神经反射性调节
与一般反射相似,呼吸的神经反射性调节也包括5个基本环节:感受器、传入神经、呼吸中枢、传出神经、效应器;但呼吸反射种类繁多,相互之间、与中枢调节、化学性调节之间相互影响,使呼吸运动能有效满足不同情况的需要。
(一)基本评价 一般情况下,呼吸的中枢性调节和化学性(PaO2、PaCO2、H+)调节发挥核心作用,从而维持正常呼吸过程。正常情况下,神经反射性调节的作用有限,如心肺联合移植后肺内呼吸感受器的相应传入神经被破坏,仍能维持正常呼吸运动;但神经反射性调节使呼吸更完善,能有效适应更多情况;在疾病状态下可能发挥更重要作用。
呼吸神经反射的感受器位于机体的多个部位,大体分为肺内和肺外,肺内感受器发挥更重要作用。
感受器接受的各种信息经传入神经传至呼吸中枢,呼吸中枢综合并调整各种信息后发出冲动,经传出神经刺激效应器官完成呼吸运动。呼吸的效应器官众多,可以是吸气肌或呼气肌(影响肺通气),也可以是上气道和声带骨骼肌或气管-支气管平滑肌(影响气道阻力)、肺血管平滑肌(影响肺血流)、呼吸道腺体(影响气道分泌)。而效应器官的活性增强后,又通过负反馈抑制呼吸中枢冲动发放;反之亦然,从而保障适当的通气反应,避免了过强或过弱的通气反应。感受器有中枢和外周之分,包括化学性和机械性受体。呼吸运动的反射性调节非常复杂,本节仅论述几种常见情况。
(二)呼吸器官感受器的分类 气道和肺内有丰富的神经末梢,其传入纤维主要位于迷走神经。交感传入纤维分布稀疏,受刺激后产生的反应微弱,功能不详,故仅讨论迷走神经的传入纤维。依据不同标准可对感受器及其传入纤维进行如下分类。
1.解剖学分类 大体可分为鼻、咽和喉部感受器,大、中、小气道内感受器,肺毛细血管旁感受器等。
2.组织形态学分类 传入纤维可分成有髓鞘和无髓鞘纤维,前者直径大,后者直径小。
3.感受性质分类 感受器可分为化学性和机械性两大类。化学性刺激包括来自体外的化学物质、体内产生的化学物质(主要是氧、H+和CO2);机械性刺激包括压力、容积、流量等。
4.生理学分类 根据动作电位特点,传入神经纤维可分成A 纤维(有髓鞘)和C 纤维(无髓鞘)。肺的传入纤维中,有髓鞘的A 纤维传导快,常支配机械性感受器,能感受有节律性的快信号,如气道内压变化;无髓鞘的C纤维传导慢,常支配化学性感受器,能感受持续、缓慢的刺激信号,如化学递质的浓度。
5.刺激适应的快慢分类 对于机械性感受器,根据其对刺激适应的快慢可分为快适应感受器(rapidly adapting receptor,RAR)和慢适应感受器(slowly adapting receptor,SAR)。当感受器持续接受恒量刺激时,其反应强度随时间延长而减弱,该过程称为适应。恒量刺激时冲动迅速减少者称为RAR,冲动减少不多或减少极为缓慢者称为SAR。
目前公认的肺部感受器有三种:SAR、RAR、C纤维(C fiber)支配的感受器。还有一些功能不清、传入纤维未经明确鉴定的感受器。
(三)反射性调节 气道、肺泡壁和肺血管以及呼吸机等均含有各种类型的感受器,能感受局部机械性和化学性的变化。感受器兴奋可引起各种反射,包括保护性反射(如喷嚏反射、咳嗽反射,不赘述)和呼吸调节性反射。
1.气道-肺实质感受器的反射调节
(1)SAR(https://www.daowen.com)
1)概况:SAR位于气道平滑肌内,为机械性感受器,有髓鞘A纤维支配,传导速度为15~70 m/s。SAR的传入冲动随呼吸运动呈周期性变化。肺扩张时,气道管壁受到牵拉,SAR兴奋;冲动频率随跨肺压增加而增高,且对刺激的适应很慢。因为肺牵张是慢适应感受器的适宜刺激,故也称为肺牵张感受器。肺扩张或缩小引起呼吸频率和幅度的反射性变化称为肺牵张反射,前者称为肺扩张反射,其结果是使吸气受到限制,生理意义在于协助中止吸气,使吸气不致过深、过长;后者称为肺缩反射,平静呼吸时意义不大,但对阻止呼气过深和肺不张有一定作用。
2)具体过程:当吸气肺扩张时气道随之扩张,SAR受刺激而兴奋,其冲动沿迷走神经纤维传入延髓与脑桥的呼吸中枢,抑制吸气神经元活性,使吸气终止转为呼气,吸气时间缩短;在呼气早期,受体还具有相当的活性,使呼气时间延长,直到肺容积降至一定程度时其活性才完全消失;同时伴有气道扩张、心率加快和血管收缩。
3)作用特点:肺牵张反射具有明显的种属差异。在麻醉状态下,反射效应以兔和大鼠最强,猫、犬次之,人最弱。在麻醉状态下,记录人迷走神经电位发现,平静呼吸时牵张感受器的传入冲动并不亚于其他动物,但在正常VT范围中,肺充气引起的牵张反射效应很弱,只有当VT>1 000 mL时才出现明显的反射效应。这说明人呼吸中枢对SAR传入信号的阈值很高。
4)临床意义:当肺顺应性降低如弥漫性肺间质疾病,吸气时肺牵张受体受到强烈刺激,故呼吸变快、变浅;当气道阻力增高如COPD时,该受体受到抑制,使吸气时间延长,呼吸变深、变慢(本体反射发挥更重要的作用,见下述),以上的呼吸形式均有利于降低呼吸功,是机体对疾病的一种适应或代偿方式。
(2)RAR:位于气道上皮及平滑肌内,为有髓鞘的A纤维支配,为机械性感受器,但亦对多种化学物质敏感,故也称为化学敏感性感受器。RAR的传导速度为12~50 m/s。RAR 在隆突区域最密集,刺激该处常引起咳嗽反射,因而该处的RAR又被称为咳嗽感受器。因RAR在刺激性的物理与化学因素(如尘埃颗粒、刺激性气体、组胺等)作用下发生兴奋,又称作刺激性感受器(irritant receptor)。平静呼吸时,RAR 发放冲动的频率低且不规则,并多见于肺充气时相。与SAR不同,RAR的最适刺激是肺顺应性降低,而不是跨肺压升高,即不是牵张。从肺部抽气时RAR发放冲动增加。刺激RAR可引起深吸气和气道内腺体分泌。严格讲,RAR涉及多种反射。
(3)C纤维支配的感受器:位于肺泡壁与支气管壁,其支配的感受器为化学敏感性感受器,位于肺泡壁感受器邻近毛细血管,故取名为肺毛细血管旁感受器(J感受器)。C纤维实质为迷走神经的无髓鞘纤维,传导速度为0.5~2.3 m/s。平静呼吸时,尽管C纤维对多种外来刺激及体内产生的化学物质敏感,但冲动少而无规律。按血供来源可将C纤维分为肺C纤维和支气管C纤维。由于药物进入肺循环能刺激肺C纤维,故认为其感受器位于肺毛细血管旁。肺充血或肺水肿时,肺C 纤维的冲动增加,因此其可能感受肺毛细血管旁的静水压。向右心房注入辣椒素(capsaicin),能刺激C纤维,引起一系列反射效应,表现为呼吸暂停,继而变浅、变快,并伴有心动过缓和血压下降。除此之外,C纤维兴奋还能增加气道分泌物增加、平滑肌收缩,降低骨骼肌张力等。
由于肺部病变时释放的多种介质,如缓激肽、组胺、前列腺素、神经肽等,能刺激C纤维产生反射活动,故认为C纤维与肺部的病理生理改变有关。C纤维还可能与呼吸困难的感觉有关。实验研究还显示,C纤维神经末梢含有多种神经介质,受刺激后释放;有些C纤维末梢受刺激后,其冲动到达轴突后能逆向扩散至其他外周分支,引起局部反射,即轴突反射。轴突反射还可能在肺部病变中起重要作用,如肺部病变可释放介质,刺激C纤维而引起轴突反射,导致神经末梢进一步释放介质和进一步刺激C纤维。如此正反馈,放大刺激信号,加强反射作用,同时亦可加速病理过程。
(4)其他肺部感受器和传入纤维:肺内还有许多不能归属上述类别的感受器和相应的传入纤维,而许多病理生理变化也不能用上述反射解释或完全解释。如重症肺炎、肺水肿、ARDS等急性肺实质疾病患者常有过度通气和PaCO2下降。绝大部分教材或专著皆认为是低氧血症所致,但事实上在纠正低氧血症后,过度通气仍持续存在,除与上述反射活动有关外,还可能有其他机制参与。采用局部刺激法,向肺实质直接注入刺激性物质,证明存在迷走传入纤维,兴奋时能够刺激呼吸活动,表现为膈神经冲动的频率、幅度及其上升支的斜率均增加,称为兴奋性肺反射;切除迷走神经后兴奋性肺反射消失。向肺内注入炎性介质,如缓激肽等亦能引起兴奋性肺反射。在产生兴奋性肺反射时,呼吸周期中吸气相所占比例增加,呼气相所占比例减小。
2.呼吸肌本体感受器反射 呼吸肌中的肌梭是本体感受器,接受肌纤维的牵拉刺激,反射性地引起呼吸运动增强。
(1)呼吸肌本体感受器的分布:人膈肌缺乏本体感受器,但存在于肋间肌,其数量依次为肋间外肌外侧部>肋间内肌肋间部>肋间内肌胸骨部;上部肋间肌>下部肋间肌。
(2)本体感受器的作用:肌梭是肌肉的牵张感受器,梭内肌纤维与普通肌纤维分别由脊髓前角的γ和α运动神经元支配。肌肉被动拉长时肌梭感受器受到牵拉而兴奋,Ⅰa传入冲动通过脊髓背根到达前角与α运动神经元形成单突触联系,引起肌肉收缩;γ运动神经元纤维传出冲动可引起梭内肌纤维收缩,牵拉肌梭感受器,再通过Ⅰa传入而兴奋α运动神经元使肌肉收缩。一般认为,来自呼吸中枢的下行信号同时到达脊髓的α和γ运动神经元,但到达α运动神经元的信号不足以引起肌肉收缩,需要γ运动神经元的易化。吸气阻力在一定范围内增加时,通过肺通气增加仍能满足机体需求,这与呼吸肌中的肌梭发动的反射有关。
(3)临床意义:支气管哮喘急性发作、COPD急性加重导致气道阻力增大、内源性PEEP(PEEPi)形成,呼吸肌负荷明显增加,本体感受器兴奋,传入冲动随之增加,呼吸运动增强(深慢呼吸),通气量增大或不下降;PaCO2不升高或下降。其他气道阻塞性肺疾病也可能发生类似变化。
3.其他系统传入冲动的调节作用 主要包括心血管系统和运动系统。呼吸与循环系统关系密切,在反射过程中两者亦常常相互影响。运动时通过呼吸加强可有效地保障机体氧供,运动系统中的肌肉、肌腱和关节等存在传入神经,受刺激后其传入信息能影响呼吸运动。其他各系统对呼吸运动也有一定影响,不赘述。