二、呼吸中枢
节律性呼吸运动表现为呼吸肌的节律性收缩与舒张。呼吸肌为骨骼肌，本身无自动节律性，受脊髓运动神经元支配；而节律性来源于呼吸中枢的自动节律性活动。中枢神经系统中产生和调节呼吸运动的神经细胞群称为呼吸中枢，这些神经元群广泛分布于大脑皮质、间脑、脑桥、延髓和脊髓等部位，脑的各级部位在产生和调节呼吸运动中的作用不同，正常呼吸有赖于各部位之间的相互协调、相互制约，以及对各种传入冲动的有效整合和整合后的输出。
（一）呼吸中枢的节段分布 按从下往上的顺序大体分为以下几部分。
1.脊髓 脊髓中支配呼吸肌的运动神经元位于颈段的C3～C5（支配膈肌）和胸段和腰段（支配肋间肌和腹肌等）脊髓前角。在延髓和脊髓间横断脊髓，呼吸将停止，故节律性呼吸运动不是脊髓产生的。脊髓为联系高位呼吸中枢和呼吸肌的中继站，以及整合某些呼吸反射的初级中枢。
2.低位脑干与不同呼吸中枢的分布 低位脑干一般指脑桥和延髓。横切脑干的实验表明，基本呼吸节律产生于低位脑干，呼吸运动形式随脑干横断面变化。在动物中脑和脑桥之间横切，呼吸节律无明显变化；在延髓和脊髓之间横切，呼吸停止，说明呼吸节律产生于低位脑干，高位脑（中位及更高位置）对节律性呼吸的产生并非必需。在脑桥上、中部之间横切，呼吸将变慢、变深；再切断双侧迷走神经，吸气便显著延长，仅偶尔出现短暂的呼气中断，称为长吸式呼吸。该结果显示脑桥中、上部有抑制吸气的中枢结构，称为呼吸调整中枢；来自肺部迷走神经的传入冲动也有抑制吸气的作用，当延髓失去这两个方面的抑制后，吸气活动不能被及时中断，将出现长吸式呼吸。若在脑桥和延髓之间横切，不论迷走神经是否完整，长吸式呼吸消失，表现为喘息样呼吸，呼吸不规则，这表明脑桥中、下部有活化吸气的长吸中枢。延髓能单独产生节律呼吸。研究结果的积累在20世纪二三十年代形成了三级呼吸中枢理论，即脑桥上部呼吸调整中枢、脑桥中下部长吸中枢、延髓呼吸节律基本中枢。后来的研究证实了早期关于延髓呼吸节律基本中枢和脑桥上部呼吸调整中枢的结论，但未能证实脑桥中部存在结构上明确的长吸中枢。
3.呼吸神经元的分布及其作用 中枢神经系统内有的神经元呈节律性放电，并和呼吸周期直接相关，称为呼吸相关神经元或呼吸神经元。
呼吸神经元有三种基本类型：吸气神经元、呼气神经元和跨时相神经元。在延髓中，这些呼吸神经元分布广泛，互相掺杂，但相对集中，主要位于延髓背侧（孤束核的腹外侧部）和腹侧（疑核、后疑核和面神经后核附近的前包钦格复合体）的两组神经核团，分别称为背侧呼吸组（DRG）和腹侧呼吸组（VRG）。DRG 神经元轴突主要交叉至对侧，下行至脊髓颈段，支配膈运动神经元；后疑核呼吸神经元轴突也绝大部分交叉到对侧下行，支配脊髓肋间内、外肌和腹肌的运动神经元，部分纤维也发出侧支支配膈肌的运动神经元；疑核呼吸神经元的轴突由同侧舌咽神经和迷走神经传出，支配咽喉部的辅助呼吸肌。前包钦格复合体主要含呼气神经元，其轴突主要与DRG 的吸气神经元形成抑制性突触联系；也有轴突支配脊髓的膈运动神经元。
产生呼吸节律的神经结构相当广泛，不容易因局灶损害而丧失呼吸节律；至于所谓吸气中枢、呼气中枢在结构上则更难划分；但总体而言，在脊髓头段和中段VRG 之间，相当于疑核头端平面存在的一个含各类呼吸性中间神经元的过渡区，称为前包钦格复合体，含有呼气神经元、吸气神经元和跨时相神经元，目前认为是呼吸节律起源的关键部位；而脑桥呼吸组（PRG）包括臂旁内侧核等结构，还存在较多呼气神经元，是呼吸调整中枢的所在部位。
4.高位脑 呼吸还受脑桥以上部位中枢神经系统的影响，如大脑皮质、边缘系统、下丘脑等。大脑皮质可以随意控制呼吸，如说话、唱歌、吞咽等动作，在一定限度内可以随意屏气或加深、加快呼吸，称为行为性呼吸调节；其与自主性呼吸调节系统的下行通路是分开的，但两者之间密切协调，从而有效调节呼吸运动形式。临床上有时可以观察到自主性呼吸和行为性呼吸的分离现象，例如在脊髓前外侧下行的自主呼吸通路受损后，自主节律呼吸严重受损甚至停止，但患者仍可随意呼吸，患者依靠随意呼吸或人工通气可有效维持肺通气；若撤离人工通气，患者入睡后将发生呼吸停止。
（二）呼吸节律的形成假说 基本呼吸节律呈节律性、周期性变化，产生于延髓，但机制尚未完全阐明。一般认为，呼吸基本节律来自延髓的中枢形式发生器（central pattern generator，CPG），即呼吸神经网络，后者由不同的呼吸神经元组成，吸气和呼气神经元之间依次有序的活动构成了呼吸节律。短轴突中间神经元在某些局部形成神经元回路联系，从而对神经元的兴奋活动产生正反馈或负反馈作用，正反馈可募集更多神经元兴奋，延长兴奋时间或加强兴奋活动；负反馈则限制活动强度、时间或终止其活动。平静呼吸时，吸气是主动的，呼气是被动的，故更多研究吸气如何发生及如何转换呼气。也有学者认为，在呼吸中枢内存在起搏神经元，其自律性活动触发了其他呼吸神经元的活动，形成呼吸节律。简述如下。(https://www.daowen.com)
1.起搏器结构-前包钦格复合体 早期研究证明，在软体和甲壳类低等动物，如寄居蟹和龙虾，存在产生呼吸节律的起搏神经元。长期以来，在哺乳动物，由于对呼吸神经元难以进行孤立研究，并排除各种体液和突触传入的影响，因此无法准期判断有无起搏神经元的存在；直至应用脑干-脊髓标本后才取得重大研究进展。对新生大鼠的脑干-脊髓简化标本的研究显示，延髓以上的结构和DRG 对维持节律活动并非必要。将标本缩减到700μm 以下而仅保留前包钦格复合体时，节律活动依然存在，即使加用低钙或高镁溶液灌流阻断化学突触传递也不影响节律产生；但用细胞外高钾扰乱神经元兴奋性时，节律活动会终止。前包钦格复合体包含6种基本放电类型的呼吸神经元，但绝大部分是中间神经元，据此Smith等指出延髓前包钦格复合体具有呼吸起搏器特征，是节律发生的核心部位。
2.网络模式 在离体标本中，孤立的网络在没有突触抑制的情况下，呼吸神经元也能产生节律性活动，但在整体的神经网络中，稳定的周期性呼吸放电通过呼吸神经元的内源、外源兴奋驱动，以及神经元之间的抑制性连接等共同作用而产生。网络模式的要点包括：①使呼吸神经元去极化必须有一个兴奋性突触网络；②基于呼吸神经元细胞膜的特性，网络本身具有特殊的切断机制，该机制在适当时候启动以终止神经元活动，抑制性突触活动与生俱来，在呼吸网络中广泛存在，是形成和稳定呼吸节律的神经生理学基础；③在网络中，突触反馈作用于呼吸神经元的精细调节，具有有效的动力性能。
网络模式的核心是吸气切断机制（inspiratory off-switch mechanism）。该假说认为在延髓有吸气活动发生器，触发吸气神经元呈斜坡样渐增性放电，产生吸气；而吸气切断机制则使吸气达一定程度后中断，发生呼气。在中枢吸气活动发生器的作用下吸气神经元兴奋，传导至下述部位，产生一系列效应：①膈肌运动神经元和脊髓吸气肌运动神经元兴奋，引起吸气动作，肺扩张；②脑桥臂旁内侧核兴奋，加强其活动；③吸气切断机制兴奋，呼气发生，肺回缩。
吸气切断机制神经元接受来自吸气神经元、脑桥臂旁内侧核、肺牵张感受器等的冲动，随着吸气活动进行，来自这3个方面的冲动均逐渐增强，三者总和达到一定阈值时吸气切断机制神经元兴奋，发出冲动到中枢吸气活动发生器，以负反馈形式终止其活动，吸气停止而转为呼气。切断迷走神经或损毁脑桥臂旁内侧核，冲动达到阈值所需的时间延长，吸气时间也相应延长，呼吸变慢，因此影响中枢吸气活动发生器、冲动阈值和（或）达阈值所需时间的因素都可影响呼吸的时程和节律。
网络学说是20世纪70年代初由Cohen提出的脑干呼吸神经元连接模式发展而来，比较公认的网络模式由德国生理学家Richter等提出（图10-3）。该模式综合了脑干内呼吸神经元的突触电位、放电类型和呼吸三相位活动的成果，认为早期吸气神经元和吸气后神经元的抑制性功能是形成呼吸节律的关键。早期吸气神经元和吸气后神经元都是延髓的中间神经元，两者交互抑制构成一个基本的振荡网络。这两类神经元与其他类型的吸气和呼气神经元之间都有抑制性突触联系；并且兴奋阈值较低，容易被外源性驱动激活。在吸气后期，当早期吸气神经元活动衰减时，吸气后神经元的抑制被解除，在第一呼气相快速放电，既能防止吸气再触发，也能使增强型呼气神经元的活动延迟到第二呼气相；当吸气后神经元和呼气神经元的抑制性传入冲动减弱时，早期吸气神经元又开始反应性去极化，引起下一次吸气。在吸气相，增强型吸气神经元通过反馈性兴奋环路引起后期吸气神经元兴奋；而时相转换则通过突触抑制引起吸呼气时相活动的快速终止而完成。
图10-3 呼吸节律形成的网络学说模式图
不同类型的呼吸神经元通过网络中的抑制性突触联系，使其活动的时程得到精确控制；如果抑制性突触联系被减弱，呼吸节律则会紊乱。在振荡网络中，呼气神经元有助于调节呼吸节律。