Neurobiologia oddechu – część 1.
Struktura w mózgu, w której powstaje wzorzec oddechowy, została nazwana kompleksem pre-Bötzingera… na cześć wina. Serwowano je podczas bankietu na zakończenie sympozjum naukowego, na którym ogłoszono odkrycie neuronów generujących rytm oddechowy. W ten sposób wino Bötzinger przeszło do historii neuronauki.
Kiedy Twój nauczyciel medytacji czy mindfulness mówi, żebyś obserwował oddech takim, jakim jest (żebyś go nie zmieniał), to mówi: obserwuj aktywność małej grupy neuronów w pniu mózgu, obserwuj aktywność kompleksu pre-Bötzingera, obserwuj jak impuls nerwowy wędruje do twojej przepony i jak ona wykonuje polecenia biegnące z mózgu…
Oddychanie to niezwykle złożony proces, który zachodzi dzięki harmonijnej współpracy ośrodka oddechowego w pniu mózgu z mięśniami oddechowymi. Główną funkcją układu oddechowego jest zapewnienie efektywnej wymiany gazowej. Dzięki temu do organizmu dostarczany jest tlen, a usuwany jest dwutlenek węgla. Jednak najnowsze badania pokazują, że oddech to coś znacznie więcej niż wymiana gazowa. Jego związek z postawą ciała, z odpornością na stres, bolesnymi napięciami mięśniowymi, z emocjami, z wyższymi czynnościami psychicznymi i synchroniczną aktywnością mózgu opiszę w osobnych artykułach. Poniżej zajmiemy się neurobiologią oddechu, czyli jak układ nerwowy generuje oddech. Skąd mózg wie, jak oddychać?
Trzy fazy oddechu
Z neurobiologicznego punktu widzenia cykl oddechowy składa się z trzech faz: wdechowej, powdechowej (nazywaną też pierwszą fazą wydechu) oraz wydechowej.
W czasie fazy wdechowej dochodzi do skurczu przepony oraz innych mięśni wdechowych. Dzięki temu następuje zwiększenie objętości klatki piersiowej, co umożliwia napływ świeżego powietrza do płuc.
Mało znana faza powdechowa ma na celu spowolnić przepływ powietrza przez drogi oddechowe, aby uniknąć gwałtownego zapadnięcia płuc oraz wydłużyć czas przebywania powietrza w płucach. Jest ona kontrolowana przez wyspecjalizowane neurony, których aktywność powoduje wygaszenie aktywność mięśni wdechowych oraz napięcie mięśni zwężających krtań. Dzięki temu wydychane powietrze napotyka większy opór, a wdech może płynnie przechodzić w wydech.
W fazie wydechowej dochodzi do aktywacji mięśni międzyżebrowych wewnętrznych. Jeżeli wydech jest aktywny, to napinają się także mięśnie brzucha. W spoczynku wydech jest bierny, zmniejszenie objętości klatki piersiowej następuje na skutek rozluźnienia mięśni wdechowych.
Rytm oddechowy
Podstawowy rytm oddechowy powstaje w wyniku aktywności neuronów oddechowych zlokalizowanych w pniu mózgu. Ich aktywność jest modulowana przez:
1) sygnały czuciowe (sensoryczne) biegnące z ciała, dotyczące stopnia rozciągnięcia klatki piersiowej, poziomu tlenu O2, CO2, wysokości pH, obecności produktów przemiany materii
2) sygnały biegnące z wyższych pięter układu nerwowego związane np. ze stanem emocjonalnym, mową, świadomą kontrolą
3) sygnały pochodzące z mięśni szkieletowych, informujące o aktywności fizycznej.
Z drugiej strony sama aktywność neuronów oddechowych wpływa na pracę obszarów mózgu związanych z emocjami, świadomością, uwagą, funkcjami poznawczymi czy snem.
W wyniku integracji tych wszystkich informacji neurony ośrodka oddechowego wysyłają impulsy do wdechu, płynnego przejścia wdechu w wydech, a w czasie wysiłku fizycznego – do aktywnego wydechu. Impulsy te są przekazywane do neuronów unerwiających mięśnie oddechowe. Rytmiczne napinanie i rozluźnianie mięśni oddechowych powoduje zmiany objętości klatki piersiowej, co umożliwia wentylację płuc.
W następnym poście przedstawimy budowę i lokalizację ośrodka oddechowego w pniu mózgu.
Bibliografia
Alheid, George F., and Donald R. McCrimmon. 2008. “The Chemical Neuroanatomy of Breathing.” Respiratory Physiology and Neurobiology 164 (1–2): 3–11
Hilaire, Gérard, and Rosario Pásaro. 2003. “Genesis and Control of the Respiratory Rhythm in Adult Mammals.” News in Physiological Sciences 18 (1): 23–28
Negro, Christopher A. Del, Gregory D. Funk, and Jack L. Feldman. 2018. “Breathing Matters.” Nature Reviews Neuroscience 19 (6): 351–67
Shevtsova, Natalia A., Vitaliy Marchenko, and Tatiana Bezdudnaya. 2019. “Modulation Respiratory System by Limb Muscle Afferents in Intact and Injured Spinal Cord.” Frontiers in Neuroscience 13 (March): 1–11
Smith, Jeffrey C., Ana P.L. Abdala, Anke Borgmann, Ilya A. Rybak, and Julian F.R. Paton. 2013. “Brainstem respiratory networks: building blocks and microcircuits.” Trends Neuroscience 36(3): 152–162.
Smith, Jeffrey C., Ana P.L. Abdala, Ilya A. Rybak, and Julian F.R. Paton. 2009. “Structural and Functional Architecture of Respiratory Networks in the Mammalian Brainstem.” Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 364 (1529): 2577–87
Webster, Lynn R., and Suzanne Karan. 2020. “The Physiology and Maintenance of Respiration: A Narrative Review.” Pain and Therapy 9 (2): 467–86
