Atmungsregulation: Physiologie

Atmungsregulation

Menschliche Zellen sind auf den aeroben Stoffwechsel angewiesen. Die Gewinnung von O₂ aus der Umwelt und der Transport zu den Geweben unter Ausscheidung des Nebenprodukts der Zellatmung (CO₂) sind überlebenswichtige Prozesse und müssen genau reguliert werden. Chemorezeptoren in Lunge Lunge Lunge: Anatomie und Gewebe nehmen Veränderungen der Konzentration von Atemgasen wahr und senden Nachrichten an das ZNS, das wiederum Atemparameter wie Atemfrequenz Atemfrequenz Untersuchung der Lunge oder Atemzugvolumen modifiziert, um ein Ungleichgewicht auszugleichen. Das Atemzentrum liegt in der Formatio reticularis der Medulla oblongata Medulla Oblongata Hirnstamm und besteht aus mehreren Neuronengruppen, welche miteinander verbunden sind. Eine Störung dieses Kontrollmechanismus kann durch schwere Erkrankungen der Lunge Lunge Lunge: Anatomie oder des ZNS verursacht werden und selbst zu kritischen Krankheitszuständen führen.

Redaktionelle Verantwortung: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Inhalt

Atemzentren

Regulierung der Atemzentren

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Atemzentren

Atemzentren sind spezialisierte Neuronencluster, die sich in der Formatio reticularis der Medulla oblongata Medulla Oblongata Hirnstamm befinden. Abhängig von den Umweltbedingungen regulieren diese 2 Atemparameter:

Atemfrequenz Atemfrequenz Untersuchung der Lunge: bestimmt durch die Zeit, die das Atemzentrum aktiv ist
Atemtiefe (Tidalvolumen): bestimmt dadurch, wie das Atemzentrum die Atemmuskulatur stimuliert

Anatomie

Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie der dorsalen respiratorischen Gruppe (DRG)
Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie der ventralen respiratorischen Gruppe (VRG)
Pneumotaktisches Zentrum
Apneustikzentrum
Prä-Bötzinger-Komplex

Atemgruppen

DRG:
- Bestimmt Rhythmus und Frequenz der Einatmung und somit auch der Atemfrequenz Atemfrequenz Untersuchung der Lunge (bei ruhiger Atmung erfolgt die Ausatmung passiv und erfordert keinen Reiz)
- Intrinsischer Oszillator:
  - Sendet sich spontan wiederholende Signale
  - Induziert die Kontraktion des Diaphragmas, erzeugt dadurch einen Unterdruck im Pleuraspalt und den Lufteinstrom in den Alveolen
VRG:
- Nicht aktiv bei normaler, ruhiger Atmung, nur bei forcierter Ausatmung
- Stimuliert die Bauchmuskulatur, um bei erhöhtem Atembedarf kräftig ausatmen zu können
Pneumotaktisches Zentrum:
- Schaltet das Inspirationssignal der DRG aus
- Begrenzt die Inspirationsdauer, stellt die Atemtiefe ein und bestimmt die Atemfrequenz Atemfrequenz Untersuchung der Lunge
Andere Atemzentren :
- Großhirnrinde: Bewusste kontrollierende Steuerung der autonomen Atmung
- Hypothalamus Hypothalamus Hypothalamus und limbisches System Limbisches System Limbisches System: Steuern den Atemzyklus bei Angst oder Aufregung

Atemkontrollzentralen Atemregulierung — Atemzentren
Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Regulierung der Atemzentren

Atemzentren legen die Atemfrequenz Atemfrequenz Untersuchung der Lunge und -tiefe fest. Änderungen der O₂, CO₂, und H⁺-Konzentrationen werden von zentralen und peripheren Chemorezeptoren wahrgenommen, die die Aktivität der Atmenzentren regulieren, um metabolischen und situationsbedingten Bedürfnissen gerecht zu werden.

Regulierung der Atemzentren durch zentrale Chemorezeptoren

Zentrale Chemorezeptoren befinden sich in der Medulla oblongata Medulla Oblongata Hirnstamm und regulieren die Aktivität des Atmemszentrums basierend auf Veränderungen der Blutgase.

PCO₂:
- Erhöhung → Erhöhung von H⁺ im Gehirn (Wirkung der Carboanhydrase auf CO₂, das die Blut-Hirn-Schranke Blut-Hirn-Schranke Nervensystem: Histologie durchdringen kann) → Stimulation zentraler Chemorezeptoren → Stimulation der Atemzentren → Erhöhung der Atemtiefe und -frequenz → Senkung des PCO₂
- Abnahme → verringerte Atemfrequenz Atemfrequenz Untersuchung der Lunge oder sogar Apnoe
O₂ Partialdruck (PO₂): keine direkte Wirkung auf die Atemzentren
Eine Abnahme des arteriellen pH-Wertes kann die Ventilation Ventilation Atemmechanik erhöhen, selbst wenn PO₂ und PCO₂ normal sind.

Diagram of the stimulation of central chemoreceptors Respiratory regulation — Schema der Stimulation zentraler Chemorezeptoren durch H⁺:
da H⁺ nicht direkt in das ZNS gelangen kann, entsteht es aus der Carboanhydrase-Reaktion mit CO₂. H⁺ ist ein indirekter Indikator für die zentralen Chemorezeptoren zur Messung der CO₂-Menge im systemischen Kreislauf.
Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Integration of Inspiration and Expiration Respiratory Regulation — Schema der Stimulation zentraler Chemorezeptoren durch H⁺:
da H⁺ nicht direkt in das ZNS gelangen kann, entsteht es aus der Carboanhydrase-Reaktion mit CO₂. H⁺ ist ein indirekter Indikator für die zentralen Chemorezeptoren zur Messung der CO₂-Menge im systemischen Kreislauf.
Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Regulierung der Atemzentren durch periphere Chemorezeptoren

Periphere Chemorezeptoren befinden sich in dem Glomus caroticum und Glomus aorticum und reagieren stärker auf Blutgase als zentrale Chemorezeptoren.

PCO₂:
- Von peripheren Chemorezeptoren direkt und indirekt als H⁺ wahrgenommen
- Hat ähnliche Wirkungen auf die Atemzentren wie zentrale Chemorezeptoren
- Viel weniger potenter Stimulus als die direkte Stimulierung durch zentrale Chemorezeptoren
PO₂:
- Abnahme → Depolarisation von Typ I (Glomus-) Zellen → Aktivierung von Calciumkanälen → Fusion von Neurotransmittern durch Anstieg des intrazellulären Calciums → von Afferenzen aufgenommen und als Signal an das Gehirn gesendet → Erhöhung der Atemfrequenz Atemfrequenz Untersuchung der Lunge
- Hat einen geringen Einfluss auf die Ventilation Ventilation Atemmechanik, vor allem wenn der PO₂ 30–60mmHg beträgt

Anatomical location of peripheral chemoreceptors Respiratory Regulation — Anatomische Lage der peripheren Chemorezeptoren
Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Anatomical location of peripheral chemoreceptors Respiratory regulation (2) — Anatomische Lage der peripheren Chemorezeptoren
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Regulierung der Atemzentren durch andere Rezeptoren Rezeptoren Rezeptoren in der Lunge Lunge Lunge: Anatomie

Reizrezeptoren:
- Wahrnehmungen von:
  - Staub
  - Kalte Luft
  - Chemische Reizstoffe
- Verursacht:
  - Husten
  - Bronchokonstriktion
Muskel- und Gelenkrezeptoren:
- Lagewahrnehmung der Brustwand Brustwand Brustwand während der Atmung
- Feedback zur Angemessenheit der Atemfrequenz Atemfrequenz Untersuchung der Lunge und -tiefe
Dehnungsrezeptoren:
- Erkennen das Ausmaß der Inflation des Lungenparenchyms
- Beenden die Inspiration bevor Lungengewebe geschädigt wird
J-Rezeptoren (juxtakapilläre Rezeptoren Rezeptoren Rezeptoren):
- Erkennen ein Lungenödem Lungenödem Atemwegsobstruktion
- Verursachen ein flache Atmung

Rezeptoren entlang der Atemwege sowie in Muskeln und Gelenken des Brustkorbs
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Diagram of Integration of stimuli Respiratory regulation — Schema der Reizintegration im Atemzentrum
Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Relationship between ventilation and PO₂, and PCO₂ Respiratory regulation — Schema der Reizintegration im Atemzentrum
Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Quellen

Hall, J.E., Hall, M.E. (2021). Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology (14th ed.). Elsevier.
Powers, K.A., Dhamoon, A.S. Physiology, pulmonary ventilation, and perfusion (2021). StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
J. Gordon Betts et al. Anatomy and Physiology. Retrieved April 26, 2021, from https://openstax.org/details/books/anatomy-and-physiology