Центральные хеморецепторы расположены на вентральной поверхности продолговатого мозга и чувствительны к уровню углекислого газа и водородных ионов спинномозговой жидкости. Обеспечивают возбуждение дыхательных нейронов, т.к. поддерживают постоянный афферентный поток и участвуют в регуляции частоты и глубины дыхания при изменении газового состава спинномозговой жидкости.
Периферические рецепторы локализованы в области бифуркации сонной артерии и дуги аорты в специальных гломусах (клубочках). Афферентные волокна идут в составе блуждающего и языкоглоточного нервов в дыхательный центр. Реагируют на снижение напряжения кислорода, повышение уровня углекислого газа и водородных ионов в плазме крови. Значение : обеспечивают рефлекторное усиление дыхания при изменении газового состава крови.
Вторичночувствующие рецепторы, сосудистые, неадаптирующиеся, всегда активны, увеличивается при изменениях.
Особенно сильным стимулом для хеморецепторов является сочетание гиперкапнии и гипоксемии. Это естественные сдвиги газового состава крови при физической нагрузке, которые приводят к рефлекторному увеличению легочной вентиляции.
Гиперкапния - повышение напряжения углекислого газа в плазме крови.
Гипоксемия - понижение напряжения кислорода в плазме крови.
При гипоксемии рост в ткани гломусов снижает проницаемость К-каналов мембраны рецепторов → деполяризация → открытие потенциалзависимых Са-каналов и диффузия ионов Сф внутрь клетки.
Са → экзоцитоз ДОФА. В области контакта мембраны рецептора с окончанием чувствительного нервного волокна → активность в волокнах синокаротидного нерва (нерв Геринга - часть языкоглоточного) → к ДЦ через нейроны ядер одиночного пути → рост вентиляции легких.
Роль рецепторов воздухоносных путей в регуляции дыхания.
Роль механорецепторов
1. Рецепторы растяжения легких локализованы в гладкомышечном слое воздухоносных путей (трахея, бронхи), связаны толстыми афферентными миелиновыми волокнами с нейронами дыхательного центра, проходят в составе блуждающего нерва. При вдохе легкие растягиваются и активируются рецепторы растяжения легких, импульсы идут в дыхательный центр, вдох тормозится, а выдох стимулируется. Если перерезать блуждающие нервы, дыхание становится более редким и глубоким. Значение : регулируют частоту и глубину дыхания, при спокойном дыхании не активны; низкопороговые.
2. Ирритантные рецепторы находятся в эпителиальном и субэпителиальном слоях воздухоносных путей и связаны с дыхательным центром тонкими миелиновыми волокнами. Являются высокопороговыми и быстроадаптирующимися . При спокойном дыхании не активны. Реагируют на большие изменения объема легких (спадение и перерастяжение), а также на раздражающие вещества воздуха (аммиак, дым) и пыль. Вызывают частое дыхание - одышку. Бимодальные рецепторы (механо. + хемо.)
3. Юкстакапиллярные рецепторы - находятся в интерстициальной ткани альвеол. Активируются при увеличении количества тканевой жидкости. Их активность усиливается при патологии (пневмония, отек легкого). Формируют частое и поверхностное дыхание.
4. Механорецепторы полости носоглотки, гортани, трахеи. При их возбуждении (пыль, слизь) возникает рефлекторная защитная реакция - кашель. Афферентные пути проходят в составе тройничного, языкоглоточного нервов.
5. Механорецепторы полости носа. При их раздражении возникает защитный рефлекс - чихание.
6. Обонятельные рецепторы полости носа. При раздражении возникает реакция «принюхивания» - короткие частые вдохи.
ФИЗИОЛОГИЯ ПИЩЕВАРЕНИЯ, ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ
Пищевая мотивация. Пищеварение в полости рта. Регуляция слюноотделения.
Пищеварение - комплекс процессов, обеспечивающих измельчение и расщепление питательных веществ на компоненты, лишенные видовой специфичности, способные всасываться в кровь или лимфу и участвовать в обмене веществ. Процесс пищеварения следует за потреблением пищи, а потребление пищи является следствием целенаправленного пищевого поведения, в основе которого лежит чувство голода. Голод и связанное с ним пищевое поведение рассматриваются как мотивация, направленная на устранение дискомфорта, связанного с недостатком питательных веществ в крови. Центральной структурой, запускающей пищевую мотивацию, является гипоталамус . В латеральной его части есть ядра, стимуляция которых вызывает чувство голода.
Функции ротовой полости
1. Захват и удерживание пищи (человек кладет пищу в рот или засасывает ее).
2. Анализ пищи с участием рецепторов ротовой полости.
3. Механическое измельчение пищи (жевание).
4. Смачивание пищи слюной и начальная химическая обработка.
5. Перевод пищевого комка в глотку (ротовая фаза акта глотания).
6. Защитная (барьерная) - защита от патогенной микрофлоры.
Слюнные железы
У человека имеется три пары крупных слюнных желез (околоушные, подчелюстные и подъязычные) и множество мелких желез в слизистой неба, губ, щек, кончика языка. В составе слюнных желез имеется два вида клеток: слизистые - вырабатывают вязкий секрет, богатый муцином, и серозные - вырабатывают жидкий секрет, богатый ферментами. Подъязычная железа и мелкие железы вырабатывают слюну непрерывно (связано с речевой функцией), а подчелюстная и околоушная железы - только при их возбуждении.
Состав и свойства слюны
В сутки образуется 0,5-2,0 литра слюны. Осмотическое давление слюны всегда меньше, чем осмотическое давление плазмы крови (слюна гипотонична плазме крови). РН слюны зависит от ее объема: при небольшом количестве выделяемой слюны она слабокислая, а при большом объеме - слабощелочная (рН = 5,2-8,0).
Вода смачивает пищевой комок и растворяет некоторые его компоненты. Смачивание необходимо для облегчения проглатывания пищевого комка, а его растворение - для взаимодействия компонентов пищи со вкусовыми рецепторами ротовой полости. Основной фермент слюны - альфа-амилаза - вызывает расщепление гликозидных связей крахмала и гликогена через промежуточные стадии декстринов до мальтозы и сахарозы. Слизь (муцин) представлена мукополисахаридами и гликопротеидами, делает пищевой комок скользким, что облегчает его проглатывание.
Механизмы образования слюны
Образование слюны протекает в два этапа:
1. Образование первичной слюны происходит в ацинусах. Вода, электролиты, низкомолекулярные органические вещества фильтруются в ацинусы. Высокомолекулярные органические вещества образуются клетками слюнных желез.
2. В слюнных протоках состав первичной слюны существенно изменяется за счет процессов секреции (ионов калия и др.) и реабсорбции (ионов натрия, хлора и др.). Из протоков в ротовую полость поступает вторичная (окончательная) слюна.
Регуляция образования слюны осуществляется рефлекторно.
Рецепторы ротовой полости
Осуществляют подготовку всего ЖКТ к поступлению пищи. Различают четыре типа рецепторов:
1. Вкусовые - являются вторичночувствующими рецепторами и делятся на четыре вида: вызывают ощущение сладкого, кислого, соленого и горького.
2. Механорецепторы - первичночувствующие, ощущение твердой или жидкой пищи, готовность пищевого комка к проглатыванию.
3. Терморецепторы - первичночувствующие, ощущение холодного, горячего.
4. Болевые - первичночувствующие, активируются при нарушении целостности ротовой полости.
Афферентные волокна от рецепторов поступают в ствол мозга в составе тройничного, лицевого, языкоглоточного и блуждающего нервов.
Эфферентные иннервация слюнных желез
ñ Парасимпатическая иннервация - в окончаниях нервов выделяется медиатор ацетилхолин, который взаимодействует с М-холинорецепторами и вызывает выделение большого количества жидкой слюны, богатой ферментами и бедной муцином.
ñ Симпатическая иннервация - в окончаниях нервов выделяется медиатор норадреналин, который взаимодействует с альфа-адренорецепторами и вызывает выделение небольшого количества густой и вязкой слюны, богатой муцином.
Регуляция слюноотделения
1. Условные рефлексы - протекают с участием коры больших полушарий и ядер гипоталамуса, возникают при раздражении дистантных рецепторов (зрительных, слуховых, обонятельных).
2. Безусловные рефлексы - возникают при раздражении рецепторов ротовой полости.
Акт глотания
Глотание - это процесс перехода пищи из ротовой полости в желудок. Акт глотания осуществляется по программе. Ф. Мажанди разделил акт глотания на три стадии:
ñ Ротовая стадия (произвольная) запускается с механорецепторов и хеморецепторов ротовой полости (пищевой комок готов к проглатыванию). Координированное движение мышц щек и языка продвигает пищевой комок на корень языка.
ñ Глоточная стадия (частично произвольная) запускается с механорецепторов корня языка. Язык перемещает пищевой комок в глотку. Происходит сокращение мышц глотки, при этом одновременно поднимается мягкое небо и закрывается вход в полость носа со стороны глотки. Надгортанник закрывает вход в гортань и открывается верхний пищеводный сфинктер.
ñ Пищеводная стадия (непроизвольная) запускается механорецепторами пищевода. Последовательно сокращаются мышцы пищевода при одновременном расслаблении нижележащих мышц. Явление называется перистальтическими волнами.
Центр глотания находится в продолговатом мозге и имеет связи со спинным мозгом. При глотании тормозится деятельность дыхательного и кардиоингибирующего центров (ЧСС повышается).
Центральные хеморецепторы обнаружены в продолговатом мозге на вентромедиальной поверхности на глубине не более 0.2 мм. В этой области расположены два рецептивных поля (рисунок 15), обозначаемые буквами MиL, между ними обнаружено небольшое полеS. ПолеSне чувствительно к химизму среды, но его разрушение приводит к исчезновению эффектов возбуждения полейMиL, Этой промежуточной зоне принадлежит важная роль в передаче информации от полейMиLнепосредственно дыхательным вентральным и дорзальным ядрам, и передаче информации ядрам другой стороны продолговатого мозга.
В этой же области проходят афферентные пути от периферических хеморецепторов.
Структуры Sи М полей интегрируют афферентные сигналы от расположенных выше нейронных образований и передают тонизирующие влияния вазоконстрикторным нейронам спинного мозга.
Рисунок 15. Расположение хеморецепторов на вентральной поверхности продолговатого мозга
M,L,Sполя, участвующие в хеморецепции.
Р – мост,
П – пирамида,
VиXII– черепномозговые нервы,
С1 первый спинномозговой корешок
В настоящее время совершенно точно установлено, что центральные хеморецептивные нейроны возбуждаются только при действии на них ионов водорода.
Каким же образом повышение напряжения СО 2 приводит к возбуждению этих структур? Оказывается хемочувствительные нейроны расположены во внеклеточной жидкости и воспринимают изменения рН, вызванные динамикой СО 2 в крови.Основная задача этого механизма - информировать дыхательный центр об отклонения рН, а следовательно, и концентрации СО 2 в крови.
Артериальные хеморецепторы
Периферические или артериальные хеморецепторы расположены в известной рефлексогенной зоне – дуге аорты и каротидном синусе (рисунки 17А и Б), и представлены каротидными и аортальными телами. Здесь же локализованы и барорецепторы, принимающие участие в регуляции артериального давления.
Рисунок 17 А. Периферические хеморецепторы
В сосудистой рефлексогенной зоне
Из двух хеморецептивных зон артериального русла - аортальной и синокаротидной - в регуляции дыхания существенную роль играет синокаротидная. Периферические хеморецепторы дополняют деятельность центральных. Взаимодействие центральных и периферических структур особенно важно в условиях дефицита кислорода.
Дело в том, что центральные хеморецепторы очень чувствительны к недостатку кислорода. Клетки при гипоксии могут совсем потерять свою чувствительность, при этом снижается активность дыхательных нейронов. В этих условиях дыхательный центр получает основную возбуждающую стимуляцию от периферических хеморецепторов, для которых основным стимулом является именно дефицит кислорода. Т аким образом, артериальные хеморецепторы служат «аварийным» механизмом стимуляции дыхательного центра в условиях снижения снабжения мозга кислородом.
Итак, центральные и периферические хеморецепторы передают в дыхательный центр информацию о напряжении кислорода и углекислого газа в крови, они возбуждаются и увеличивают частоту импульсов при снижении содержания кислорода и повышении углекислого газа.
Регуляция дыхания осуществляется путем рефлекторных реакций, возникающих в результате возбуждения специфических рецепторов, заложенных в легочной ткани, сосудистых рефлексогенных зонах и других участках. Центральный аппарат регуляции дыхания представляют образования спинного мозга, продолговатого мозга и вышележащих отделов нервной системы. Основная функция управления дыханием осуществлянется дыхательными нейронами ствола головного мозга, которые передают ритмические сигналы в спинной мозг к мотонейронам дыхательных мышц.
Дыхательный нервный центр – это совокупность нейронов центральной нервной системы, обеспечивающих координированную ритмическую деятельность дыхательных мышц и постоянное приспособление внешнего дыхания к изменяющимся условиям внутри организма и в окружающей среде. Основная (рабочая) часть дыхательного нервного центра расположена в продолговатом мозгу. В ней различают два отдела: инспираторный (центр вдоха) и экспираторный (центр выдоха). Дорсальная группа дыхательных нейронов продолговатого мозга состоит преимущественно из инспираторных нейронов. Они частично дают поток нисходящих путей, вступающих в контакт с мотонейронами диафрагмального нерва. Вентральная группа дыхательных нейронов посылает преимущественно нисходящие волокна к мотонейронам межреберных мышц. В передней части варолиева моста обнаружена область, названная пневмотаксическим центром. Этот центр имеет отношение к работе как экспи-, так и инспираторного его отделов. Важной частью дыхательного нервного центра является группа нейронов шейного отдела спинного мозхга (III-IV шейные сегменты), где расположены ядра диафрагмальных нервов.
К моменту рождения ребенка дыхательный центр способен давать ритмическую смену фаз дыхательного цикла, но эта реакция очень несовершенна. Дело заключается в том, что к рождению дыхательный центр еще не сформирован, его формирование заканчивается к 5-6 годам жизни. Это подтверждается тем, что именно к этому периоду жизни детей дыхание у них становится ритмичным и равномерным. У новорожденных же оно неустойчиво как по частоте, так и глубине и ритму. У них дыхание диафрагмальное и практически мало отличается во время сна и бодроствования (частота от 30 до 100 в минуту). У детей 1 года количество дыхательных движений днем в пределах 50-60, а ночью – 35-40 в минуту, неустойчивое и диафрагмальное. В возрасте 2-4 лет – частота становится в пределах 25-35 и носит преимущественно диафрагмальный тип. У 4-6 – летних детей частота дыхания 20-25, смешанное – грудное и диафрагмальное. К 7 –14 годам достигает уровня 19-20 в минуту, оно является в это время смешанным. Таким образом, окончательное формирование нервного центра практически относится к этому возрастному периоду.
Как же происходит возбуждение дыхательного центра? Один из важнейших путей его возбуждения - это автоматия. Единой точки зрения на природу автоматии нет, но имеются данные о том, что в нервных клетках дыхательного центра возможно возникновение вторичной деполяризации (по принципу диастолической деполяризации в сердечной мышце), которая, достигая критического уровня, и дает новый импульс. Однако одним из основных путей возбуждения дыхательного нервного центра является его раздражение углекислотой. На прошлой лекции мы отметили, что углекислоты много остается в крови, оттекающей от легких. Она и выполняет функцию основого раздражителя нервных клеток продолговатого мозга. Это опосредуется через специальные образования - хеморецепторы , расположенные непосредственно в структурах продолговатого мозга («центральные хеморецепторы»). Они очень чувствительны к напряжению углекислого газа и кислотно-щелочному состоянию омывающей их межклеточной мозговой жидкости.
Углекислота может легко диффундировать из кровеносных сосудов головного мозга в спинномозговую жидкость и стимулировать хеморецепторы продолговатого мозга. Это еще один путь возбуждения дыхательного центра.
Наконец, его возбуждение может осуществляться и рефлекторно. Все рефлексы, обеспечивающие регуляцию дыхания мы условно подразделяем на: собственные и сопряженные.
Собственные рефлексы дыхательной системы – это такие рефлексы, которые берут начало в органах дыхательной системы и в ней же заканчиваются. В первую очередь к этой группе рефлексов следует отнести рефлекторный акт с механорецепторов легких . В зависимости от, локализации и вида, воспринимаемых раздражений, характера рефлекторных ответов на раздражение различают три вида таких рецепторов: рецепторы рпастяжения, ирритантные рецепторы и юкстакапиллярные рецепторы легких.
Рецепторы растяжения легких находятся, преимущественно в гладких мышцах воздухоносных путей (трахее, бронхах). Таких рецепторов в каждом легком около 1000 и связаны они с дыхательным центром крупными миелинизированными афферентными волокнами блуждающего нерва с высокой скоростью проведения. Непосредственным раздражителем этого типа механорецепторов является внутреннее напряжение в тканях стенок воздухоносных путей. При растяжении легких во время вдоха частота этих импульсов возрастает. Раздувание легких вызывает рефлекторное торможение вдоха и переход к выдоху. При перерезке блуждающих нервов эти реакции прекращаются, и дыхание становится замедленным и глубоким. Указанные реакции называют рефлексом Геринга-Брейера. Этот рефлекс воспроизводится у взрослого человека, когда дыхательный объем превосходит 1 л (при физической нагрузке, например). Он имеет большое значение у новорожденных.
Ирритантные рецепторы
или быстро адаптирующиеся механорецепторы воздухоносных путей, рецепторы слизистой оболочки трахеи и бронхов. Они реагируют на резкие изменения объема легких, а также при действии на слизистую трахеи и бронхов механических или химических раздражителей (пылевых частиц, слизи, паров едких веществ, табачного дыма и т.п.). В отличие от легочных рецепторов растяжения ирритантные рецепторы обладают быстрой адаптацией. При попадании в дыхательные пути мельчайших инородных тел (пыли, частиц дыма), активация ирритантных рецепторов вызывает у человека кашлевой рефлекс. Его рефлекторная дуга такова – от рецепторов информация через верхнегортанный, языкоглоточный, тройничный нерв идет к соотвествующим структурам мозга, отвечающим за выдох (срочный выдох – кашель
). Если изолированно возбуждаются рецепторы носовых дыхательных путей, то это вызывает другой срочный выдох - чихание.
Юкстакапиллярные рецепторы – расположены вблизи капилляров альвеол и дыхательных бронхов. Раздражителем этих рецепторов является повышение давления в малом круге кровообращения, а также увеличение объема интерстициальной жидкости в легких. Это наблюдается при застое крови в малом круге кровообращения, отеке легких, повреждениях легочной ткани (например, при пневмонии). Импульсы от этих рецепторов направляются к дыхательному центру по блуждающему нерву, вызывая появление частого поверхностного дыхания. При заболеваниях вызывает ощущение одышки, затрудненного дыхания. Может быть не только учащенное дыхание (тахипное), но и рефлекторное сужение бронхов.
Еще различают большую группу собственных рефлексов, которые берут свое начало от проприорецепторов дыхательной мускулатуры. Рефлекс от проприорецепторов межреберных мышц
осуществляется во время вдоха, когда эти мышцы, сокращаясь, посылают информацию через межреберные нервы к экспираторному отделу дыхательного центра и в результате наступает выдох. Рефлекс от проприорецепторов диафрагмы
осуществляется в ответ на ее сокращение во время
вдоха, в результате информация поступает по диафрагмальным нервам вначале в спинной, а потом в продолговатый мозг в экспираторный отдел дыхательного центра и наступает выдох.
Таким образом, все собственные рефлексы дыхательной системы осуществляются во время вдоха и заканчиваются выдохом.
Сопряженные рефлексы дыхательной системы – это рефлексы, которые начинаются за ее пределами. К этой группе рефлексов, прежде всего, относится рефлекс на сопряжение деятельности системы кровообращения и дыхания. Такой рефлекторный акт начинается от периферических хеморецепторов сосудистых рефлексогенных зон. Наиболее чувствительные из них находятся в области синокаротидной зоны. Синокаротидный хеморецептивный сопряженный рефлекс – осуществляется при накоплении углекислого газа в крови. Если его напряжение растет, то происходит возбуждение наиболее высоковозбудимых хеморецепторов (а они именно в этой зоне и находятся в синокаротидном тельце), возникающая волна возбуждения идет от них по IX паре черпномозговых нервов и достигает экспираторного отдела дыхательного центра. Возникает выдох, который и усиливает выброс лишней углекислоты в окружающее пространство. Таким образом, система кровообращения (она, кстати, при осуществлении этого рефлекторного акта также работает более интенсивно, возрастает частота сердечных сокращений, скорость кровотока) влияет на деятельность системы дыхания.
Другой разновидностью сопряженных рефлексов дыхательной системы является многочисленная группа экстероцептивных рефлексов. Они берут свое начало от тактильных (вспомните реакцию дыхания на осязание, прикосновение), температурных (тепло – увеличивает, холод – уменьшает дыхательную функцию), болевых (слабые и средней силы раздражители – усиливают, сильные – угнетают дыхание) рецепторов.
Проприорецептивные сопряженные рефлексы дыхательной системы осуществляются вследствие раздражения рецепторов скелетных мышц, суставов, связок. Это наблюдается при выполнении физической нагрузки. Почему это происходит? Если в состоянии покоя человеку необходимо 200-300 мл кислорода в минуту, то при физической нагрузке этот объем должен значительно возрости. В этих условиях увеличивается и МО, артериовенозная разница по кислороду. Увеличение этих показателей сопровождается повышением потребления кислорода. Далее все зависит от объема работы. Если работа длится 2-3 минуты и мощность ее достаточно велика, то потребление кислорода непрерывно растет с самого начала работы и снижается лишь после ее прекращения. Если же продолжительность работы больше, то потребление кислорода, нарастая в первые минуты, поддерживается в дальнейшем на постоянном уровне. Потребление кислорода возрастает тем более, чем тяжелее физическая работа. Наибольшее количество кислорода, которое организм может поглотить за 1 минуту при предельно тяжелой для него работе, называется максимальное потребление кислорода (МПК). Работа, при которой человек достигает своего уровня МПК, должна длиться не более 3 минут. Существует много способов определения МПК. У не занимающихся спортом или физическими упражнениями людей величина МПК не превышает 2,0-2,5 л/мин. У спортсменов она может быть выше более чем в два раза. МПК является показателем аэробной производительности организма. Эта способность человека совершать очень тяжелую физическую работу, обеспечивая свои энергетические расходы за счет кислорода, поглощаемого непосредственно во время работы. Известно, что даже хорошо тренированный человек может работать при потреблении кислорода на уровне 90-95% от уровня своего МПК не более 10-15 минут. Тот, кто имеет большую аэробную производительность, тот достигает лучших результатов в работе (спорте) при относительно одинаковой технической и тактической подготовленности.
Почему при физической работе возникает увеличение потребления кислорода? В этой реакции можно выделить несколько причин: раскрытие дополнительных капилляров и увеличение крови в них, сдвиг кривой диссоциации гемоглобина вправо и вниз, увеличение температуры в мышцах. Для того, чтобы мышцы могли совершать определенную работу, им нужна энергия, запасы которой в них восстанавливаются при доставке кислорода. Таким образом, существует зависимость между мощностью работы и количеством кислорода, которое требуется для работы. То количество крови, которое требуется для работы, называется кислородным запросом. Кислородный запрос может достигать при тяжелой работе до 15-20 л в минуту и более. Однако максимум потребления кислорода в два-три раза меньше. Можно ли выполнить работу, если минутный кислородный запас превышает МПК? Чтобы правильно ответить на этот вопрос, надо вспомнить, для чего используется кислород при мышечной работе. Он необходим для восстановления богатых энергией химических веществ, обеспечивающих мышечное сокращение. Кислород обычно взаимодействует с глюкозой, и она, окисляясь, освобождает энергию. Но глюкоза может расщепляться и без кислорода, т.е. анаэробным путем, при этом тоже выделяется энергия. Кроме глюкозы, есть и другие вещества, способные расщепляться без кислорода. Следовательно, работа мышц может быть обеспечена и при недостаточном поступлении кислорода в организм. Однако в этом солучае образуется много кислых продуктов и для их ликвидации нужен кислород, ибо они разрушаются путем окисления. То количество кислорода, которое требуется для окисления продуктов обмена, образовавшихся при физической работе, называетсякислородный долг. Он возникает во время работы и ликвидируется в восстановительном периоде после нее. На его ликвидацию уходит от нескольких минут до полутора часов. Все зависит от длительности и интенсивности работы. Основную роль в образовании кислородного долга составляет молочная кислота. Чтобы продолжить работу при наличии в крови большого ее количества, организм должен иметь мощные буферные системы и его ткани должны быть приспособлены к работе при недостатке кислорода. Такое приспособление тканей служит одним из факторов, обеспечивающих высокую анаэробную производительность.
Все это усложняет регуляцию дыхания при физической работе, так как потребление кислорода в организме возрастает и его недостаток в крови приводит к раздражению хеморецепторов. Сигналы от них идут в дыхательный центр, в результате дыхание учащается. При мышечной работе много образуется углекислоты, которая поступает в кровь и она может действовать на дыхательный центр непосредственно черех центральные хеморецепторы. Если недостаток кислорода в крови приводит преимущественно к учащению дыхания, то избыток углекислоты вызывает его углубление. При физической работе оба эти фактора действуют олновременно, вследствие чего происходит и учащение, и углубление дыхания. Наконец, импульсы идущие от работающих мышц, достигают дыхательного центра и усиливают его работу.
При функционировании дыхательного центра все отделы его функционально взаимосвязаны. Это достигается следующим механизмом. При накоплении углекислоты возбуждается инспираторный отдел дыхательного центра, от него информация идет в пневматоксический отдел центра, потом к экспираторному его отделу. Последний, кроме того, возбуждается за счет целой гаммы рефлекторных актов (с рецепторов легких, диафрагмы, межреберных мышц, дыхательных путей, хеморецепторов сосудов). Вследствие его возбуждения через специальный тормозный ретикулярный нейрон угнетается деятельность центра вдоха и на смену ему приходит выдох. Так как центр вдоха тормозится, то он не посылает далее импульсы в пневматоксический отдел, а от него прекращается поток информации в центр выдоха. К этому моменту накапливается в крови углекислота и снимаются тормозные влияния со стороны экспираторного отдела дыхательного центра. Вследствие такого перераспределения потока информации возбуждается центр вдоха и наступает на смену выдоху вдох. И все вновь повторяется.
Важным элементом в регуляции дыхания является блуждающий нерв. Именно через его волокна идут основные влияния на центр выдоха. Поэтому в случае его повреждения (также как и при повреждении пневматоксического отдела дыхательного центра) дыхание изменяется так, что вдох остается нормальным, а выдох резко затягивается. Такой тип дыхания называют вагус-диспноэ .
Мы уже отмечали выше, что при подъме на высоту происходит увеличение легочной вентиляции, обусловленное стимуляцией хеморецепторов сосудистых зон. Одновременно с этим возрастает частота сердечных сокращений и МО. Эти реакции несколько улучшают кислородный транспорт в организме, но не надолго. Поэтому при длительном пребывании в горах по мере адаптации к хронической гипоксии начальные (срочные) реакции дыхания постепенно уступают место более экономному приспособлению газотранспортной системы организма. Так, у постоянных жителей больших высот реакция дыхания на гипоксию оказывается резко ослабленной (гипоксическая глухота ) и легочная вентиляция поддерживается почти на том же уровне, что и у живущих на равнине. Зато при длительном проживании в условиях высокогорья возрастает ЖЕЛ, повышается КЕК, в мышцах становится больше миоглобина, в митохондриях усиливается активность ферментов, обеспечивающих биологическое окисление и гликолиз. У людей, живущих в горах, кроме того, понижена чувствительность тканей организма, в частности, центральной нервной системы, к недостаточному снабжению кислородом.
На высотах боле 12000 м давление воздуха очень мало и в этих условиях даже дыхание чистым кислородом не решает проблемы. Поэтому при полетах на этой высоте необходимы герметические кабины (самолеты, космические корабли).
Человеку иногда приходиться работать и в условиях повышенного давления (водолазные работы). На глубине в крови начинает растворяться азот и при быстром подъеме из глубины он не успевает выделяться из крови, газовые пузырьки вызывают эмболию сосудов. Состояние, возникающее при этом, называется кесонная болезнь. Она сопровождается болями в суставах, головокружением, одышкой, потерей сознания. Поэтому азот в смесях воздуха заменяют нерастворимыми газами (например, гелием).
Человек может произвольно задерживать дыхание не более чем на 1-2 минуты. После предварительной гипервентиляции легких эта задержка дыхания увеличивается до 3-4 минут. Однако затяжное, например, ныряние после гипервентиляции таит в себе серъезную опасность. Быстрое падение оксигенации крови может вызвать внезапную потерю сознания, а в этом состоянии пловец (даже опытный) под влиянием стимула, вызванного ростом парциального напряжения углекислоты в крови, может вдохнуть воду и захлебнуться (утонуть).
Итак, в заключение лекции я должен Вам напомнить, что здоровое дыхание это – через нос, как можно реже, с задерджкой во время вдоха и, особенно, после него. Удлиняя вдох, мы стимулируем работу симпатического отдела вегетативной нервной системы, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Удлиняя выдох, мы удерживаем больше и дольше в крови углекислоту. А это оказыавает положительное влияние на тонус кровеносных сосудов (снижает его), со всеми вытекающими отсюда последствиями. Благодаря этому кислород может в такой ситуации пройти в самые отдаленные сосуды микроциркуляции, препятствуя нарушению их функции и развитию многочисленных заболеваний. Правильное дыхание – это профилактика и лечение большой группы заболеваний не только дыхательной системы, но и других органов и тканей! Дышите на здоровье!
Мускулатуры, достигается соответствие механических параметров дыхания сопротивлению дыхательной системы, которое возрастает, 1. при уменьшении растяжимости легких, 2. сужении бронхов и голосовой щели, 3. набухании слизистой оболочки носа. Во всех случаях сегментарные рефлексы на растяжение усиливают сокращение межреберных мышц и мышц передней брюшной стенки. У человека импульсация с проприорецепторов дыхательных мышц участвует в формировании ощущения, возникающих при нарушении дыхания. 4.9 Роль хеморецепторов в регуляции дыхания Основное назначение регуляции внешнего дыхания заключается в поддержании оптимального газового состава артериальной крови - напряжения О2, напряжения СО2, и, тем самым, в значительной мере - концентрации водородных ионов. У человека относительное постоянство напряжения газов крови сохраняется даже при физической работе, когда их потребление возрастает в несколько раз, так как при работе вентиляция легких увеличивается пропорционально интенсивности метаболических процессов. Избыток СО2, и недостаток О2 во вдыхаемом воздухе также вызывает увеличение объемной скорости дыхания, благодаря чему парциальное давление О2 и СО2, в альвеолах и в артериальной крови почти не изменяется. 81 Особое место в гуморальной регуляции деятельности дыхательного центра имеет изменение в крови напряжения СО2. При вдыхании газовой смеси, содержащей 5-7% СО2, увеличение парциального давления СО2 в альвеолярном воздухе задерживает выведение СО2 из венозной крови. Связанное с этим повышение напряжения СО2 в артериальной крови приводит к увеличению легочной вентиляции в 6-8 раз. Благодаря такому значительному увеличению объема дыхания, концентрация СО2 в альвеолярном воздухе возрастает не более, чем на 1%. Увеличение содержания СО2 в альвеолах на 0.2% вызывает увеличение вентиляции легких на 100%. Роль СО2, как главного регулятора дыхания, выявляется и в том, что недостаток содержания СО2 в крови понижает деятельность дыхательного центра и приводит к уменьшению объема дыхания и даже к полному прекращению дыхательных движения (апное). Это происходит, например, при искусственной гипервентиляции: произвольное увеличение глубины и частоты дыхания приводит к гипокапнии - снижению парциального давления СО2, в альвеолярном воздухе и артериальной крови. Поэтому после прекращения гипервентиляции появление очередного вдоха задерживается, а глубина и частота последующих вдохов вначале снижается. 4.10 Хемочувствительные рецепторы (центральные и периферические) Изменения газового состава внутренней среды организма оказывают влияние на дыхательный центр опосредованно, через специальные хемочувствительные рецепторы, расположенные непосредственно в 82 структурах продолговатого мозга ("центральные хеморецепторы") и в сосудистых рефлексогенных зонах ("периферические хеморецепторы"). Центральные хеморецепторы Центральными (медуллярными) хеморецепторами, постоянно участву- ющими в регуляции дыхания, называют нейрональные структуры в продолговатом мозге, чувствительные к напряжению СО2, и кислотно- щелочному состоянию омывающей их межклеточной мозговой жидкости. Хемочувствительные зоны имеются на переднебоковой поверхности продолговатого мозга около выходов подъязычного и блуждающего нервов в тонком слое мозгового вещества на глубине 0.2-0.4 мм. Медуллярные хеморецепторы постоянно стимулируются ионами водорода в межклеточной жидкости ствола мозга, концентрация которых зависит от напряжения СО2, в артериальной крови. Спинномозговая жидкость отделена от крови гемато- + энцефалическим барьером, относительно непроницаемым для ионов Н и НСО3 , но свободно пропускающим молекулярный СО2. При повышении напряжения СО2 в крови он диффундирует из кровеносных сосудов головного мозга в спинномозговую жидкость, в результате чего, в ней накапливаются ионы Н, которые стимулируют медуллярные хеморецепторы. При повышении напряжения СО2, и концентрации водородных ионов в жидкости, омывающей медуллярные хеморецепторы, увеличивается активность инспираторных и падает активность экспираторных нейронов дыхательного центра продолговатого мозга. В результате дыхание становится более глубоким и вентиляция легких растет за счет увеличения объема каждого вдоха. 83 Снижение напряжения СО2, и подщелачивание межклеточной жидкости ведет к полному или частичному исчезновению реакции увеличения объема дыхания на избыток СО2, (гиперкапнию) и ацидоз, а также в резкому угнетению инспираторной активности дыхательного центра вплоть до остановки дыхания. Периферические хеморецепторы, воспринимающие газовый состав артериальной крови, расположены в двух областях: дуге аорты и месте деления (бифуркация) общей сонной артерии (каротидный синус), т.е. в тех же зонах, что и барорецепторы, реагирующие на изменения кровяного давления. Хеморецепторы представляют собой самостоятельные образования, заключенные в особых тельцах - клубочках или гломусах, которые находятся вне сосуда. Афферентные волокна от хеморецепторов идут: от дуги аорты - в составе аортальной ветви блуждающего нерва, а от синуса сонной артерии - в каротидной ветви языкоглоточного нерва, так называемом нерве Геринга. Первичные афференты синусного и аортального нерва проходят через ипсилатеральное ядро солитарного тракта. Отсюда хеморецептивные импульсы поступают к дорсальной группе дыхательных нейронов продолговатого мозга. Артериальные хеморецепторы вызывают рефлекторное увеличение легочной вентиляции в ответ на снижение напряжения кислорода в крови (гипоксемию). Даже в обычных (нормоксических) условиях эти рецепторы находятся в состоянии 84 постоянного возбуждения, которое исчезает только при вдыхании человеком чистого кислорода. Уменьшение напряжения кислорода в артериальной крови ниже нормального уровня вызывает усиление афферентации из аортальных и синокаротидных хеморецепторов. Вдыхание гипоксической смеси ведет к учащению и увеличению регулярности импульсов, посылаемых хеморецепторами каротидного тельца. Повышению напряжения СО2, артериальной крови и соответствующему подъему вентиляции также сопутствует рост импульсной активности, направляемой в дыхательный центр от хеморецепторов каротидного синуса. Артериальные хеморецепторы ответственны за начальную, быструю, фазу вентиляторной реакции на гиперкапнию. При их денервации указанная реакция наступает позднее и оказывается более вялой, так как развивается в этих условиях лишь после того, как повысится напряжение СО2 области хемочувствительных мозговых структур. Гиперкапническая стимуляция артериальных хеморецепторов, подобно гипоксической, носит постоянный характер. Эта стимуляция начинается при пороговом напряжении СО2 20-30 мм рт.ст и, следовательно, имеет место уже в условиях нормального напряжения СО2, в артериальной крови (около 40 мм рт.ст.). 4.11 Взаимодействие гуморальных стимулов дыхания На фоне повышенного артериального напряжения СО2 или увеличенной концентрации водородных ионов вентиляторная реакция на гипоксемию становится интенсивнее. Поэтому снижение парциального давления кислорода и одновременное повышение парциального давления 85 углекислого газа в альвеолярном воздухе вызывают нарастание легочной вентиляции, превышающее арифметическую сумму ответов, которые вызывают эти факторы, действуя порознь. Физиологическое значение этого явления заключается в том, что указанное сочетание стимуляторов дыхания имеет место при мышечной деятельности, которая сопряжена с максимальным подъемом газообмена и требует адекватного ему усиления работы дыхательного аппарата. Установлено, что гипоксемия снижает порог и увеличивает интенсивность вентиляторной реакции на СО2. Однако, у человека при недостатке кислорода во вдыхаемом воздухе увеличение вентиляции происходит лишь при условии, когда артериальное напряжение СО2 составляет не менее 30 мм рт.ст. При уменьшении парциального давления О2 во вдыхаемом воздухе (например, при дыхании газовыми смесями с низким содержанием О2, при пониженном атмосферном давлении в барокамере или в горах) возникает гипервентиляция, направленная на предупреждение значительного снижения парциального давления О2 в альвеолах и напряжения его в артериальной крови. При этом из-за гипервентиляции наступает снижение парциального давления СО2 в альвеолярном воздухе и развивается гипокапния, приводящая к уменьшению возбудимости дыхательного центра. Поэтому при гипоксической гипоксии, когда парциальное давление СО; во вдыхаемом воздухе снижается до 12 кПа (90 мм рт.ст.) и ниже, система регуляции дыхания может лишь частично обеспечить поддержание напряжения О2 и СО2 на должном уровне. В этих условиях, несмотря на гипервентиляцию, 86 напряжение О2 все же снижается, и возникает умеренная гипоксемия. В регуляции дыхания функции центральных и периферических рецепторов постоянно дополняют друг друга и, в общем, проявляют синергизм. Так, импульсация хеморецепторов каротидного тельца усиливает эффект стимуляции медуллярных хемочувствительных структур. Взаимодействие центральных и периферических хеморецепторов имеет жизненно важное значение для организма, например, в условиях дефицита О2. При гипоксии из-за снижения окислительного метаболизма в мозге чувствительность медуллярных хеморецепторов ослабевает или исчезает, вследствие чего снижается активность дыхательных нейронов. Дыхательный центр в этих условиях получает интенсивную стимуляцию от артериальных хеморецепторов, для которых гипоксемия является адекватным раздражителем. Таким образом, артериальные хеморецепторы служат "аварийным" механизмом реакции дыхания на изменение газового состава крови, и, прежде всего, на дефицит кислородного снабжения мозга. 4.12 Взаимосвязь регуляции внешнего дыхания и других функции организма Обмен газов в легких и тканях и приспособление его к запросам тканевого дыхания при различных состояниях организма обеспечивается путем изменения не только легочной вентиляции, но и кровотока как в самих легких, так и других органах. Поэтому механизмы нейрогуморальной регуляции дыхания и кровообращения осуществляются в тесном 87 взаимодействии. Рефлекторные влияния, исходящие из рецептивных полей сердечно- сосудистой системы (например, синокаротидной зоны), изменяют деятельность как дыхательного, так и сосудодвигательного центров. Нейроны дыхательного центра подвержены рефлекторным воздействиям со стороны барорецепторных зон сосудов - дуги аорты, каротидного синуса. Сосудо- двигательные рефлексы неразрывно связаны и с изменением функции дыхания. Повышение сосудистого тонуса и усиление сердечной деятельности, соответственно, сопровождаются усилением дыхательной функции. Например, при физической или эмоциональной нагрузке у человека обычно имеет место согласованное повышение минутного объема крови в большом и малом круге, артериального давления и легочной вентиляции. Однако, резкое повышение артериального давления вызывает возбуждение синокаротидных и аортальных барорецепторов, которое приводит к рефлекторному торможению дыхания. Понижение артериального давления, например, при кровопотере, приводит к увеличению легочной вентиляции, что вызвано, с одной стороны, снижением активности сосудистых барорецепторов, с другой - возбуждением артериальных хеморецепторов в результате местной гипоксии, вызванной уменьшением в них кровотока. Учащение дыхания возникает при повышении давления крови в малом круге кровообращения и при растяжении левого предсердия. На работу дыхательного центра оказывает влияние афферентация от периферических и центральных терморецепторов, особенно при резких и 88 внезапных температурных воздействиях на рецепторы кожи. Погружение человека в холодную воду, например, тормозит выдох, в результате чего возникает затяжной вдох. У животных, у которых отсутствуют потовые железы (например, у собаки), с повышением температуры внешней среды и ухудшением теплоотдачи увеличивается вентиляция легких за счет учащения дыхания (температурное полипное) и усиливается испарение воды через систему дыхания. Рефлекторные влияния на дыхательный центр весьма обширны, и практически все рецепторные зоны при их раздражении изменяют дыхание. Эта особенность рефлекторной регуляции дыхания отражает общий принцип нейронной организации ретикулярной формации ствола мозга, в состав которой входит и дыхательный центр. Нейроны ретикулярной формации, в том числе и дыхательные нейроны, имеют обильные коллатерали почти от всех афферентных систем организма, что и обеспечивает, в частности, разносторонние рефлекторные влияния на дыхательный центр. На деятельности нейронов дыхательного центра отражается большое количество различных неспецифических рефлекторных влияний. Так, болевые раздражения сопровождаются немедленным изменением дыхательной ритмики. Функция дыхания теснейшим образом связана с эмоциональными процессами: почти все эмоциональные проявления человека сопровождаются изменением функции дыхания; смех, плач - это измененные дыхательные движения. В дыхательный центр продолговатого мозга непосредственно поступает импульсация от рецепторов легких и рецепторов крупных сосудов, 89 т.е. рецептивных зон, раздражение которых имеет особенно существенное значение для регуляции внешнего дыхания. Однако, для адекватного приспособления функции дыхания к меняющимся условиям существования организма система регуляции должна обладать полной информацией о том, что происходит в организме и в окружающей среде. Поэтому для регуляции дыхания имеют значение все афферентные сигналы от разнообразных рецептивных полей организма. Вся эта сигнализация поступает не непосредственно в дыхательный центр продолговатого мозга, а в различные уровни головного мозга, и от них непосредственно может передаваться как на дыхательную, так и на другие функциональные системы. Различные центры головного мозга образуют с дыхательным центром функционально подвижные ассоциации, обеспечивающие полноценное регулирование дыхательной функции. В центральный механизм, регулирующий дыхание, включены разные уровни ЦНС. Значение для регуляции дыхания структур стволовой части мозга, в том числе варолиевого моста, среднего мозга, заключается в том, что эти отделы ЦНС получают и переключают на дыхательный центр проприоцептивную и интероцептивную сигнализацию, а промежуточный мозг - сигнализацию об обмене веществ. Кора больших полушарий, как центральная станция анализаторных систем, вбирает и обрабатывает сигналы от всех органов и систем, делая возможным адекватное приспособление различных функциональных систем, в том числе и дыхания, к тончайшим изменениям жизнедеятельности организма. Своеобразие функции внешнего дыхания заключается в том, что она в одной и той же мере и автоматическая, и произвольно управляемая. Человек 90