Control of Breathing: Comprehensive Notes

Aria Secca vs. Alveoli vs. Sangue

• Aria secca:
  • P{O2} = 160 \, mmHg
  • P{CO2} = 0.25 \, mmHg
• Alveoli:
  • P{O2} = 100 \, mmHg
  • P{CO2} = 40 \, mmHg
• Sangue arterioso:
  • P{O2} = 100 \, mmHg
  • O_2 disciolto = 7%
  • P{CO2} = 40 \, mmHg
  • Hb \cdot CO_2 = 23\%%
• Sangue venoso:
  • P{O2} = 40 \, mmHg
  • P{CO2} = 46 \, mmHg
• Cellula:
  • P{O2} \leq 40 \, mmHg
  • P{CO2} \geq 46 \, mmHg
• Trasporto di CO2: HCO3 = 70\%%
• Trasporto di O2: Hb \cdot O2 > 98\%%; O2 disciolto < 2% (\sim P{O_2})
• Circolazione:
  • Polmonare
  • Sistemica

Controllo della Respirazione

• Centri Encefalici Superiori:
  • Sistema Limbico: Emozioni e controllo volontario
• Chemocettori:
  • Bulbari
  • Carotidei e aortici: sensibili a CO2, O2, e pH
• Generatore Centrale di Ritmi Ventilatori:
  • Bulbo
    • Gruppo Ventilatorio Dorsale (DRG)
    • Gruppo Ventilatorio Ventrale (VRG)
  • Ponte
• Motoneuroni Somatici:
  • Inspirazione: Muscoli scaleni, sternocleidomastoidei, intercostali esterni, diaframma
  • Espirazione: Intercostali interni, muscoli addominali
• Stimoli:
  • Recettori sensoriali
  • Neuroni afferenti
  • Centri di integrazione
  • Neuroni efferenti
  • Effettori

Motoneuroni Respiratori

• Diaframma:
  • Nervo: Frenico
  • Segmenti spinali: C3-C5
  • Azione meccanica: Inspirazione (espansione torace)
• Scaleni, Trapezio, Sternocleidomastoideo:
  • Nervo: Accessorio (XI) / Rami anteriori nervi spinali
  • Segmenti spinali: C1-C8
  • Azione meccanica: Inspirazione (sollevamento delle coste craniali)
• Intercostali Esterni:
  • Nervo: Intercostali
  • Segmenti spinali: T1-T12
  • Azione meccanica: Inspirazione (sollevamento e rotazione esterna delle coste)
• Intercostali Interni:
  • Nervo: Intercostali
  • Segmenti spinali: T1-T12
  • Azione meccanica: Espirazione (abbassamento e rotazione interna delle coste)
• Addominali (Obliqui, Trasverso e Retto dell'Addome):
  • Nervo: Addominali
  • Segmenti spinali: T6-L3
  • Azione meccanica: Espirazione (spinta craniale del diaframma)
• Muscoli delle Vie Aeree:
  • Ala del naso: Nucleo facciale, nervo facciale (VII), dilatazione della narice
  • Palatofaringeo, Palatoglosso: Nucleo ambiguo, facciale (VII), vago (X), abbassamento del palato molle
  • Dilatatori faringei: Nucleo retrofacciale, glossofaringeo (IX), dilatazione della faringe
  • Costrittori faringei: Nucleo retrofacciale, glossofaringeo (IX), costrizione "a fascia" della parete posteriore
  • Elevatore del velo palatino: Nucleo retrofacciale, glossofaringeo (IX), elevazione del palato contro il retrofaringe (chiusura via nasale)
  • Tensore del velo palatino: Nucleo motore del trigemino, trigemino (V), abbassamento del palato molle (chiusura via orale)
  • Genioglosso, Muscoli ioidei: Nucleo dell'ipoglosso, ipoglosso (XII), spinta in avanti della lingua, ampliamento e stabilizzazione della faringe, sollevamento della laringe
  • Cricoartenoideo Posteriore: Nucleo ambiguo, laringeo inferiore (ricorrente) (X), dilatazione della glottide
  • Tireoaritenoideo, Cricoartenoideo Laterale e Trasversale, Interaritenoideo: Nucleo ambiguo, laringeo inferiore (ricorrente) (X), costrizione della glottide
  • Cricotiroideo: Nucleo ambiguo, laringeo superiore (X), abduzione corde vocali

Respirazione a Riposo vs. Ventilazione Attiva

• Respirazione tranquilla:
  • L'espirazione è un processo passivo, senza attività nervosa o muscolare dei muscoli espiratori.
• Ventilazione attiva:
  • Aumento dell'attività dei neuroni e muscoli inspiratori.
  • Attivazione dei muscoli espiratori.
• Correlazione tra la ventilazione e i cambiamenti ciclici della stimolazione nervosa dei muscoli respiratori, che influenzano il volume polmonare.

Sistema di Controllo del Respiro

• Neuroni nel centro respiratorio nel bulbo mostrano attività spontanea ciclica influenzata da:
  • Corteccia cerebrale (controllo volontario).
  • Meccanocettori e chemocettori (controllo automatico).
• Pressioni parziali:
  • P{CO2}: pressione parziale dell'anidride carbonica.
  • P{O2}: pressione parziale dell'ossigeno.

Controllo Respiratorio durante la Respirazione a Riposo

• Componenti:
  • Chemocettori centrali
  • Chemocettori periferici
  • Recettori polmonari da stiramento
  • Recettori per sostanze irritanti
  • Propriocettori
  • Ponte
  • Generatore centrale (bulbo)
  • Neuroni inspiratori del DRG e del VRG
  • Corteccia (controllo volontario)
• Tutto ciò influenza il ritmo respiratorio e il pattern.

Attività dei Neuroni Inspiratori

• Aumento a rampa nella frequenza dei potenziali d'azione durante l'inspirazione.
• Terminazione repentina di tutta l'attività alla fine dell'inspirazione/inizio dell'espirazione.

Volume di Aria Inspirata e Attività dei Neuroni Inspiratori

• Durante la respirazione tranquilla, il volume di aria inspirata è correlato all'attività dei neuroni inspiratori.
• Fasi: Aumento crescente a rampa, fine inspirazione/inizio espirazione
  • Inspirazione: 2 s
  • Espirazione: 3 s

Centri Respiratori del Tronco dell'Encefalo

• Ponte: Gruppo Respiratorio Pontino (PRG)
• Bulbo:
  • Gruppo Respiratorio Dorsale (DRG)
  • Gruppo Respiratorio Ventrale (VRG)
• Colori:
  • Blu: Neuroni inspiratori
  • Giallo: Neuroni espiratori
  • Verde: Neuroni misti (inspiratori ed espiratori)

Gruppi Neuronali Respiratori

• Localizzazione:
  • Tronco encefalico (visione dorsale)
  • Sezione trasversa a livello del bulbo medio e caudale
• Gruppi respiratori:
  • Dorsali (GRD)
  • Ventrali (GRV)
  • Pontini (GRP)
• Colori:
  • Rosso: Neuroni che scaricano durante l'inspirazione
  • Blu: Neuroni che scaricano durante l'espirazione
  • Giallo: Neuroni che scaricano durante entrambe le fasi
• Sistema Reticolare Attivante (SRA): Circonda e si interdigita con i gruppi neuronali.
• Nervi cranici: Alcuni hanno una componente sensoriale e una motoria.

Sezioni del Tronco Encefalico e Ritmi Respiratori

• Livelli di sezione:
  • Rostropontino
  • Mediopontino
  • Rostrobulbare
  • Tra bulbo e C1
• Effetti delle Afferenze Vagali:
  • Importanti per informazioni sullo stato di distensione dei polmoni.
• Livello 1 (Rostropontino):
  • Vaghi intatti: Nessun effetto sul ritmo respiratorio di base. Abolisce le influenze volontarie sulla ventilazione.
  • Vaghi sezionati: La ventilazione rallenta e il volume corrente aumenta.
• Livello 4 (Tra bulbo e C1):
  • La ventilazione viene completamente soppressa, indicando che il controllore della ventilazione ha sede rostralmente a questo livello.
• Livello 2 (Mediopontino):
  • Vaghi intatti: Ablazione del centro pneumotassico provoca un moderato rallentamento della ventilazione, con un aumento del volume corrente che mantiene la ventilazione alveolare a valori normali.
  • Vagotomia: Compare respiro apneustico (inspirazione profonda mantenuta per diversi secondi).
• Livello 3 (Rostrobulbare):
  • Si sviluppa un respiro spasmodico irregolare (gasping) che non viene modificato dalla vagotomia.
  • I controllori bulbari sono sufficienti per mantenere una ventilazione di base, ma non sono capaci di provvedere alla normale modulazione della ventilazione.

Effetti di Sezioni del Tronco dell'Encefalo

• Centro pneumotassico: Assicura un ritmo respiratorio normale, si trova nella parte superiore del ponte.
• Centro apneustico: Si trova nella parte inferiore del ponte, la cui sezione determina apneusi o respiro apneustico quando si accompagna alla soppressione della regolazione vagale del respiro.
• Centro bulbare: Responsabile dei gasps, un fenomeno patologico che si verifica per sofferenza dei centri bulbari. Il respiro cessa dopo una sezione a livello dell'obex.

Raffreddamento del Bulbo Ventrolaterale

• Il raffreddamento di una regione rostrale del bulbo ventrolaterale (regione dell'apnea) provoca una depressione del ritmo respiratorio fino all'apnea.
• Effetto simmetrico sul nervo frenico: Sia controlaterale che ipsilaterale.
• Aree chemiocettive: R, I e C.
• Gruppi respiratori: Dorsale (GRD) e ventrale (GRV).

Localizzazione dei Gruppi Respiratori Dorsale e Ventrale

• Aspetto dorsale del bulbo.
• Sezione trasversa del bulbo a livello del IV ventricolo.
• Il complesso preBötzinger si trova nel terzo rostrale del GRV, critico per la ritmogenesi respiratoria.

Regioni Coinvolte nel Controllo della Respirazione

• Veduta dorsale del tronco encefalico: Illustra le regioni coinvolte nel controllo della respirazione nel coniglio.
  • VII: Nucleo del nervo facciale
  • AP: Area postrema
  • CBöt: Complesso di Bötzinger
  • Cl: Collicolo inferiore del mesencefalo
  • CpreBöt: Complesso pre-Bötzinger
  • GRD: Gruppo respiratorio dorsale
  • GRP: Gruppo respiratorio pontino
  • GRPF: Gruppo respiratorio parafacciale
  • GRV: Gruppo respiratorio ventrale
  • GRVC: Parte caudale del gruppo respiratorio ventrale
  • GRVi: Parte intermedia o inspiratoria del gruppo respiratorio ventrale
  • GRVr: Parte rostrale del gruppo respiratorio ventrale
  • KF: Nucleo di Kölliker-Fuse
  • NPB: Nucleo parabrachiale
  • NRT: Nucleo retrotrapezoide
  • NTS: Nucleo del tratto solitario

Neuroni Inspiratori e Espiratori

• Meccanogramma del respiro
• Scarica di un neurone inspiratorio
• Scarica di un neurone espiratorio

Raggruppamenti di Neuroni nel Controllo della Ventilazione

• Visione dorsale del tronco cerebrale (dopo rimozione del cervelletto):
  • Principali raggruppamenti di neuroni coinvolti nel controllo centrale della ventilazione.
  • Le diverse colorazioni facilitano la distinzione delle diverse aree.
• Sezioni trasverse: Effettuate ai livelli indicati dalle linee orizzontali tratteggiate.
  • Gruppo respiratorio pontino
  • Nucleo Kölliker-Fuse
  • Nucleo parabrachiale
  • Nucleo retrotrapezoidale
  • Complesso Bötzinger
  • Complesso pre-Bötzinger
  • Gruppo respiratorio ventrale (nucleo parambiguo)
  • Gruppo respiratorio dorsale + nucleo tratto solitario
  • Gruppo respiratorio ventrale (nucleo retroambiguo)

Categorie di Neuroni Respiratori

• Elettroneurogramma (ENG) del nervo frenico:
  • Registrazione extracellulare della scarica neuronale.
  • E: espiratorio; I: inspiratorio.
  • I-rampa
  • I-precoci
  • I-tardivi
  • E-rampa
  • E-precoci (postinspiratori)
  • "Phase-spanning" I-E

Neuroni e Circuiti Respiratori

• Identificazione:
  • I neuroni respiratori sono identificati in base al loro profilo di scarica e alla relazione temporale della scarica con l'attività del nervo frenico.
• Tipi di neuroni:
  • Inspiratori precoci (IP)
  • Inspiratori (I)
  • Inspiratori tardivi (IT)
  • Postinspiratori (PI): scaricano durante la postscarica dei nervi frenici.
  • Espiratori (E2): scaricano durante la pausa di attività del nervo frenico.
• Circuito respiratorio:
  • L'oscillatore primario è composto da neuroni IP e PI

Modello per il Network Respiratorio del Tronco Encefalico

• Fasi del ciclo respiratorio:
  • Inspirazione (I)
  • Transizione inspirazione-espirazione (I-E)
  • Espirazione (E)
• Tipi di neuroni respiratori:
  • Pre-I
  • Early-I
  • I
  • Late-I
  • Early-E
  • E
• Il network funziona principalmente sulla base di sinapsi inibitorie.

Effetti delle Sezioni sul Respiro

• Veduta dorsale del tronco dell'encefalo (a cervelletto rimosso):
  • Livelli di sezione (I, II, III e IV) e i loro effetti sul respiro nell'animale integro e dopo sezione dei nervi vaghi.

Centri Respiratori nel Tronco Encefalico

• Gruppi respiratori:
  • Ponte:
    • Gruppo respiratorio pontino (GRP) o pneumotassico
  • Bulbo:
    • Gruppo respiratorio dorsale (DRG)
    • Gruppo respiratorio ventrale (GRV)

Centri Respiratori

• Ponte:
  • Centro pneumotassico
  • Centro apneustico
• Midollare/Bulbo:
  • Complesso pre-Bötzinger
  • Gruppo respiratorio dorsale (DRG)
  • Gruppo respiratorio ventrale (VRG)

Controllo Nervoso della Ventilazione

• Centri superiori:
  • Corteccia
  • Sistema limbico
  • Ipotalamo
• Tronco encefalico:
  • GRP
  • DRG
  • GRV
• Midollo spinale:
  • Motoneuroni inspiratori ed espiratori
• Muscoli:
  • Intercostali esterni
  • Diaframma
  • Intercostali interni
• Generatore centrale del ritmo

Connessioni dei Neuroni Respiratori Pontini

• Nucleo magnocellulare:
  • Eroga un'attività tonica che eccita i neuroni bulbari inspiratori e inibisce quelli responsabili dello spegnimento dell'inspirazione.
• Gruppo respiratorio pontino (GRP):
  • Ciclicamente inibisce l'attività del nucleo magnocellulare.
  • Viene progressivamente eccitato durante l'inspirazione dai neuroni bulbari inspiratori e dalle afferenze vagali provenienti dai recettori di espansione polmonare.
  • Attivato eccita i neuroni "interruttore", responsabili dello spegnimento dell'inspirazione.

Controllo Chimico del Respiro

• Tabella dei valori normali dei gas ematici:
  • Sangue arterioso:
    • P{O2}: 95 mmHg (85-100)
    • P{CO2}: 40 mmHg (35-45)
    • pH: 7.4 (7.38-7.42)
  • Sangue venoso:
    • P{O2}: 40 mmHg
    • P{CO2}: 46 mmHg
    • pH: 7.37
• Classificazione delle forme di ipoossia:
  • Ipoossia ipoossica: Bassa P{O2} arteriosa (Elevata altitudine; ipoventilazione alveolare; riduzione della capacità di diffusione polmonare; rapporto ventilazione-perfusione alterato).
  • Ipoossia anemica: Riduzione della quantità totale di O_2 legata all'emoglobina (Perdita di sangue; anemia (bassa [Hb] o alterazione del legame HbO2); avvelenamento da monossido di carbonio)
  • Ipoossia ischemica: Riduzione del flusso ematico (Scompenso cardiaco (ipoossia generale), shock (ipoossia periferica); trombosi (ipoossia in un singolo organo))
  • Ipoossia istotossica: Incapacità delle cellule di utilizzare O_2 (Cianuro e altri veleni metabolici)

Chemocettori Periferici

• Posizione: Glomi carotidei (biforcazione delle carotidi) e glomi aortici (arco aortico).
• Funzione: Sensibili a P{CO2}, O_2, e pH.
• Afferenze: Salgono al bulbo, ma non giungono direttamente ai centri respiratori.

Chemorecettori Periferici

• Localizzazione: Glomi carotidei e aortici.
• Afferenze: Al tronco encefalico.

Meccanismo di Controllo della Ventilazione

• Aumento della P{CO2} arteriosa:
  • Aumenta la P{CO2} nel liquido extracellulare encefalico.
  • CO2 + H2O \xrightarrow{CA} H^+ + HCO_3^-
  • Aumenta H^+ nel liquido extracellulare encefalico.
  • Attiva i chemocettori centrali.
  • Debolmente attiva i chemocettori periferici.
  • Aumenta la ventilazione.
  • Diminuisce la P{CO2} arteriosa.
    CA = anidrasi carbonica

Effetto di P{O2} e P{CO2} sulla Ventilazione

• Effetto della P{O2} arteriosa:
  • La diminuzione della P{O2} arteriosa ha poca influenza sulla ventilazione al minuto finché essa non raggiunge un valore inferiore a 60 mmHg.
• Effetto della P{CO2} arteriosa:
  • L'aumento della P{CO2} arteriosa ha una grande influenza sulla ventilazione al minuto non appena si discosta dai valori normali.
  • A valori di P{CO2} maggiori di 90 mmHg interviene prima il coma e poi la morte.
  • Se P{CO2} > 180 mmHg: morte

Somministrazione di Birre ed Effetti sui Gas nel Corpo

• Influenza della P{O2} sulla ventilazione.
• Influenza della P{CO2} sulla ventilazione.

Controllo della Ventilazione Associato a Ipossia

• Bassa P{O2}: Blocca i canali per il K^+
• Depolarizzazione della cellula: Apertura dei canali per il Ca^{2+}
• Ingresso di Ca^{2+}: Induce rilascio di dopamina.
• Attivazione del recettore dopaminergico: Potenziali d'azione ai centri bulbari.
• Aumentata ventilazione.

Diffusione della CO_2 Plasmatica

• Attraverso la barriera ematoencefalica
  AC = Anidrasi Carbonica

Controllo della Ventilazione

• Aumento della P{CO2}
  • La CO_2 plasmatica attraverso la barriera ematoencefalica porta ad un aumento di H^+
• Il quale stimola i chemocettori centrali nel Bulbo portando ad un'aumentata ventilazione

Attivazione dei Chemocettori Centrali

• I Chemocettori centrali rispondono alle modificazioni di pH del liquido cerebrospinale
• Gli ioni idrogeno non possono attraversare la barriera ematoencefalica
• L'anidride carbonica nel sangue diffonde nel liquido cerebrospinale, dove l'anidrasi carbonica (CA) catalizza la conversione di anidride carbonica e acqua in acido carbonico (H2CO3), che si dissocia in bicarbonato (HCO_3) e ioni idrogeno (H^+).
• Gli ioni idrogeno possono, quindi, attivare i chemocettori centrali.

Stimolazione dei Chemocettori Centrali e Periferici

• I chemocettori periferici vengono stimolati quando la P{O2} nel plasma è < 60 mmHg
• I chemocettori centrali vengono stimolati quando la P{CO2} nel LCS aumenta portando ad una reazione dove\ CO2 si dissocia in H^+ + HCO3

Controllo Locale del Raggio dei Bronchioli e delle Arteriole Polmonari

• Modificazioni della composizione dei gas polmonari: Alterazioni di P{CO2} e P{O2}
• Influenza sulla ventilazione (V) e perfusione (Q).
• Bronchioli:
  • Aumentata P{CO2}: Dilatazione (aumentata V)
  • Ridotta P{CO2}: Costrizione (ridotta V)
  • Aumentata P{O2}: Modesta costrizione (ridotta V)
  • Ridotta P{O2}: Modesta dilatazione (aumentata V)
• Arteriole polmonari:
  • Aumentata P{CO2}: Modesta costrizione (ridotta Q)
  • Ridotta P{CO2}: Modesta dilatazione (aumentata Q)
  • Aumentata P{O2}: Dilatazione (aumentata Q)
  • Ridotta P{O2}: Costrizione (ridotta Q)

Riflessi Chemocettoriali e Ventilazione

• Diminuzione della P{O2} arteriosa (< 60 mmHg): Attiva i chemocettori periferici.
• Aumento della P{CO2} arteriosa: Attiva sia i chemocettori centrali che quelli periferici (in seguito alla conversione dell'anidride carbonica in ioni idrogeno e bicarbonato).
• Diminuzione del pH del sangue arterioso: Attiva i chemocettori periferici.
• Esito: Aumento della ventilazione (feedback negativo alla stimolazione iniziale).

Effetti dell'Ipo e Iperventilazione

• Ipoventilazione: Aumento diP{CO2}, Ioni H^+ (e diminuzione di P{O2}) -> ventilazione diminuisce (feedback negativo)
• Iperventilazione: Diminuzione di P{CO2}, Ioni H^+ (e aumento di P{O2}) -> ventilazione aumenta (feedback negativo)

Scala del pH

• Acidosi: pH diminuisce, possibili cause includono dieta ad alto contenuto proteico/grassi, diarrea grave, attività fisica estrema, diabete mellito, alterazioni della funzione renale.
• Alcalosi: pH aumenta, possibili cause includono vomito eccessivo, dosi eccessive di farmaci antiacidi, alterazioni della funzione renale.
• pH: tra 7.35-7.45 è normale.

Funzione Respiratoria

• Fattori che influenzano la funzione respiratoria.

L'Equazione di Henderson-Hasselbalch

• Relazione tra l'anidride carbonica e il pH può essere descritta usando l'equazione di Henderson-Hasselbalch.
• HA \rightleftharpoons H^+ + A^-
• Costante di equilibrio (K) per questa reazione:
  • K = \frac{[H^+][A^-]}{[HA]}
• Concentrazione di ioni idrogeno in condizioni di equilibrio:
  • [H^+] = \frac{K[HA]}{[A^-]}
• Equazione di Henderson-Hasselbalch:
  • pH = -log K + log \frac{[A^-]}{[HA]} = pK + log \frac{[A^-]}{[HA]}
• Applicazione alla dissociazione dell'acido carbonico (H2CO3) in bicarbonato (HCO_3) e ioni idrogeno:
  • H2CO3 \rightarrow HCO_3^- + H^+
  • pH = 6.1 + log \frac{[HCO3^-]}{[CO2]}
• Mantenimento di un normale pH arterioso di 7.4 richiede che il rapporto [HCO3-]/[CO2] rimanga costante a 20:1.
• Equazione in termini di pressione parziale di anidride carbonica (mmHg):
  • pH = 6.1 + log \frac{[HCO3^-]}{(0.03)P{CO_2}}

Riflessi Protettivi delle Vie Aeree

• Riflessi che proteggono le vie aeree da agenti esterni.

Starnuto

• Stimolazione: Agenti irritanti nella mucosa nasale.
• Fasi:
  • Inspirazione
  • Chiusura della glottide;Contrazione del muscolo elevatore velo palatino
  • Compressione(Pressione subglottica 20 cmH2O)
  • Espirazione.(Contrazione del muscolo retto dell'addome)
  • Apertura della glottide-Flusso espiratorio dal naso

Chiusura della Glottide

• Stimoli meccanici o chimici applicati alla regione faringea e/o laringea attivano il riflesso di chiusura della glottide senza indurre deglutizione.
• Attività di un chemiocettore laringeo durante l'instillazione di acqua, soluzione fisiologica, urea e citrato.
• Il recettore non risponde alla soluzione fisiologica.

Tosse

• Stimolazione: Agenti irritanti.
• Fasi:
  • Inspirazione (aumento attività diaframma).
  • Compressione (chiusura della glottide, contrazione muscoli addominali e intercostali).
  • Espirazione (apertura della glottide, fuoriuscita d'aria).
• EMG: attività elettromiografica integrata.

Controllo Volontario della Tosse

• Afferenze vagali: Provenienti dalla laringe e dall'albero tracheobronchiale attivano i centri bulbari generatori della tosse.
• Afferenze tussigene: Giungono al nucleo del tratto solitario e qui attivano i neuroni che influenzano i motoneuroni dei muscoli respiratori.
• Aree somestesiche: L'attivazione produce una percezione di irritazione.
• Aree motorie corticali: Controllano i centri bulbari generatori della tosse, attivandoli in assenza di stimoli oppure inibendoli in presenza di stimolazioni di lieve intensità.