thần kinh bình thường điều chỉnh tốc độ thông khí trong phổi để đáp ứng nhu cầu cơ thể. Nó giữ cho phân áp oxy (PO2) và phân áp carbondioxide (PCO2) trong máu động mạch ổn định, kể cả khi tập thể dục nặng hoặc trong tình trạng căng thẳng. Trung tâm hô hấp chịu trách nhiệm cho việc điều chỉnh chức năng này.
Tổ chức của trung tâm hô hấp
Trung tâm hô hấp gồm các nhóm tế bào thần kinh nằm ở hành tủy và cầu não của thân não. Chúng được phân thành ba nhóm chính: nhóm hô hấp lưng, nhóm hô hấp bụng và trung tâm điều chỉnh thở. Nhóm hô hấp lưng nằm ở phần lưng của hành não và có vai trò chủ yếu trong việc hít vào. Nhóm hô hấp bụng nằm ở phần bụng của hành não và tham gia vào quá trình thở ra. Trung tâm điều chỉnh thở nằm ở phần lưng trên của cầu não và kiểm soát nhịp và độ sâu của thở.
Hình. Tổ chức của trung tâm hô hấp.
Neuron hô hấp lưng và điều hòa nhịp hít vào và thở ra
Neuron hô hấp lưng đóng vai trò quan trọng trong điều hòa hô hấp và trải dài suốt hành não. Hầu hết neuron nằm trong nhân bó đơn độc (NTS) và một số neuron khác trong chất lưới của hành não. Nhân bó đơn độc truyền tín hiệu cảm giác vào trung tâm hô hấp từ các thụ thể hóa học ngoại vi, thụ thể cảm áp suất và một số loại thụ thể trong phổi.
Hơi thở vào được điều chỉnh nhẹ nhàng bởi nhóm hô hấp lưng. Nhịp thở cơ bản được tạo ra bởi nhóm này. Ngay cả khi tất cả đường thần kinh ngoại biên vào hành não bị cắt và thân não được chia thành hai vùng, nhóm neuron này vẫn phát ra nhịp điệu điện thế hoạt động của hơi thở vào. Nguyên nhân cụ thể của sự phát nhịp nhịp nhàng vẫn chưa được hiểu rõ. Ở động vật nguyên thủy, đã được phát hiện mạng neuron trong đó một nhóm tế bào kích thích một nhóm tế bào khác, và nhóm tế bào thứ hai lại ức chế nhóm tế bào đầu tiên. Mạng neuron này tự động lặp đi lặp lại trong cả cuộc sống của động vật. Có lẽ mạng neuron tương tự tồn tại trong cơ thể con người, nằm hoàn toàn trong hành não và liên quan không chỉ đến nhóm hô hấp lưng mà còn các khu vực xung quanh hành não, đảm nhiệm việc điều chỉnh nhịp thở cơ bản.
Tín hiệu hít vào tăng dần. Tín hiệu thần kinh được truyền đến cơ hít bào, đặc biệt là cơ hoành, không phải là tăng nhanh ngay tức thì. Thay vào đó, tín hiệu bắt đầu yếu dần và tăng dần trong khoảng 2 giây trong quá trình hít thở bình thường. Sau đó, tại khoảng thời gian tiếp theo trong khoảng 3 giây, tín hiệu tạm dừng kích thích cơ hoành, cho phép lực đàn hồi của phổi và ngực tạo ra hiện tượng thở ra. Sau đó, chu kỳ mới bắt đầu với tín hiệu hít vào xen giữa các chu kỳ thở ra. Do đó, tín hiệu hít vào được gọi là “tín hiệu tăng dần”. Ưu điểm của việc tăng dần là làm tăng sự ổn định thể tích phổi trong quá trình hít thở, thay vì thở hấp tấp.
Hệ quả của cơ chế điều hòa thở tăng dần là:
1. Điều chỉnh tốc độ tăng dần của tín hiệu hít vào trong hít thở mạnh, tương ứng với việc làm đầy phổi nhanh chóng.
2. Kiểm soát điểm dừng tăng của tín hiệu hít vào, điều này giúp kiểm soát tốc độ thở; điểm dừng thấp hơn, ngắn hơn thời gian hít vào. Cách này cũng giúp rút ngắn thời gian thở ra. Do đó, tần số hô hấp tăng lên.
Trung tâm điều chỉnh thời gian hít vào và tăng tần số hô hấp
Trung tâm hô hấp (pneumotaxic center) nằm ở phần lưng của nhân parabrachialis ở phần trên của cầu não. Nó gửi tín hiệu đến trung tâm hít vào. Trung tâm này kiểm soát thời gian của pha hít vào trong chu kỳ thở bằng cách kiểm soát điểm “tắt” của đoạn tăng cường hít vào. Khi tín hiệu từ trung tâm điều chỉnh thở mạnh, thời gian hít vào có thể kéo dài ít nhất 0,5 giây, làm đầy phổi trong thời gian ngắn. Khi tín hiệu từ trung tâm này yếu, thời gian hít vào có thể kéo dài đến 5 giây hoặc hơn, làm đầy phổi với lượng khí rất lớn.
Trung tâm điều chỉnh thở chủ yếu ức chế trung tâm hít vào và cũng có tác dụng làm tăng tốc độ thở. Khi ức chế hít vào xảy ra, thở ra trở nên ngắn hơn và toàn bộ chu kỳ hô hấp cũng ngắn hơn. Một tín hiệu mạnh từ trung tâm điều chỉnh thở có thể làm tăng tốc độ thở lên đến 30-40 nhịp/phút, trong khi một tín hiệu yếu từ trung tâm điều chỉnh thở có thể làm giảm tốc độ thở xuống còn 3-5 nhịp/phút.
Nhóm neuron bụng điều khiển cả hít vào và thở ra
Nhóm neuron hô hấp bụng nằm ở mỗi bên của hành não, cách khoảng 5 mm phía trước và bên hơn so với nhóm neuron hô hấp lưng. Chúng được tìm thấy ở nhân nucleus ambiguus và nhân nucleus ret-roambiguus. Chức năng của nhóm neuron này khác với nhóm hô hấp lưng ở một số điểm:
1. Nhóm neuron hô hấp bụng gần như không hoạt động trong quá trình thở bình thường. Do đó, thở bình thường được thực hiện dựa trên lực đàn hồi của phổi và ngực.
2. Nhóm neuron hô hấp bụng không tham gia vào việc điều hòa nhịp thở cơ bản.
3. Khi thông khí trong phổi tăng lên so với mức bình thường, tín hiệu được truyền từ cơ chế dao động cơ bản của nhóm hô hấp lưng đến nhóm hô hấp bụng. Như kết quả, nhóm hô hấp bụng có thể giúp thở ra dễ dàng hơn.
4. Kích thích một số neuron trong nhóm hô hấp bụng gây hít vào, trong khi kích thích các neuron khác gây thở ra. Nhóm neuron này đóng góp vào cả quá trình hít vào và thở ra. Đặc biệt, chúng quan trọng trong việc phát ra tín hiệu thở ra mạnh tới cơ bụng trong quá trình thở ra mạnh. Nhóm neuron này hoạt động nhiều hay ít tùy thuộc vào nhu cầu về thông khí, đặc biệt là trong trường hợp tập thể dục nặng.
Trung tâm hô hấp đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh chức năng hô hấp của cơ thể. Hiểu rõ về cơ chế hoạt động của trung tâm này giúp chúng ta nhận biết sự phát hiện và điều trị các vấn đề liên quan đến hô hấp.