Основная функция дыхательной системы заключается в обеспечении газообмена кислорода и углекислого газа между окружающей средой и организмом в соответствии с его метаболическими потребностями. В целом эту функцию регулирует сеть многочисленных нейронов ЦНС, которые связаны с дыхательным центром продолговатого мозга.
Под дыхательным центром понимают совокупность нейронов, расположенных в разных отделах ЦНС, обеспечивающих координированную деятельность мышц и приспособление дыхания к условиям внешней и внутренней среды. В 1825 г. П. Флуранс выделил в ЦНС «жизненный узел», Н.А. Миславский (1885) открыл инспираторную и экспираторную части, а позже Ф.В. Овсянниковым был описан дыхательный центр.
Дыхательный центр представляет собой парное образование, состоящее из центра вдоха (инспираторного) и центра выдоха (экспираторного). Каждый центр регулирует дыхание одноименной стороны: при разрушении дыхательного центра с одной стороны наступает прекращение дыхательных движений с этой стороны.
Нейроны верхнего отдела моста, регулирующие акт дыхания, были названы пневмотаксическим центром. На рис. 6.6" показано расположение нейроновдыхательного центра в различных отделах ЦНС. Центр вдоха обладает автоматизмом и находится в тонусе. Центр выдоха регулируется из центра вдоха через пневмотаксичес- кий центр.
Рис. 6.6.
ПН - пневмотаксический центр; ИНСП - инспираторный; ЭКСП - экспираторный. Центры являются двусторонними, но для упрощения схемы на каждой из сторон изображен только один. Перерезка по линии 1 не отражается на дыхании, по линии 2 отделяется пневмотаксический центр, ниже линии 3 наступает остановка дыхания
В структурах моста тоже различают два дыхательных центра. Один из них - пневмотаксический - способствует смене вдоха на выдох (за счет переключения возбуждения из центра вдоха на центр выдоха);
второй центр осуществляет тоническое влияние на дыхательный центр продолговатого мозга.
Экспираторный и инспираторный центры находятся в реципрок- ных отношениях. Под влиянием спонтанной активности нейронов инспираторного центра возникает акт вдоха, во время которого при растяжении легких возбуждаются механорецепторы. Импульсы от механорецепторов по афферентным нейронам возбуждающего нерва поступают в дыхательный центр и вызывают возбуждение экспираторного и торможение инспираторного центра. Это обеспечивает смену вдоха на выдох.
В смене вдоха на выдох существенное значение имеет пневмотак- сический центр, который свое влияние осуществляет через нейроны экспираторного центра (рис. 6.7).
Рис. 6.7.
- 1 - инспираторный центр; 2 - пневмотаксический центр; 3 - экспираторный центр;
- 4 - механорецепторы легкого
В момент возбуждения инспираторного центра продолговатого мозга одновременно возникает возбуждение в инспираторном отделе пневмотаксического центра. От последнего по отросткам его нейронов импульсы приходят к экспираторному центру продолговатого мозга, вызывая его возбуждение и по индукции - торможение инс- пираторного центра, что приводит к смене вдоха на выдох.
Таким образом, регуляция дыхания (рис. 6.8) осуществляется благодаря согласованной деятельности всех отделов ЦНС, объединенных понятием дыхательного центра. На степень активности и взаимодействие отделов дыхательного центра влияют различные гуморальные и рефлекторные факторы.
Автомашин дыхательного центра. Способность дыхательного центра к автоматии впервые обнаружена И.М. Сеченовым (1882) в опытах на лягушках в условиях полной деафферентации животных. В этих экспериментах, несмотря на то что афферентные импульсы не поступали в ЦНС, регистрировались колебания потенциалов в дыхательном центре продолговатого мозга.
Об автоматии дыхательного центра свидетельствует опыт Гей- манса с изолированной головой собаки. Ее мозг был перерезан на уровне моста и лишен различных афферентных влияний (были перерезаны языкоглоточный, язычный и тройничный нервы). В этих условиях к дыхательному центру не поступали импульсы не только от легких и дыхательных мышц (вследствие предварительного отделения головы), но и от верхних дыхательных путей (вследствие перерезки названных нервов). Тем не менее у животного сохранились ритмические движения гортани. Этот факт можно объяснить только наличием ритмической активности нейронов дыхательного центра.
Автоматия дыхательного центра поддерживается и изменяется под влиянием импульсов от дыхательных мышц, сосудистых рефлексогенных зон, различных интеро- и экстерорецепторов, а также под влиянием многих гуморальных факторов (pH крови, содержание углекислого газа и кислорода в крови и др).
Влияние углекислого газа на состояние дыхательного центра. Влияние углекислого газа на активность дыхательного центра особенно ярко демонстрируется в опыте Фредерика с перекрестным кровообращением. У двух собак перерезают сонные артерии и яремные вены и соединяют перекрестно: периферический конец сонной артерии соединяют с центральным концом этого же сосуда второй собаки. Так же перекрестно соединяют и яремные вены: центральный конец яремной вены первой собаки соединяется с периферическим концом яремной вены второй собаки. В результате кровь от туловища первой собаки поступает к голове второй собаки, а кровь от туловища второй собаки - к голове первой собаки. Все другие сосуды перевязывают.
После такой операции у первой собаки производили зажатие трахеи (удушение). Это приводило к тому, что через некоторое время наблюдались увеличение глубины и частоты дыхания у второй собаки
(гиперпноэ), тогда как у первой собаки наступала остановка дыхания (апноэ). Объясняется это тем, что у первой собаки в результате зажатия трахеи не осуществлялся обмен газов, а в крови увеличивалось содержание углекислого газа (наступала гиперкапния) и уменьшалось содержание кислорода. Эта кровь поступала к голове второй собаки и оказывала влияние на клетки дыхательного центра, следствием чего явилось гиперпноэ. Но в процессе усиленной вентиляции легких в крови второй собаки уменьшалось содержание углекислого газа (гипокапния) и увеличивалось содержание кислорода. Кровь с уменьшенным содержанием углекислого газа поступала к клеткам дыхательного центра первой собаки, и раздражение последнего уменьшалось, что приводило к апноэ.
Таким образом, увеличение содержания углекислого газа в крови приводит к увеличению глубины и частоты дыхания, а уменьшение содержания углекислого газа и увеличение кислорода - к его уменьшению вплоть до остановки дыхания. В тех наблюдениях, когда первой собаке давали дышать различными газовыми смесями, наибольшее изменение дыхания наблюдалось при увеличении содержания углекислого газа в крови.
Зависимость деятельности дыхательного центра от газового состава крови. Деятельность дыхательного центра, определяющая частоту и глубину дыхания, зависит прежде всего от напряжения газов, растворенных в крови, и концентрации в ней водородных ионов. Ведущее значение в определении величины вентиляции легких имеет напряжение углекислого газа в артериальной крови: оно как бы создает запрос на нужную величину вентиляции альвеол.
Для обозначения повышенного, нормального и сниженного напряжения углекислого газа в крови используют термины «гиперкапния», «нормокапния» и «гипокапния» соответственно. Нормальное содержание кислорода называется нормоксией, недостаток кислорода в организме и тканях - гипоксией , в крови - гипоксемией. Увеличение напряжения кислорода есть гиперксия. Состояние, при котором гиперкапния и гипоксия существуют одновременно, называется асфиксией.
Нормальное дыхание в состоянии покоя называется эйпноэ. Гиперкапния, а также снижение величины pH крови (ацидоз) сопровождаются непроизвольным увеличением вентиляции легких - гиперпноэ , направленным на выведение из организма избытка углекислого газа. Вентиляция легких возрастает преимущественно за счет глубины дыхания (увеличения дыхательного объема), но при этом возрастает и частота дыхания.
Гипокапния и повышение уровня pH крови ведут к уменьшению вентиляции, а затем и к остановке дыхания - апноэ.
Развитие гипоксии вначале вызывает умеренное гиперпноэ (в основном в результате возрастания частоты дыхания), которое при увеличении степени гипоксии сменяется ослаблением дыхания и его остановкой. Апноэ вследствие гипоксии смертельно опасно. Его причиной является ослабление окислительных процессов в мозге, в том числе в нейронах дыхательного центра. Гипоксическому апноэ предшествует потеря сознания.
Гиперкапнию можно вызвать вдыханием газовых смесей с повышенным до 6% содержанием углекислого газа. Деятельность дыхательного центра человека находится под произвольным контролем. Произвольная задержка дыхания на 30-60 с вызывает асфиксические изменения газового состава крови, после прекращения задержки наблюдается гиперпноэ. Гипокапнию легко вызывать произвольным усилением дыхания, а также избыточной искусственной вентиляцией легких (гипервентиляция). У бодрствующего человека даже после значительной гипервентиляции остановки дыхания обычно не возникает вследствие контроля дыхания передними отделами мозга. Гипокапния компенсируется постепенно, в течение нескольких минут.
Гипоксия наблюдается при подъеме на высоту вследствие снижения атмосферного давления, при крайне тяжелой физической работе, а также при нарушении дыхания, кровообращения и состава крови.
Во время сильной асфиксии дыхание становится максимально глубоким, в нем принимают участие вспомогательные дыхательные мышцы, возникает неприятное ощущение удушья. Такое дыхание называют диспноэ.
В целом поддержание нормального газового состава крови основано на принципе отрицательной обратной связи. Так, гиперкапния вызывает усиление активности дыхательного центра и увеличение вентиляции легких, а гипокапния - ослабление деятельности дыхательного центра и уменьшение вентиляции.
Рефлекторные влияния на дыхание с сосудистых рефлексогенных зон. Дыхание особенно быстро реагирует на различные раздражения. Оно быстро изменяется под влиянием импульсов, приходящих с экс- теро- и интерорецепторов к клеткам дыхательного центра.
Раздражителем рецепторов могут быть химические, механические, температурные и другие воздействия. Наиболее ярко выраженным механизмом саморегуляции является изменение дыхания под влиянием химического и механического раздражения сосудистых рефлексогенных зон, механического раздражения рецепторов легких и дыхательных мышц.
Синокаротидная сосудистая рефлексогенная зона содержит рецепторы, чувствительные к содержанию углекислого газа, кислорода и водородных ионов в крови. Это отчетливо показано в опытах Гейманса с изолированным каротидным синусом, который отделяли от сонной артерии и снабжали кровью от другого животного. С ЦНС каротидный синус был соединен только нервным путем - сохранился нерв Геринга. При повышении содержания углекислого газа в крови, омывающей каротидное тельце, возникает возбуждение хеморецепторов этой зоны, вследствие чего увеличивается количество импульсов, идущих к дыхательному центру (к центру вдоха), и наступает рефлекторное увеличение глубины дыхания.
Рис. 6.8.
К - кора; Гт-гипоталамус; Пвц - пневмотаксический центр; Апц - центр дыхания (экспираторный и инспираторный); Ксин - каротидный синус; Бн - блуждающий нерв;
См - спинной мозг; С 3 -С 5 - шейные сегменты спинного мозга; Дфн - диафрагмальный нерв; ЭМ - экспираторные мышцы; ИМ - инспираторные мышцы; Мнр - межреберные нервы; Л - легкие; Дф - диафрагма; 77), - 77) 6 - грудные сегменты спинного мозга
Увеличение глубины дыхания наступает и при воздействии углекислого газа на хеморецепторы аортальной рефлексогенной зоны.
Такие же изменения дыхания наступают при раздражении хеморецепторов названных рефлексогенных зон кровью с повышенной концентрацией водородных ионов.
В тех же случаях, когда в крови увеличивается содержание кислорода, раздражение хеморецепторов рефлексогенных зон уменынается, вследствие чего ослабевает поток импульсов к дыхательному центру и наступает рефлекторное уменьшение частоты дыхания.
Рефлекторным возбудителем дыхательного центра и фактором, влияющим на дыхание, является изменение АД в сосудистых рефлексогенных зонах. При повышении АД раздражаются механорецепторы сосудистых рефлексогенных зон, вследствие чего наступает рефлекторное угнетение дыхания. Уменьшение величины АД приводит к увеличению глубины и частоты дыхания.
Рефлекторные влияния на дыхание с механорецепторов легких и дыхательных мышц. Существенным фактором, вызывающим смену вдоха и выдоха, являются влияния с механорецепторов легких, что впервые было обнаружено Герингом и Брейером (1868). Они показали, что каждый вдох стимулирует выдох. Во время вдоха при растяжении легких раздражаются механорецепторы, расположенные в альвеолах и дыхательных мышцах. Возникшие в них импульсы по афферентным волокнам блуждающего и межреберных нервов приходят к дыхательному центру и вызывают возбуждение экспираторных и торможение инспираторных нейронов, вызывая смену вдоха на выдох. Это один из механизмов саморегуляции дыхания.
Подобно рефлексу Геринга-Брейера, осуществляются рефлекторные влияния на дыхательный центр от рецепторов диафрагмы. Во время вдоха в диафрагме при сокращении ее мышечных волокон раздражаются окончания нервных волокон, возникающие в них импульсы поступают в дыхательный центр и вызывают прекращение вдоха и возникновение выдоха. Этот механизм имеет особенно большое значение при усиленном дыхании.
Рефлекторные влияния на дыхание с различных рецепторов организма. Рассмотренные рефлекторные влияния на дыхание относятся к постоянно действующим. Но существуют различные кратковременные воздействия почти со всех рецепторов нашего организма, которые влияют на дыхание.
Так, при действии механических и температурных раздражителей на экстерорецепторы кожи наступает задержка дыхания. При действии холодной или горячей воды на большую поверхность кожи возникает остановка дыхания на вдохе. Болевое раздражение кожи вызывает резкий вдох (вскрикивание) с одновременным закрытием голосовой щели.
Некоторые изменения акта дыхания, возникающие при раздражении слизистых оболочек дыхательных путей, получили название защитных дыхательных рефлексов: кашель, чихание, задержка дыхания, наступающая при действии резких запахов, и др.
Роль коры больших полушарий головного мозга в регуляции дыхания.
Дыхание - одна из вегетативных функций, которая имеет произвольную регуляцию. Каждый человек может произвольно изменить ритм и глубину дыхания, задержать его на определенное время (от 20-60 до 240 с). Возможность произвольного изменения дыхания свидетельствует о регулирующем влиянии коры больших полушарий на данную функцию (рис. 6.9 ).
Рис. 6.9.
Яркие доказательства корковой регуляции дыхания получены методом условных рефлексов. Условный дыхательный рефлекс можно выработать на действие любого внешнего раздражителя, если сочетать его с каким-нибудь безусловным дыхательным рефлексом.
Г.П. Конради и З.П. Бабешкина в качестве безусловного раздражителя использовали вдыхание газовой смеси с повышенным содержанием углекислого газа (при этом возрастает легочная вентиляция). Вдыханию смеси предшествовал звук метронома на 5-10 с. После
10-15 сочетаний вдыхания смеси и звука метронома один звук метронома (без вдыхания смеси) вызывал увеличение легочной вентиляции.
Предстартовое изменение дыхания у спортсменов также является показателем его условно-рефлекторной регуляции. Ее значение в данном случае заключается в приспособлении организма к повышенной физической нагрузке, требующей увеличения газообмена. Предстартовое изменение (увеличение) глубины и частоты дыхания (одновременно с изменением деятельности сердечно-сосудистой системы) обеспечивает более быструю доставку кислорода к работающим мышцам и удаление из крови углекислого газа.
Регуляция дыхания сформировалась у человека в процессе эволюции в связи с формированием речи. Произношение осуществляется на выдохе, поэтому для осуществления речи необходимо менять глубину и ритм дыхания, благодаря чему можно достигать декламации, пения и т.д.
Вопросы и задания
- 1. Перечислите легочные объемы и емкости. В чем разница? Ответ поясните.
- 2. Какова роль больших полушарий головного мозга в регуляции дыхания?
- 3. Один человек утверждает, что легкие расширяются и потому в них входит воздух, а другой - что воздух входит в легкие и поэтому они расширяются. Кто прав?
- 4. На собаках проведены эксперименты: 1) перерезка между шейным и грудным отделами спинного мозга; 2) перерезка между продолговатым и спинным мозгом. Какие изменения дыхания будут наблюдаться в данных экспериментах?
- 5. Хорошие пловцы, перед тем как нырнуть, в течение нескольких секунд форсированно дышат. Для чего они так делают? Каков механизм изменения дыхания в этом случае?
- 6. Существуют экспериментальные установки, позволяющие животным (кошка, собака, крыса) «дышать водой», насыщенной кислородом. Установка полностью удовлетворяет потребность животного в кислороде. Почему все же животные через некоторое время умирают, а человек вообще не может «дышать водой»? Объясните это, используя закон Бернулли о разности давлений и вязкости среды, а также данные о растворимости газов в водной и воздушной среде.
- 7. Может ли опыт Фредерика с перекрестным кровообращением у двух собак считаться безупречным для доказательства гуморальных механизмов влияния избытка С0 2 или недостатка 0 2 в крови на дыхательный центр? Поясните.
- См.: Леонтьева Н.Н, Маринова К.В. Указ. соч.
- См.: Резанова, Е.Л., Антонова, И.П., Резанов, А.А. Указ. соч.
Дыхательный центр представляет собой парное скопление нейронов (клеток) головного мозга, объединенных общей функцией. За счет его работы дыхательные мышцы сокращаются и расслабляются в определенной последовательности, а сам процесс дыхания подстраивается под окружающую среду и состояние организма.
Данная анатомическая структура находится в мосте и продолговатом мозге. Помимо этого анатомического отдела, здесь же располагаются и такие важные центры, как жевания, глотания, слюноотделения и другие. Повреждение продолговатого мозга человека чаще всего приводит к смерти от паралича дыхательных мышц, разобщения процесса дыхания, и, как следствие, нарастания дыхательной недостаточности.
В дыхательном центре существуют несколько значимых отделов. Инспираторный отдел отвечает за регуляцию вдоха, экспираторный — выдоха. Повреждение какого-либо одного отдела блокирует эту функцию на той стороне, где находится очаг поражения. Экспираторный отдел располагается в вентральном ядре продолговатого мозга, в то время как инспираторный — в дорсальном ядре. Процесс координации вдохов и выдохов контролируется пневмотаксическим центром, который находится в области варолиева моста. Данный отдел обладает функцией автоматизма, то есть, самостоятельно генерирует нервный импульс. Возбуждение этого центра осуществляется вдохом, за которым должен следовать своевременный выдох. В мосте располагается также отдел, регулирующий тонус дыхательного центра.
Работа дыхательного центра
Функция дыхательного центра контролируется совокупностью факторов. Рассмотрим их компоненты:
- Автоматизм нейронов центра, которые самостоятельно вырабатывают импульсы для совершения дыхательных движений. Этот процесс контролируется газовым составом крови, ее кислотно-щелочным состоянием, метаболическими особенностями организма и физической нагрузкой, а также условиями окружающей среды.
- Углекислый газ вызывает стимуляцию дыхательного центра. При недостатке кислорода в окружающем воздухе его поступает со вдохом мало, поэтому наступает компенсация: увеличение частоты и глубины дыхания.
- Газовый состав крови напрямую влияет на работу дыхательного центра. При недостатке кислорода (гипоксии) кислотно-основное состояние крови смещается в сторону кислого (ацидоз). Ткани не справляются со своими функциональными обязанностями, так как для их деятельности не хватает кислорода. В связи с этим увеличивается частота дыхания, но оно поверхностное, т.е. недостаточно эффективное.
- В организме человека существует несколько рефлексогенных зон, стимуляция которых изменяет ритм дыхания. Резкое раздражение рецепторов тепла или холода кожи может привести к рефлекторной остановке дыхания. При чихании, глотании дыхательная деятельность кратковременно останавливается. Сосудистая синокаротидная зона, как и дыхательный центр, чувствительна к изменению газового состава среды.
Нормальный дыхательный цикл
Исходя из полученной информации, дыхательный цикл можно изобразить следующим образом:
Активация инспираторных нейронов за счет повышения концентрации углекислого газа — нервный импульс направляется из вентральных ядер по нервным волокнам в моторецепторы диафрагмальных и межреберных нервов — увеличение объема легких и грудной клетки — вдох — раздражение рецепторов растяжения альвеол — направление нервного импульса к экспираторному отделу дыхательного центра — раздражение отдела — выдох.
Данная схема получила название дыхательного контура. Процесс ритмичности этих циклов контролируется пневмотаксическим центром.
Нервная регуляция. В головном мозгу расположен дыхательный центр, представляющий группу взаимосвязанных нейронов. Центры вдоха и выдоха, совокупно называемые бульбарным центром, расположены в продолговатом мозгу, а пневмотоксический центр в верхней части воролиева моста среднего мозга. Пневмотоксический центр регулирует работу инспираторного (вдох) и экспираторного (выдох) центров. Нервные импульсы, возникающие в дыхательном центре продолговатого мозга, передаются к подчиненным дыхательным центрам спинного мозга.
При нормальном дыхании импульсы из центра вдоха поступают к межреберным мышцам и диафрагме, вызывая их сокращение, что приводит к увеличению объема грудной клетки и поступлению воздуха в легкие, происходит вдох. Увеличение объема легких возбуждает рецепторы растяжения, расположенные в стенках легких. Импульсы от них по центростремительным нервам поступают в центр выдоха, в результате межреберные мышцы расслабляются, объем легких уменьшается, происходит выдох.
Адаптация дыхания к изменениям условий внешней среды тесно связана с корой больших полушарий. Например, у собаки с удаленной корой больших полушарий дыхание в покое происходит нормальное, но при команде сделать даже несколько шагов у нее появляется отдышка.
Другой пример – это выработка условных рефлексов на условия газовой среды. У собаки в комнате с большим содержанием СО 2 учащается дыхание. Если это сопровождать звонком или светом, то даже не поместив собаку в условия повышенного содержания СО 2 , но сделать звонок или выключить свет, у нее появится учащенное дыхание. У скаковых и рысистых лошадей перед бегами наступает учащенное дыхание.
Гуморальная регуляция . Специфическим фактором, определяющим интенсивность дыхательных движений, является концентрация СО 2 в крови. Повышение уровня СО 2 увеличивает возбудимость дыхательного центра, в результате усиливается и учащается дыхание. Первый вдох у новорожденного связан с увеличение концентрации СО 2 в крови после отделение его от дыхания через плаценту. Эта концентрация, достигнув порогового значения, активизирует нервные структуры дыхательного центра и новорожденный начинает дышать.
Основным факторам, стимулирующим дыхательный центр, является не уменьшение О 2 в крови, а увеличение СО 2 . Это было показано в опыте с перекрестным кровообращением (опыт Фредерика). Для этого у двух наркотизированных собак перерезали и перекрестно соединяли сонные артерии и яремные вены. После этого зажимали трахею первой собаки, т.е. производили ее удушение (остановка дыхания), в результате у второй проявлялась резко выраженная отдышка. Это связано с тем, что в крови правой собаки накопилось избыточное количество СО 2 , и, когда эта кровь поступала к голове второй собаки, то стимулировалась активность дыхательных центров (рис ***). Установлено, что с повышение СО 2 в крови хеморецепторы сосудистых стенок диафрагмы раздражаются и передают импульсы в дыхательный центр.
Треть скопления ядер дыхательных нейронов находится в передней части моста мозга. Эта группа называется пневмотоксическим центром. Он, как и бульбарный центр регулирует ритмику дыхания. От дыхательных нейронов импульсы идут до ядер диафрагмальных и межреберных нервов в спинном мозге. По этим нервам импульсы идут к диафрагме и наружным межреберным мышцам.
Так нервные центры среднего мозга и мозжечка координируют дыхание в соответствии с двигательной активностью, перемещением тела в пространстве.
Существует три механизма секреции:
Мерокриновая – наиболее общий вид секреции и заключается в удалении секретируемых веществ в растворенном состоянии путем диффузии через мембрану клетки. Таким путем происходит выделение гормонов, медиаторов, пищеварительных ферментов.
Апокриновая – сопровождается отторжением апикальной плазматической мембраной вместе с секретом и некоторыми составными частями цитоплазмы, после чего секретирующая клетка восстанавливается. Этот тип свойственен анальным и малым железам, коже половых органов.
Голокриновая – при такой секреции происходит полное разрушение синтезирующей клетки и ее отторжение вместе с секретом от эпителия. Такой тип характерен для сальных желез.
Одной из жизненно-необходимых функций человеческого организма является дыхательная функция. Это физиологическое действие полностью автоматизировано и регулируется с помощью дыхательного центра. Дыхательный центр расположен в нижней части головного мозга. В спокойном состоянии не замечает своего дыхания, хотя наполнение легких воздухом (вдох), а затем освобождение их от уже отработанной воздушной среды (выдох) - процесс достаточно сложный, сопровождается ритмичными движениями межреберных мышц, а также мышц диафрагмы. Вопрос о том, где расположен дыхательный центр, долгое время был предметом дискуссий в ученой среде, поскольку дыхательная функция организма имеет несколько физиологических механизмов и может управляться как из головного, так и из спинного мозга.
Дыхание и метаболизм
Дыхание обеспечивает организму метаболический газовый обмен, в котором участвуют два химических соединения: кислород (О2) и углекислый газ (СО2). При избытке в крови ЦНС посылает импульс, активизирующий дыхание, при этом приток кислорода увеличивается. И наоборот, в случае перенасыщености организма кислородом происходит торможение дыхательной функции, число сокращений грудной клетки уменьшается, и кислород начинает поступать в кровь в минимальном количестве. Таким образом, в организме поддерживается баланс газообмена.
15 сокращений в минуту
В подчинении у ЦНС две группы нейронов, они находятся в дыхательном центре, а дыхательный центр расположен в так называемом продолговатом мозге. Обе группы нейронов выполняют одну функцию, а эта функция состоит из двух частей, вдоха и выдоха. В первую группу входят инспираторные нейроны, отвечающие за вдох, а во вторую группу - нейроны экспираторные, отвечающие за выдох. И те и другие активизируются поочередно, посылая рабочие импульсы в определенной ритмике (обычно это 15 сокращений грудной клетки в минуту), чем обеспечивается оптимальный режим газообмена в организме. Импульсы проходят через пневмотаксический центр, расположенный в под названием который находится выше продолговатого мозга. Поскольку сам дыхательный центр расположен в отделе то в организме действует сложная двухступенчатая передача импульсов.
Вдох и выдох
Возбужденные инспираторные нейроны достигают межреберной мускулатуры и заставляют ее сокращаться, при этом также начинают сокращаться Происходит вдох, который доставляет в организм очередную порцию кислорода. При вдохе легкие расширяются, в движение приходят рецепторы, расположенные в легочных долях. Они, в свою очередь, посылают импульсы в продолговатый мозг. Дыхательный центр принимает импульсы и превращает их в тормоз для инспираторных нейронов, которые теряют активность. Возбуждаться начинают экспираторные нейроны дыхательного центра. Они вызывают реакцию группы мышц, отвечающих за сокращение грудной клетки, и таким образом происходит выдох.
Эмоции и дыхание
Помимо инспираторных и экспираторных нейронов, на процесс дыхания влияют и другие факторы. Так как дыхательный центр расположен в одном из отделов головного мозга, он подвержен влиянию множества сопутствующих факторов. Дыхание может учащаться от физических нагрузок, эмоциональных переживаний, чувства страха или опасности. Активность дыхательного центра также зависит от гормонального состояния организма. Но в любом случае происходит регулирование метаболических процессов в организме человека посредством обогащения крови кислородом.
Регуляция дыхательных движений
Нервная регуляция
Дыхательный центр (центр вдоха и выдоха) находится в продолговатом отделе головного мозга. Работа Дыхательного центра зависит от болевых и температурных воздействий, а также артериального давления, лекарственных средств и других факторов.
Кора больших полушарий головного мозга позволяет произвольно задерживать, изменять ритм и глубину дыхания.
Гуморальная регуляция
При увеличении в крови концентрации углекислого газа (СО г) возбудимость дыхательного центра повышается - дыхание учащается. При уменьшении концентрации С0 2 возбудимость дыхательного центра снижается.
Внешнее дыхание - одна из важнейших функций организма. Остановка дыхания приводит верную смерть уже через 3-5 мин. Количество кислорода в организме незначительна, поэтому важно, чтобы он постоянно поступал через систему внешнего дыхания. Этим объясняется формирование в процессе эволюции такого механизма регуляции, который бы обеспечил высокую надежность дыхания. В основе регуляциГ дыхания лежит поддержка константного уровня-таких показателей организма, как Рсо8, Ро? и рН. Основным принципом регуляции е саморегуляция, при которой отклонение этих параметров от нормального уровня немедленно вызывает ряд процессов, направленных на их восстановление. В системе регуляции дыхания можно выделить внутренние и внешние звенья саморегуляции. Внутренние звенья связаны с состоянием крови (буферные свойства, содержание гемоглобина) и сердечно-сосудистой системы, внешние - с механизмами внешнего дыхания. Изменяемыми параметрами системы регуляции внешнего дыхания является глубина и частота дыхательных движений. Основным регулируемым объектом являются дыхательные мышцы, которые относятся к скелетных мышц. Кроме них, к объекту регуляции дыхания должны быть зачислены гладкие мышцы глотки, трахеи и бронхов, которые влияют на состояние дыхательных путей. Транспорт газов кровью и газообмен в тканях осуществляет сердечно-сосудистая система, о регуляции функций которой речь пойдет в соответствующих разделах. Дыхание регулируется главным образом рефлекторным путем, который включает в себя 3 элемента: 1) рецепторы, воспринимающие информацию и афферентные пути, которые передают Ее нервным центрам, 2) нервные центры, 3) эффекторы - пути передачи команд от центров и собственно исполнительные элементы.
Непроизвольную регуляцию дыхания осуществляет дыхательный центр, находящийся в продолговатом мозге (одном из отделов заднего мозга) . Вентральная (нижняя) часть дыхательного центра ответственна за стимуляцию вдоха; ее называют центром вдоха (инспнра-торным центром) . Стимуляция этого центра увеличивает частоту и глубину вдоха. Дорсальная (верхняя) часть и обе латеральные (боковые) тормозят вдох и стимулируют выдох; они носят собирательное название центра выдоха (экспираторного центра) . Дыхательный центр связан с межреберными мышцами межреберными нервами, а с диафрагмой - диафрагмальными. Бронхиальное дерево (совокупность бронхов и бронхиол) иннервируется блуждающим нервом. Ритмично повторяющиеся нервные импульсы, направляющиеся к диафрагме и межреберным мышцам обеспечивают осуществление вентиляционных движений. Расширение легких при вдохе стимулирует находящиеся в бронхиальном дереве рецепторы растяжения (проприоцепторы) и они посылают через блуждающий нерв все больше и больше импульсов в экспираторный центр. Это на время подавляет инспираторный центр и вдох. Наружные межреберные мышцы теперь расслабляются, эластично сокращается растянутая легочная ткань - происходит выдох. После выдоха рецепторы растяжения в бронхиальном дереве более уже не подвергаются стимуляции. Поэтому экспираторный центр отключается и вдох может начаться снова. Весь этот цикл непрерывно и ритмично повторяется на протяжении всей жизни организма. Форсированное дыхание осуществляется при участии внутренних межреберных мышц. Основной ритм дыхания поддерживается дыхательным центром продолговатого мозга, даже если все входящие в него нервы перерезаны. Однако в обычных условиях на этот основной ритм накладываются различные влияния. Главным фактором, регулирующим частоту дыхания, служит не концентрация кислорода в крови, а концентрация С02. Когда уровень С02 повышается (например, при физической нагрузке) , имеющиеся в кровеносной системе хеморецепторы каротидных и аортальных телец посылают нервные импульсы в инспираторный центр. В самом продолговатом мозге также имеются хеморецепторы. От инспираторного центра через диафрагмальные и межреберные нервы поступают импульсы в диафрагму и наружные межреберные мышцы, что ведет к их более частому сокращению, а следовательно, к увеличению частоты дыхания. Накапливающийся в организме С02 может причинить большой вред организму. При соединении С02 с водой образуется кислота, способная вызвать денатурацию ферментов и других белков. Поэтому в процессе эволюции у организмов выработалась очень быстрая реакция на любое повышение концентрации С02. Если концентрация С02 в воздухе увеличивается на 0,25%, то легочная вентиляция удваивается. Чтобы вызвать такой же результат, концентрация кислорода в воздухе должна снизиться с 20% до 5%. Концентрация кислорода тоже влияет на дыхание, однако в обычных условиях кислорода всегда бывает достаточно, и потому его влияние относительно невелико. Хеморецепторы, реагирующие на концентрацию кислорода, располагаются в продолговатом мозге, в каротидных и аортальных тельцах, так же, как и рецепторы С02. В известных пределах частота и глубина дыхания могут регулироваться произвольно, о чем свидетельствует, например, наша способность «затаить дыхание» . К произвольной регуляции дыхания мы прибегаем при форсированном дыхании, при разговоре, пении, чихании и кашле.
