Sự Điều Hòa Hô Hấp (Phần 2)

Sự kiểm soát hóa học của quá trình hô hấp

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

Tác động kích thích suy giảm của CO₂ sau 1 đến 2 ngày đầu tiên. Sự kích thích của trung tâm hô hấp bởi CO₂ thì lớn trong một vài giờ đầu tiên sau khi CO₂ máu đầu tiên tăng lên, nhưng sau đó nó dần dần giảm trong 1 đến 2 ngày tiếp theo, giảm đến khoảng một phần năm tác động ban đầu. Một phần của sự giảm này là do sự điều chỉnh của thận đối với nồng độ H⁺ trong máu tuần hoàn quay trở lại mức bình thường sau khi CO₂ ban đầu làm tăng nồng độ H⁺. Các thận thực hiện được việc điều chỉnh này bằng cách làm tăng HCO₃^– mà liên kết với H⁺ trong máu và dịch não tủy để làm giảm các nồng độ của chúng. Nhưng, thậm chí còn quan trọng hơn, qua một khoảng thời gian nhiều giờ, HCO₃^– cũng khuếch tán môt cách chậm chạp qua các hàng rào máu-não và máu dịch não tủy và kết hợp một cách trực tiếp với H⁺ cạnh các neurons hô hấp nữa, vì thế, làm giảm H⁺ về mức gần bình thường. Một sự thay đổi trong nồng độ CO₂ máu vì thế có một tác động nhanh mạnh mẽ lên sự kiểm soát động lực hô hấp nhưng chỉ là một tác động kéo dài yếu sau sự thích nghi một vài ngày.

Các tác động định lượng của P_CO2 và nồng độ H⁺ trong máu lên sự thông khí phế nang. Hình 1 cho thấy các tác động gần đúng về mặt định lượng của P_CO2 máu và pH máu (là một sự đo đạc logarith nghịch đảo của nồng độ H⁺) lên thông khí phế nang. Đặc biệt chú ý sự tăng lên đáng kể trong thông khí được gây ra bởi một sự tăng lên trong P_CO2 trong khoảng bình thường giữa 35 và 75 mm Hg, cho thấy tác động lớn mà các sự thay đổi CO₂ có trong sự kiểm soát hô hấp. Ngược lại, sự thay đổi trong quá trình hô hấp trong khoảng pH máu bình thường, mà nằm giữa 7.3 và 7.5, thì thấp hơn 10% về độ lớn.

Các sự thay đổi trong O₂ có ít tác động trực tiếp lên sự kiểm soát của trung tâm hô hấp. Các sự thay đổi trong nồng độ O₂ hầu như không có tác động trực tiếp lên chính trung tâm hô hấp để làm thay đổi động lực hô hấp – mặc dù các sự thay đổi O₂ có một tác động gián tiếp, là tác động thông qua các thụ cảm thể hóa học ngoại vi, như được giải thích trong phần tiếp theo.

Chúng ta đã biết từ loạt bài viết trước là hệ thống đệm hemoglobin-oxygen vận chuyển gần như chính xác các lượng O₂ bình thường đến các mô, ngay cả khi các sự thay đổi trong P_O2 phổi từ một giá trị thấp đến 60 mm Hg lên đến một giá trị cao đến 1000 mm Hg. Vì thế, ngoại trừ dưới các tình trạng đặc biệt, sự vận chuyển O₂ đầy đủ có thể xảy ra mặc cho các sự thay đổi trong thông khí phổi thay đổi từ hơi thấp hơn một nửa bình thường đến cao 20 lần hoặc nhiều hơn so với bình thường. Điều này thì không đúng đối với CO₂ bởi vì cả P_CO2 máu và mô thay đổi nghịch với mức thông khí phổi; vì thế, các quá trình tiến hóa của động vật đã biến CO₂ trở thành yếu tố kiểm soát chính của quá trình hô hấp mà không phải là O₂.

Tuy nhiên, đối với các tình trạng đặc biệt mà trong đó các mô rơi vào tình trạng thiếu O₂, cơ thể có một cơ chế đặc hiệu đối với sự kiểm soát hô hấp nằm trong các thụ cảm thể hóa học ngoại vi, bên ngoài trung tâm hô hấp não. Cơ chế này đáp ứng khi O₂ giảm quá thấp, chủ yếu dưới một P_O2 là 70 mm Hg, như được giải thích trong phần tiếp theo.

Hệ thống thụ cảm thể hóa học ngoại vi – vai trò của oxygen trong sự kiểm soát hô hấp

Ngoài sự kiểm soát hoạt động hô hấp bởi chính trung tâm hô hấp, vẫn có một cơ chế khác sẵn có để kiểm soát quá trình hô hấp. Cơ chế này là hệ thống thụ cảm thể hóa học ngoại vi, được thể hiện trong Hình 2. Các thụ cảm thể hóa học thần kinh đặc hiệu, được gọi là các thụ cảm thể hóa học, nằm trong một số vùng bên ngoài não. Chúng thì đặc biệt quan trọng trong việc phát hiện các sự thay đổi trong O₂ của máu, mặc dù chúng cũng đáp ứng với mức độ nhỏ hơn đối với các sự thay đổi trong các nồng độ CO₂ và H⁺. Các thụ cảm thể hóa học truyền các tín hiệu thần kinh đến trung tâm hô hấp trong não để giúp điều hòa hoạt động hô hấp.

Hầu hết các thụ cảm thể hóa học thì nằm trong các thể cảnh. Tuy nhiên, một ít cùng nằm trong các thể động mạch chủ, được thể hiện trong phần dưới của Hình 2 và rất ít được nằm trong ở nơi nào đó khác trong mối liên hệ với các động mạch khác của các vùng ngực và bụng.

Các thể cảnh được nằm ở hai bên trong các vị trí phân đôi của các động mạch cảnh chung. Các sợi thần kinh đến đi qua các dây thần kinh Hering đến các dây thần kinh thiệt-hầu và sau đó đến vùng hô hấp lưng của hành não. Các thể động mạch chủ thì nằm dọc theo cung động mạch chủ; các sợi thần kinh hướng tâm của chúng đi qua các dây thần kinh lang thang, cũng đến vùng hô hấp hành não phía lưng.

Mỗi trong số các thể thụ cảm thể hóa học nhận sự cấp máu chuyên biệt của chính nó thông qua một động mạch nhỏ trực tiếp từ thân động mạch kế cận. Lưu lượng máu qua các thể này thì cực kỳ nhiều, 20 lần trọng lượng của chính các thể mỗi phút. Vì thế, phần trăm của O₂ được loại bỏ khỏi máu đang chảy thì hầu như bằng 0, có nghĩa là các thụ cảm thể hóa học được tiếp xúc mọi lúc với máu động mạch, không phải máu tĩnh mạch và các giá trị P_O2 là các giá trị P_O2 động mạch.

Oxygen động mạch giảm kích thích các thụ cảm thể hóa học. Khi nồng độ oxygen trong máu động mạch giảm bên dưới mức bình thường thì các thụ cảm thể hóa học trở nên được kích thích mạnh. Tác động này được thể hiện trong Hình 3, mà cho thấy tác động của các mức P_O2 động mạch khác nhau lên mức độ truyền xung thần kinh từ một thể cảnh. Chú ý rằng mức xung động thì đặc biệt nhạy cảm với các sự thay đổi trong P_O2 động mạch trong khoảng 60 mm Hg xuống đến 30 mm Hg, một khoảng mà trong đó độ bão hòa của hemoglobin với oxygen giảm nhanh chóng.

Cơ chế cơ bản của sự kích thích các thụ cảm thể hóa học bởi sự thiếu hụt O₂. Các “phương tiện” chính xác mà bằng cách đó P_O2 thấp kích thích các đầu tận thần kinh trong các thể cảnh và động mạch chủ thì vẫn không hoàn toàn được hiểu. Tuy nhiên, các thể này có nhiều tế bào giống tuyến đặc trưng cao, được gọi là tế bào cuộn mạch (glomus cells), mà tiếp nối synapse một cách trực tiếp hoặc gián tiếp với các đầu tận thần kinh. Bằng chứng hiện tại cho thấy rằng các tế bào cuộn mạch này thực hiện chứng năng như là các thụ cảm thể hóa học và sau đó kích thích các đầu tận thần kinh (Hình 4). Các tế bào cuộn mạch có các kênh kali nhạy cảm O₂ mà bị bất hoạt khi P_O2 máu giảm một cách đáng kể. Sự bất hoạt này làm cho tế bào khử cực, điều mà cuối cùng sẽ làm mở các kênh canxi có cổng điện thế và làm tăng nồng độ ion canxi nội bào. Số lượng ion canxi tăng lên kích thích sự giải phóng của chất dẫn truyền thần kinh mà hoạt hóa các neurons hướng tâm mà gửi các tín hiệu đến hệ thống thần kinh trung ương và kích thích quá trình hô hấp. Mặc dù các nguyên cứu trước đây cho thấy rằng dopamine hay acetylcholine có thể là các chất dẫn truyền thần kinh chính nhưng các nghiên cứu gần đây hơn cho thấy rằng trong suốt quá trình hạ oxygen mô, adenosine triphosphate (ATP) có thể là chất dẫn truyền thần kinh có tính kích thích quan trọng được giải phóng bởi các tế bào cuộn mạch thể cảnh.

Nồng độ CO₂ và H⁺ tăng lên kích thích các thụ cảm thể hóa học. Một sự tăng lên trong nồng độ CO₂ và H⁺ kích thích các thụ cảm thể hóa học và theo cách này, làm tăng một cách gián tiếp hoạt động hô hấp. Tuy nhiên, các tác động trực tiếp của cả hai yếu tố này trong trung tâm hô hấp thì mạnh mẽ hơn nhiều so với các tác động của chúng qua trung gian các thụ cảm thể hóa học (khoảng bảy lần mạnh hơn). Tuy nhiên, có một sự khác biệt giữa các tác động ngoại vi và trung ương của CO₂ – sự kích thích qua các thụ cảm thể hóa học ngoại vi xảy ra nhanh đến năm lần so với sự kích thích trung ương, vì thế, các thụ cảm thể hóa học ngoại vi có thể đặc biệt quan trọng trong việc làm tăng mức độ nhanh của đáp ứng với CO₂ ở lúc đầu của quá trình gắng sức.

Tác động của P_O2 động mạch thấp trong việc kích thích sự thông khí phế nang khi các nồng độ CO₂ và H⁺ động mạch bình thường

Hình 5 cho thấy tác động của P_O2 động mạch thấp lên sự thông khí phế nang khi các nồng độ P_CO2 và H⁺ được giữ hằng định ở các mức bình thường của chúng. Nói cách khác, trong hình này, chỉ sự điều khiển thông khí được gây ra bởi O₂ thấp lên các thụ cảm thể hóa học là được hoạt hóa. Hình 5 cho thấy gần như không có tác động lên sự thông khí miễn là P_O2 động mạch luôn lớn hơn 100 mm Hg. Tuy nhiên, ở các áp suất thấp hơn 100 mm Hg, sự thông khí xấp xỉ gấp đôi khi P_O2 động mạch giảm xuống 60 mm Hg và có thể tăng nhiều đến năm lần ở các giá trị P_O2 rất thấp. Dưới các điều kiện này, P_O2 động mạch thấp điều khiển một cách rõ ràng quá trình thông khí khá mạnh mẽ.

Bởi vì tác động của hạ oxygen mô lên sự thông khí thì rõ ràng đối với các giá trị P_O2 lớn hơn 60 đến 80 mm Hg, nên các đáp ứng P_CO2 và H⁺ hầu như chịu trách nhiệm cho điều hòa thông khí ở người khỏe mạnh ở mức mực nước biển.

Thở O₂ thấp kéo dài kích thích sự hô hấp thậm chí mạnh hơn – hiện tượng được gọi là “sự thích nghi môi trường”

Các nhà leo núi đã phát hiện thấy rằng khi họ lên cao trên một ngọn núi một cách chậm rãi thì qua một khoảng thời gian vài ngày chứ không phải vài giờ, họ thở sâu hơn và vì thế có thể “đứng vững” trước các nồng độ O₂ khí quyển thấp hơn nhiều so với khi mà họ leo lên nhanh. Hiện tượng này được gọi là “sự thích nghi môi trường”.

Nguyên nhân cho sự thích nghi môi trường là trong vòng 2 đến 3 ngày, trung tâm hô hấp trong thân não mất khoảng 80% độ nhạy cảm của nó với các sự thay đổi trong P_CO2 và H⁺. Vì thế, sự thở ra CO₂ do thông khí quá mức mà bình thường sẽ ức chế một sự tăng lên trong quá trình hô hấp không xảy ra, và O₂ thấp có thể điều khiển trung tâm hô hấp đến một mức độ cao hơn nhiều của sự thông khí phế nang so với dưới các điều kiện cấp tính. Thay vì 70% tăng lên trong thông khí mà có thể xảy ra sau sự tiếp xúc nhanh với O₂ thấp, sự thông khí phế nang thường tăng lên 400% đến 500% sau 2 đến 3 ngày ở mức O₂ thấp mà giúp cung cấp cực kỳ nhiều O₂ thêm cho các nhà leo núi.

Các tác động tổ hợp của P_CO2, pH và P_O2 lên thông khí phế nang

Hình 6 cho thấy một tổng quan nhanh của cách mà P_O2, P_CO2 và pH cùng nhau tác động đến sự thông khí phế nang. Để hiểu được sơ đồ này, đầu tiên quan sát bốn đường cong màu đỏ. Các đường cong này được ghi lại ở các mức P_O2 động mạch khác nhau – 40, 50, 60 và 100 mm Hg. Đối với mỗi đường cong này, P_CO2 thay đổi từ các mức thấp hơn đến cao hơn. Vì thế, họ các đường cong này biểu diễn cho các tác động phối hợp của P_CO2 và P_O2 phế nang lên sự thông khí.

Bây giờ quan sát các đường cong màu xanh lá cây. Ngược lại với các đường cong màu đỏ được ghi nhận ở một pH máu là 7.4, các đường cong màu xanh lá cây được ghi lại ở một pH là 7.3. Bây giờ chúng ta có hai họ đường cong biểu diễn cho các tác động phối hợp của P_CO2 và P_O2 lên sự thông khí ở hai giá trị pH khác nhau. Vẫn còn những họ đường cong khác sẽ được dịch chuyển sang bên phải ở pH cao hơn và được dịch chuyển sang bên trái ở pH thấp hơn. Vì thế, sử dụng sơ đồ này, chúng ta có thể dự đoán mức thông khí phế nang đối với hầu hết sự kết hợp của P_CO2 phế nang, P_O2 phế nang và pH động mạch.

Sự điều hòa hô hấp trong suốt quá trình gắng sức

Trong suốt quá trình gắng sức nặng, sự tiêu thụ O₂ và sự hình thành CO₂ có thể tăng nhiều đến 20 lần. Tuy nhiên, ở những vận động viên khỏe mạnh, như được minh họa trong Hình 7, sự thông khí phế nang thông thường tăng gần như đồng điệu chính xác với mức chuyển hóa oxygen. P_O2, P_CO2 và pH động mạch gần như vẫn hoàn toàn bình thường.

Trong nỗ lực phân tích điều gì gây ra sự thông khí tăng lên trong suốt quá trình gắng sức, chúng ta dễ gán ghép sự thông khí tăng lên này là do tăng CO₂ và H⁺ máu cùng với một sự giảm trong O₂ máu. Tuy nhiên, các sự đo đạc của P_CO2, pH và P_O2 động mạch cho thấy rằng không có giá trị nào trong số này trở nên đủ bất thường để kích thích quá trình hô hấp một cách mạnh mẽ như được quan sát thấy trong suốt quá trình gắng sức mạnh. Vì thế, điều gì gây ra sự thông khí mạnh trong suốt quá trình gắng sức? Ít nhất một tác động dường như sẽ chiếm ưu thế. Não bộ, đang truyền các xung động vận động đến các cơ đang gắng sức, được cho là truyền các xung động phụ vào trong thân não để kích thích trung tâm hô hấp cùng lúc. Hoạt động này thì tương tự với sự kích thích trung tâm vận mạch của thân não trong suốt quá trình gắng sức mà gây ra một sự tăng lên đồng thời trong áp suất động mạch.

Thực sự, khi một người bắt đầu gắng sức, một phần lớn của toàn bộ sự tăng lên trong sự thông khí bắt đầu ngay lập tức vào lúc bắt đầu gắng sức, trước khi bất cứ chất hóa học trong máu nào có thời gian thay đổi. Dường như hầu hết sự tăng lên trong quá trình hô hấp là do các tín hiệu thần kinh được truyền một cách trực tiếp vào trong trung tâm hô hấp của thân não ở cùng thời điểm mà các tín hiệu đi đến các cơ của cơ thể để gây ra sự co cơ.

Các bạn có thể xem bài viết mới trên Facebook tại đây: https://www.facebook.com/61550892771585/

Các bạn có thể xem bài viết trước tại đây: https://docsachxyz.com/su-dieu-hoa-ho-hap-phan-1/

Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!