Atmungskontrolle verstehen: Gehirn- & Körpermechanismen

Lokale Kontrolle

Die Sauerstoffzufuhrrate in jedem Gewebe und die Aufnahme in der Lunge werden weitgehend auf lokaler Ebene reguliert. Wenn ein peripheres Gewebe, wie ein Arm oder Fuß, aktiver wird, sinkt der Sauerstoffgehalt zwischen den Zellen und der Kohlendioxidgehalt steigt. Dies führt dazu, dass mehr Sauerstoff zu den betroffenen Geweben geliefert und mehr Kohlendioxid von ihnen entfernt wird. Ein sekundärer Effekt ist die Entspannung der glatten Muskulatur in Arteriolenwänden und Kapillaren in der Gegend, was den Blutfluss erhöht.

Unwillkürliche Kontrolle

Als Reaktion auf sensorische Informationen, die von der Lunge oder anderen Teilen des Atmungstraktes gesendet werden, kontrollieren die unwillkürlichen Zentren des Gehirns die Aktivitäten der Atemmuskulatur und das Volumen, indem sie die Tiefe und Frequenz der physischen Bewegung der Luft ein- und aus dem Atmungstrakt, bekannt als Lungenventilation, anpassen.

Willkürliche Kontrolle

Die willkürliche Kontrolle der Atmung basiert auf Aktivitäten im Großhirn, die entweder die Ausgabe der Atmungszentren im Medulla- und Pons-Abschnitt des Gehirns oder Motorneuronen im Rückenmark beeinflussen.

Medulla-Zentren

Das Atemtempo wird von den Atemrhythmizitätszentren des Medulla gesetzt, von denen jedes eine dorsale Atemgruppe (DRG) und eine ventrale Atemgruppe (VRG) hat. Die DRG, die das Zwerchfell und die Zwischenrippenmuskeln steuert, die die Rippen bewegen, funktioniert in jedem Atemzyklus. Die VRG funktioniert nur während erzwungener Atmung. Das grundlegende Atemmuster spiegelt eine zyklische Interaktion zwischen der DRG und VRG wider, von der angenommen wird, dass sie von Schrittmacherzellen etabliert wird, die spontan rhythmische Aktivitätsmuster durchlaufen.

Externe Faktoren

Die Atemfrequenz kann durch zentralnervöse Stimulanzien wie Amphetamine oder Koffein erhöht oder durch Depressiva wie Barbiturate oder Opiate verringert werden.

Pons-Zentren

Die apneustischen und pneumotaktischen Zentren des Pons sind Paare von Kernen, die die Ausgabe der Atemrhythmuszentren in Reaktion auf sensorische Reize oder Eingaben von anderen Zentren anpassen. Während ruhiger Atmung hilft die Stimulation von apneustischen Zentren, die Intensität der Inspiration über die folgenden zwei Sekunden zu erhöhen, nachdem (unter normalen Umständen) die Signale von pneumotaktischen Zentren diese Aktivität hemmen. Während erzwungener Atmung reagieren die apneustischen Zentren auch auf sensorische Eingaben vom Vagusnerv bezüglich der Lungeninflation. Zentren im Hypothalamus und im Großhirn des Gehirns können die Atemfrequenz und -tiefe über die pneumotaktischen Zentren verändern.

Atemreflexe

Die Aktivitäten des Atemzentrums werden durch sensorische Informationen von speziellen Neuronen modifiziert, die als Chemorezeptoren bekannt sind, die empfindlich auf Kohlendioxid, Sauerstoff und pH-Wert (Säure/Alkalität) reagieren; auf Veränderungen des Blutdrucks in der Aorta oder den Karotissinussen; auf Lungenvolumenänderungen; auf physische oder chemische Reizstoffe in der Nasenhöhle, dem Kehlkopf oder dem Bronchialbaum oder auf andere Empfindungen wie Schmerz oder Veränderungen der Körpertemperatur.