Sự Điều Hòa Hô Hấp (Phần 1)

Hệ thống thần kinh bình thường điều chỉnh mức thông khí phế nang để đáp ứng các nhu cầu của cơ thể gần như một cách chính xác sao cho áp suất riêng phần oxygen (P_O2) và áp suất riêng phần carbon dioxide (P_CO2) trong máu động mạch thì hầu như không thay đổi, ngay cả trong suốt quá trình gắng sức nặng và hầu hết các loại stress hô hấp khác. Loạt bài viết này mô tả chức năng của hệ thống thần kinh trong điều hòa quá trình hô hấp này.

Trung tâm hô hấp (respiratory center)

Trung tâm hô hấp bao gồm một vài nhóm neurons nằm hai bên trong hành não và cầu não của thân não, như được thể hiện trong Hình 1. Nó được chia thành ba tập hợp các neurons chính: (1) một nhóm hô hấp lưng, nằm trong phần lưng của hành não, mà chủ yếu gây ra sự hít vào; (2) một nhóm hô hấp bụng, nằm trong phần bụng-ngoài của hành não mà chủ yếu gây ra sự thở ra; và (3) trung tâm điều hòa hô hấp, nằm ở phía lưng trong phần trên của cầu não, mà chủ yếu kiểm soát tần số và độ sâu của quá trình hô hấp.

trung-tam-ho-hap-1 — **Hình 1** – Sự tổ chức của trung tâm hô hấp.

Nhóm các neurons hô hấp lưng kiểm soát sự hít vào và nhịp hô hấp

Nhóm các neurons hô hấp lưng đóng một vai trò nền tảng trong việc kiểm soát sự hô hấp và mở rộng trên hầu hết chiều dài của hành não. Hầu hết các neurons của nó được nằm trong nhân bó đơn độc, mặc dù các neurons khác trong chất lưới lân cận của hành não cũng đóng các vai trò quan trọng trong sự kiểm soát hô hấp. NTS là tận cùng cảm giác của cả các dây thần kinh lang thang và thiệt-hầu, mà truyền các tín hiệu cảm giác vào trong trung tâm hô hấp từ các vùng sau: (1) các thụ cảm thể hóa học ngoại vi; (2) các thụ cảm thể sức căng; (3) các thụ cảm thể trong gan, tụy và nhiều phần của đường tiêu hóa; và (4) một số loại thụ cảm thể trong các phổi.

Các sự phát xung truyền tín hiệu hít vào theo nhịp từ nhóm hô hấp lưng. Nhịp hô hấp cơ bản được tạo ra chủ yếu trong nhóm các neurons hô hấp lưng. Thậm chí khi tất cả các dây thần kinh ngoại biên đi vào trong hành não bị cắt và thân não được cắt ngang phía trên và phía dưới hành não thì nhóm các neurons này vẫn phát dữ dội các tín hiệu điện thế hoạt động của neurons truyền tín hiệu hít vào. Nguyên nhân cơ bản của các sự phát xung lặp đi lặp lại này thì không biết. Ở các động vật nguyên sinh, các mạng lưới thần kinh đã được phát hiện là trong đó hoạt động của một hệ thống neurons kích thích một hệ thống thứ hai mà cuối cùng ức chế hệ thống đầu tiên. Sau đó, sau một khoảng thời gian, cơ chế lặp lại, tiếp tục trong suốt đời sống của động vật. Các mạng lưới neuron tương tự xuất hiện ở con người, nằm hoàn toàn trong hành não; nó có thể liên quan không chỉ đến nhóm hô hấp lưng mà còn liên quan đến các khu vực lân cận của hành não cũng như là chịu trách nhiệm cho nhịp hô hấp cơ bản.

Tín hiệu “kiểu dốc” của sự hít vào. Tín hiệu thần kinh mà được truyền đến các cơ, chủ yếu là cơ hoành, thì không phải bùng nổ đột ngột của các điện thế hoạt động. Thay vào đó, nó bắt đầu yếu ớt và tăng một cách ổn định theo “kiểu dốc” trong khoảng 2 giây trong một quá trình hô hấp bình thường. Nó sau đó ngừng một cách đột ngột trong khoảng 3 giây tiếp theo, mà làm ngưng sự kích thích của cơ hoành và cho phép sự hồi phục đàn hồi của các phổi và thành ngực để gây ra sự thở ra. Tiếp theo, tín hiệu hít vào bắt đầu một lần nữa trong một chu kỳ khác; chu kỳ này lặp lại liên tục, với sự thở ra diễn ra giữa chúng. Vì thế tín hiệu hít vào là một tín hiệu kiểu dốc. Ưu điểm rõ ràng của tín hiệu kiểu dốc là nó gây ra sự tăng lên ổn định trong thể tích của các phổi trong suốt quá trình hít vào, chứ không phải là một sự hít vào đột ngột.

Hai tính chất của tín hiệu kiểu dốc hít vào được kiểm soát, như sau:

1. Sự kiểm soát tốc độ tăng lên của tín hiệu kiểu dốc sao cho trong suốt quá trình hô hấp mạnh, kiểu dốc tăng lên một cách nhanh chóng và vì thế làm đầy phổi một cách nhanh chóng.

2. Sự kiểm soát điểm giới hạn ở đó kiểu dốc đột ngột ngừng, là phương pháp thường để kiểm soát tốc độ hô hấp. Nghĩa là, dốc ngừng càng sớm thì thời gian hít vào càng ngắn. Phương pháp này cũng làm ngắn thời gian của sự thở ra. Vì thế, tốc độ hô hấp được tăng lên.

Trung tâm kiểm soát hô hấp làm giới hạn thời gian của sự hít vào và làm tăng tốc độ hô hấp

Một trung tâm kiểm soát hô hấp, nằm ở phía lưng trong nhân cạnh cuống của cầu não trên, truyền các tín hiệu đến vùng hít vào. Tác động chủ yếu của trung tâm này là kiểm soát điểm “ngắt” của dốc hít vào, bằng cách đó kiểm soát thời gian của pha đổ đầy của chu kỳ phổi. Khi tín hiệu kiểm soát hô hấp mạnh, sự hít vào có thể kéo dài ít nhất 0.5 giây, vì thế, đổ đẩy phổi chỉ nhỏ; khi tín hiệu kiểm soát hô hấp yếu, sự hít vào có thể liên tục trong 5 giây hoặc lâu hơn, vì thế, sự đổ đầy phổi với các lượng không khí lớn hơn nhiều.

Chức năng của trung tâm kiểm soát hô hấp chủ yếu là giới hạn sự hít vào, mà có một tác động thứ cấp là làm tăng tần số hô hấp bởi vì sự giới hạn của quá trình hít vào cũng làm ngắn thời gian thở ra và toàn bộ thời gian của mỗi sự hô hấp. Một tín hiệu kiểm soát hô hấp mạnh có thể làm tăng tần số hô hấp đến 30 đến 40 lần/phút, ngược lại, một tín hiệu kiểm soát hô hấp yếu có thể làm giảm tần số hô hấp xuống chỉ 3 đến 5 nhịp/phút.

Nhóm các neurons hô hấp bụng – các chức năng trong cả sự hít và và sự thở ra

Nằm trong mỗi bên của hành não, khoảng 5 millimeters phía trước và phía ngoài so với nhóm neurons hô hấp lưng, là nhóm neurons hô hấp bụng, được tìm thấy trong nhân mơ hồ ở phía miệng và nhân sau mơ hồ ở phía đuôi. Chức năng của nhóm neuron này khác so với nhóm hô hấp lưng trong một số phương diện quan trọng:

1. Các neurons của nhóm hô hấp bụng hầu như hoàn toàn bất hoạt trong suốt quá trình hô hấp bình thường. Vì thế, sự hô hấp bình thường được gây ra bởi các tín hiệu hít vào lặp lại từ nhóm hô hấp lưng truyền chủ yếu đến cơ hoành và sự thở ra là do sự hồi phục đàn hồi của các phổi và lồng ngực.

2. Các neurons hô hấp bụng không tham gia vào trong sự dao động theo nhịp cơ bản mà kiểm soát sự hô hấp.

3. Khi sự điều khiển hô hấp cho sự thông khí phổi lớn hơn bình thường, các tín hiệu hô hấp tràn vào trong các neurons hô hấp bụng từ cơ chế dao động cơ bản của vùng hô hấp lưng. Kết quả, vùng hô hấp bụng cũng đóng góp thêm sự điều khiển hô hấp.

4. Sự kích thích điện của một số ít neurons trong nhóm bụng gây ra sự hít vào, ngược lại, sự kích thích của các neurons khác gây ra sự thở ra. Vì thế, các neurons này đóng góp vào cả sự hít vào và sự thở ra. Chúng đặc biệt quan trọng trong việc cung cấp các tín hiệu thở ra mạnh mẽ đến các cơ bụng trong suốt quá trình thở ra rất mạnh. Vì thế, vùng này vận hành ít hay nhiều như là một cơ chế tăng tốc khi các mức thông khí phổi cao được cần đến, đặc biệt trong suốt quá trình gắng sức nặng.

Các tín hiệu bơm căng phổi giới hạn sự hít vào – phản xạ căng phồng Hering-Breuer

Ngoài các cơ chế kiểm soát hô hấp của hệ thống thần kinh trung ương vận hành một cách hoàn toàn trong thân não, các tín hiệu thần kinh cảm giác từ các phổi cũng giúp kiểm soát sự hô hấp. Quan trọng nhất, nằm trong các phần cơ của các thành của các phế quản và tiểu phế quản trên khắp các phổi là các thụ cảm thể sức căng mà truyền các tín hiệu qua các dây lang thang vào trong nhóm neurons hô hấp lưng khi các phổi trở nên căng quá mức. Các tín hiệu này ảnh hưởng đến sự hít vào rất giống với các tín hiệu từ trung tâm kiểm soát hô hấp; nghĩa là, khi các phổi trở nên căng quá mức, các thụ cảm thể sức căng hoạt hóa một đáp ứng phản hồi thích hợp mà làm “ngắt” tín hiệu dốc hô hấp và vì thế, làm ngừng sự hít vào nhiều hơn. Cơ chế này được gọi là cơ chế căng phồng Hering-Breuer. Phản xạ này cũng làm tăng tần số hô hấp, cũng giống với các tín hiệu từ trung tâm kiểm soát hô hấp.

Ở người, phản xạ Hering-Breuer dường như không được hoạt hóa cho đến khi thể tích khí lưu thông tăng đến nhiều hơn ba lần so với bình thường (>≈1.5L/nhịp thở). Vì thế, phản xạ này dường như là một cơ chế bảo vệ chủ yếu trong việc ngăn cản sự căng phồng phổi quá mức chứ không phải là một yếu tố quan trọng trong sự kiểm soát thông khí bình thường.

Sự kiểm soát hoạt động trung tâm hô hấp tổng quan

Đến lúc này, chúng ta đã bàn đến các cơ chế cơ bản gây ra sự hít vào và sự thở ra, nhưng cũng quan trọng khi biết làm thế nào cường độ các tín hiệu kiểm soát hô hấp được tăng lên hay giảm xuống để phù hợp với các nhu cầu thông khí của cơ thể. Ví dụ, trong suốt quá trình gắng sức mạnh, các mức sử dụng oxygen (O₂) và sự hình thành carbon dioxide (CO₂) thường được tăng lên nhiều đến 20 lần so với bình thường, cần các sự tăng lên tương xứng trong thông khí phổi. Mục đích chính của phần của lại của loạt bài viết này là bàn đến sự kiểm soát thông khí này theo các nhu cầu hô hấp của cơ thể.

Sự kiểm soát hóa học của quá trình hô hấp

Mục đích cuối cùng của sự hô hấp là duy trì các nồng độ O₂, CO₂ và H⁺ thích hợp trong các mô. May mắn thay, vì thế, hoạt động hô hấp thì đáp ứng mạnh với các sự thay đổi trong mỗi trong số các chất này.

CO₂ quá mức hay H⁺ quá mức trong máu chủ yếu đóng vai trò một cách trực tiếp lên trung tâm hô hấp, gây ra sự tăng lên đáng kể độ mạnh của cả các tín hiệu thở ra và hít vào đến các cơ hô hấp. Ngược lại, oxygen, không có một tác động lớn trực tiếp lên trung tâm hô hấp của não trong kiểm soát quá trình hô hấp. Thay vào đó, nó tác động gần như hoàn toàn lên các thụ cảm thể hóa học ngoại vi nằm trong các thể cảnh và động mạch chủ, và các thụ cảm thể hóa học này cuối cùng truyền các tín hiệu thần kinh thích hợp đến trung tâm hô hấp để kiểm soát quá trình hô hấp.

Sự kiểm soát trực tiếp hoạt động của trung tâm hô hấp bởi CO₂ và H⁺

Vùng nhạy cảm hóa học của trung tâm hô hấp bên dưới bề mặt phía bụng của hành não. Chúng ta đã bàn luận đến ba khu vực trung tâm hô hấp – nhóm neuron hô hấp lưng, nhóm hô hấp bụng và trung tâm kiểm soát hô hấp. Người ta cho rằng không trung tâm nào trong số này bị ảnh hưởng một cách trực tiếp bởi các sự thay đổi trong nồng độ H⁺ hoặc CO₂ máu. Thay vào đó, thêm một vùng neuron, một vùng nhạy cảm hóa học, được thể hiện trong Hình 2, nằm ở hai bên, chỉ 0.2 millimeters bên dưới bề mặt phía bụng của hành não. Vùng này thì nhạy cảm mạnh với các sự thay đổi trong cả P_CO2 hay nồng độ H⁺ trong máu và cuối cùng hoạt hóa các phần khác của trung tâm hô hấp.

trung-tam-ho-hap-2 — **Hình 2** – Sự kích thích vùng hít vào của thân não bởi các tín hiệu từ vùng nhạy cảm hóa học nằm ở hai bên trong hành não, nằm chỉ một phần của một millimeter bên dưới bề mặt hành não phía bụng. Cũng chú ý là H⁺ kích thích vùng nhạy cảm hóa học, nhưng carbon dioxide trong dịch lại tạo ra hầu hết H⁺.

Sự hoạt hóa của các neurons nhạy cảm hóa học bởi H⁺ dường như là kích thích chủ yếu. Các neurons nhận cảm trong vùng nhạy cảm hóa học thì đặc biệt bị kích thích bởi H⁺; trong thực tế, người ta cho rằng H⁺ có lẽ là kích thích quan trọng duy nhất đối với các neurons này. Tuy nhiên, ions H⁺ không đi một cách dễ dàng qua hàng rào máu-não. Vì lý do này, các sự thay đổi trong nồng độ H⁺ trong máu có tác động ít hơn một cách đáng kể trong việc kích thích các neurons nhạy cảm hóa học hơn so với các sự thay đổi trong CO₂ máu, mặc dù CO₂ được cho là kích thích các neurons này một cách thứ phát bằng cách thay đổi nồng độ H⁺, như được giải thích trong phần tiếp theo.

CO₂ kích thích một cách gián tiếp các neurons nhạy cảm hóa học. Mặc dù CO₂ có ít tác động trong sự kích thích các neurons trong vùng nhạy cảm hóa học, nhưng nó có một tác động gián tiếp mạnh mẽ. Nó có tác động này bằng cách phản ứng với nước của các mô để hình thành nên carbonic acid, mà phân ly thành H⁺ và HCO₃^–; H⁺ sau đó có một tác động kích thích trực tiếp lên quá trình hô hấp. Các phản ứng này được thể hiện trong Hình 2.

Tại sao CO₂ máu có một tác động mạnh mẽ hơn trong việc kích thích các neurons nhạy cảm hóa học hơn là H⁺ máu? Câu trả lời là hàng rào máu não không quá thấm với H⁺, nhưng CO₂ đi qua hàng rào này như thể là nó không tồn tại. Kết quả, bất cứ khi nào P_CO2 máu tăng lên, P_CO2 của cả dịch kẽ của hành não và dịch não tủy cũng tăng lên. Trong cả hai dịch này, CO₂ ngay lập tức phản ứng với nước để hình thành nên H⁺ mới. Vì thế, nghịch lý, nhiều H⁺ hơn được giải phóng vào trong vùng nhận cảm nhạy cảm hóa học của hành não khi nồng độ CO₂ máu tăng lên nhiều hơn khi nồng độ H⁺ máu tăng lên. Vì lý do này, hoạt động của trung tâm hô hấp được tăng lên rất mạnh bởi các sự thay đổi trong CO₂ máu, một sự thật mà chúng ta sẽ bàn đến tiếp theo về mặt định lượng.