Рефлекс Геринга-Брейера или спонтанное дыхание (физиология, регуляция, функция, клиническое значение)

Вступление

Спонтанные дыхательные движения является одним из наиболее важных эволюционных качеств в существовании млекопитающих, а нейроциркуляция и физиология, лежащие в основе человеческого дыхательного движения, сложны.
Хотя мотивация вдыхать кислород, безусловно, очевидна, существует также соображение, что чрезмерное расширение легких с помощью инспираторного привода может быть вредным и поэтому требует контроля и торможения.
Среди этих взаимодействий наиболее широко признанное описание такого рефлексивного контроля дыхания было впервые концептуализировано Эвальдом Герингом и Джозефом Брейером в 1868 году, которые проиллюстрировали, что устойчивая инфляция легких запускает рефлексивный выдох, чтобы предотвратить повреждение легких, связанное с чрезмерной инфляцией.

Физиология спонтанного дыхания: Рефлекс Геринга - Брейера

С момента своего открытия рефлекс Геринга-Брейера (HBR) был тщательно исследован в области физиологии и патологии и последовательно идентичен другим видам млекопитающих. Как таковой, он является важным механизмом для контроля дыхания и защиты у животных, обеспечивая регуляцию, зависящую от объема. Интересно, что первоначально считалось, что этот рефлекс не влияет на дыхание при конечных вдыхательных объемах у взрослых людей. Однако с тех пор появились данные, свидетельствующие о том, что этот рефлекс может быть выявлен у взрослых, причем наиболее легко при прекращении движения грудной стенки. Кроме того, хотя этот рефлекс присутствует и (в некоторых случаях) обнаруживается у взрослых людей, при обычных обстоятельствах объем, необходимый для активации рефлекса Геринга - Брейера, превышает физиологические приливные объемы и поэтому считается необнаруживаемым. Одним из интересных предостережений является рассмотрение того, как температура влияет на соотношение между объемом легких и длительностью вдоха, которое до сих пор наблюдается у взрослых. С повышением температуры порог (максимальный объем) для прекращения вдоха достигается раньше, тем самым влияя на приливный объем и дыхательный тонус.

Хотя взрослые демонстрировали пониженную способность иллюстрировать рефлекс Геринга и Брейера, он гораздо более заметен среди недоношенных младенцев и новорожденных. Кроме того, рефлекс Геринга-Брейера может играть жизненно важную функцию , поскольку есть предположения, что он играет определенную роль в контроле объема легких в раннем возрасте. Кроме того, аномальное развитие этих блуждающих путей может способствовать возникновению ряда нарушений дыхания в младенчестве (см. раздел "клиническое значение").

Здесь мы обсуждаем физиологический механизм, лежащий в основе рефлекса Херина-Брейера, задействованные нервные цепи, его роль в развитии человека, а также клинические и патологические последствия, связанные с нарушением функционирования этой системы.

Развитие

С момента своего открытия рефлекса Геринга - Брейера считается основной регуляторной обратной связью для стимуляции и поддержания ритмичной дыхательной активности. Таким образом, рефлекс Геринга является важным механизмом контроля дыхания, особенно у новорожденных. У младенцев этот рефлекс особенно заметен и может быть вызван кратковременным перекрытием дыхательных путей в конце вдоха. Было показано, что рефлекс Геринга - Брейера уменьшается с возрастом и может быть вызван только при объемах легких, значительно превышающих приливный диапазон. На самом деле рефлекс спонтанного дыхания не влияет на дыхательный паттерн до тех пор, пока не достигнет высокого объема легких (и, следовательно, недостижим при спокойном дыхании. Это уменьшенное влияние рефлекса Геринга - Брейера на дыхательные паттерны, по-видимому, связано с постнатальным привыканием к рефлексу спонтанного дыхания.

Несмотря на это физиологическое изменение и уменьшенную потребность в рефлексе Геринга - Брейера для установления дыхательного ритма, рефлекс спонтанного дыхания все еще сохраняет важную функциональность среди молодых и взрослых животных. Прежде всего, сенсорная обратная связь относительно приливного объема и расширения легких, по-видимому, ответственна за изменение паттернов дыхания, вторичных по отношению к поведенческим и эмоциональным стрессорам (таким как длительная вокализация или резкие физические упражнения).

Функция спонтанного дыхания (активизация и роль рефлекса Геринга - Брейера)

При рассмотрении вопроса о выживании и эволюции млекопитающих первостепенное значение имеет мотивация к стимуляции вдоха; однако необходимо учитывать, что много вдохов также может быть вредным. Поэтому этот баланс требует тщательного контроля. Рефлекс Геринга-Брейера выполняет эту функцию. Эта функция особенно полезна у взрослых. Кроме того, у младенцев и новорожденных есть отдельная потребность в рефлексе Геринга Брейера в форме поддержания ритмичного ритма дыхания. (Более подробно обсуждается в разделе клиническое значение).

Механизм спонтанного дыхания

Неврологический механизм, лежащий в основе рефлекса Геринга Брейера, сложен и является ярким примером тормозной обратной связи. У взрослых людей рефлекс начинается с продолжительного вдоха, значительно превышающего эупнейский приливный объем. Это грудное расширение впоследствии и постепенно активируется, медленно адаптируя легочные рецепторы растяжения. Эти рецепторы передают сигнал через блуждающий нерв (дыхание за дыханием) к "насосным " клеткам, расположенным в вентролатеральном ядре солитарного тракта. Эти насосные клетки получают эти вагусные входы и проецируют информацию на медуллярные постинспираторные нейроны. Эти нейроны впоследствии проецируют тормозные сигналы обратно к инспираторным нейронам вдоль боковой части дыхательного столба, тем самым прекращая вдох и начиная длительный выдох.

Тестирование функции спонтанного дыхания

Несмотря на клиническое значение рефлекса Геринга Брейера (особенно в отношении обструктивного апноэ сна и травматической связанной с ним ваготомии), на сегодняшний день существует ограниченное количество исследований относительно возможного диагностического тестирования для оценки его жизнеспособности in vivo.

Клиническое значение оценки рефлекса Геринга - Брейера

Некоторые несколько состояний и синдромов имеют отношение к рефлексу Геринга Брейера. Во-первых, понимание нейронной схемы и взаимодействия между механорецепторными рефлексами дыхательных путей было широко изучено в прошлом из-за их клинической значимости в поддержании защиты дыхательных путей и двигательного тонуса верхних дыхательных путей одно потенциальное клиническое обстоятельство включает сон и возможную дисрегуляцию у пациентов, страдающих обструктивным апноэ сна. Во-вторых, как обсуждалось ранее, петля свонтанного дыхания поддерживает стабилизацию дыхательного паттерна у новорожденных и даже у недоношенных детей. По мере взросления младенцев происходит постепенное привыкание, и порог для стимуляции рефлекса Геринга - Брейера увеличивается. У взрослых людей порог рефлекса значительно выше приливного объема, что снижает глобальное влияние функцию спонтанного дыхания.

В некоторых случаях ослабление обработки привыкания (а также десенсибилизация понтинового ввода) рефлекса Геринга - Брейера очевидно и может быть защитным. Например, в случае синдрома Ретта животные модели мышей с дефицитом MECP2 приводят к преувеличенной постинспираторной активации в блуждающем нерве, что может способствовать чрезмерной инфляции легких. Таким образом, вполне вероятно, что отсутствие привыкания к HBR в таких случаях может способствовать нестабильности дыхательного паттерна из-за конкуренции за сенсорную и центральную нервную сигнализацию. Еще одним клиническим обстоятельством в отношении HBR является полное устранение обратной связи (через уменьшенную стимуляцию блуждающего нерва или ваготомию). Исследования показали, что такое явление приводит к снижению дыхательного ритма при одновременном увеличении амплитуды вдоха и удлинении продолжительности выдоха. Такое событие не является исключительным для случая двусторонней денервации, как в случае односторонней ваготомии. Здесь оба легких реагируют изменением дыхательных паттернов, отражая замедление и углубление дыхательных движений.

Авторы: Вадхан Джей, Тади П.

Литература по спонтанному дыханию и рефлексу Геринга и Брейера

Miyazaki M, Arata A, Tanaka I, Ezure K. Activity of rat pump neurons is modulated with central respiratory rhythm. Neurosci. Lett. 1998 Jun 12;249(1):61-4.
WIDDICOMBE JG. Respiratory reflexes in man and other mammalian species. Clin Sci. 1961 Oct;21:163-70.
Grunstein MM, Younes M, Milic-EmiliJ. Control of tidal volume and respiratory frequency in anesthetized cats. J Appl Physiol. 1973 Oct;35(4):463-76.
Clark FJ, von Euler C. On the regulation of depth and rate of breathing. J. Physiol. (Lond.). 1972 Apr;222(2):267-95.
BuSha BF, Judd BG, Manning HL, Simon PM, Searle BC, Daubenspeck JA, Leiter JC. Identification of respiratory vagal feedback in awake normal subjects using pseudorandom unloading. J. Appl. Physiol. 2001 Jun;90(6):2330-40.
BuSha BF, Stella MH, Manning HL, Leiter JC. Termination of inspiration by phase-dependent respiratory vagal feedback in awake normal humans. J. Appl. Physiol. 2002 Sep;93(3):903-10.
Hamilton RD, Winning AJ, Horner RL, Guz A. The effect of lung inflation on breathing in man during wakefulness and sleep. Respir Physiol. 1988 Aug;73(2):145-54.
Bradley GW, von Euler C, Marttila I, Roos B. Steady state effects of CO-2 and temperature on the relationship between lung volume and inspiratory duration (Hering-Breuer threshold curve). Acta Physiol. Scand. 1974 Nov;92(3):351-63.
Trippenbach T. Pulmonary reflexes and control of breathing during development. Biol. Neonate. 1994;65(3-4):205-10.
CROSS KW, KLAUS M, TOOLEY WH, WEISSER K. The response of the new-born baby to inflation of the lungs. J. Physiol. (Lond.). 1960 Jun;151:551-65.
Rabbette PS, Costeloe KL, Stocks J. Persistence of the Hering-Breuer reflex beyond the neonatal period. J. Appl. Physiol. 1991 Aug;71(2):474-80.
Rabbette PS, Fletcher ME, Dezateux CA, Soriano-Brucher H, Stocks J. Hering-Breuer reflex and respiratory system compliance in the first year of life: a longitudinal study. J. Appl. Physiol. 1994 Feb;76(2):650-6.
Bechbache RR, Chow HH, Duffin J, Orsini EC. The effects of hypercapnia, hypoxia, exercise and anxiety on the pattern of breathing in man. J. Physiol. (Lond.). 1979 Aug;293:285-300.
Cunningham DJ, Gardner WN. A quantitative description of the pattern of breathing during steady-state CO2 inhalation in man, with special emphasis on expiration. J. Physiol. (Lond.). 1977 Nov;272(3):613-32.
Duffin J, Mohan RM, Vasiliou P, Stephenson R, Mahamed S. A model of the chemoreflex control of breathing in humans: model parameters measurement. Respir Physiol. 2000 Mar;120(1):13-26.
Dutschmann M, Bautista TG, Mörschel M, Dick TE. Learning to breathe: habituation of Hering-Breuer inflation reflex emerges with postnatal brainstem maturation. Respir Physiol Neurobiol. 2014 May 01;195:44-9.
Hand IL, Noble L, Wilks M, Towler E, Kim M, Yoon JJ. Hering-Breuer reflex and sleep state in the preterm infant. Pediatr. Pulmonol. 2004 Jan;37(1):61-4.
Berger AJ, Dick TE. Connectivity of slowly adapting pulmonary stretch receptors with dorsal medullary respiratory neurons. J. Neurophysiol. 1987 Dec;58(6):1259-74.
Bonham AC, McCrimmon DR. Neurones in a discrete region of the nucleus tractus solitarius are required for the Breuer-Hering reflex in rat. J. Physiol. (Lond.). 1990 Aug;427:261-80.
Bonham AC, Coles SK, McCrimmon DR. Pulmonary stretch receptor afferents activate excitatory amino acid receptors in the nucleus tractus solitarii in rats. J. Physiol. (Lond.). 1993 May;464:725-45.
Miyazaki M, Tanaka I, Ezure K. Excitatory and inhibitory synaptic inputs shape the discharge pattern of pump neurons of the nucleus tractus solitarii in the rat. Exp Brain Res. 1999 Nov;129(2):191-200.
Berger AJ. Dorsal respiratory group neurons in the medulla of cat: spinal projections, responses to lung inflation and superior laryngeal nerve stimulation. Brain Res. 1977 Oct 28;135(2):231-54.
Ezure K, Tanaka I. GABA, in some cases together with glycine,is used as the inhibitory transmitter by pump cells in the Hering-Breuer reflex pathway of the rat. Neuroscience. 2004;127(2):409-17.
von Euler C. The contribution of sensory inputs to the pattern generation of breathing. Can. J. Physiol. Pharmacol. 1981 Jul;59(7):700-6.
Bianchi AL, Denavit-Saubié M, Champagnat J. Central control of breathing in mammals: neuronal circuitry, membrane properties, and neurotransmitters. Physiol. Rev. 1995 Jan;75(1):1-45.
Kubin L, Alheid GF, Zuperku EJ, McCrimmon DR. Central pathways of pulmonary and lower airway vagal afferents. J. Appl. Physiol. 2006 Aug;101(2):618-27.
Wang J, Wang Y, Feng J, Chen BY, Cao J. Complex sleep apnea syndrome. Patient Prefer Adherence. 2013;7:633-41.
Siniaia MS, Young DL, Poon CS. Habituation and desensitization of the Hering-Breuer reflex in rat. J. Physiol. (Lond.). 2000 Mar 01;523 Pt 2:479-91.
Dhingra RR, Zhu Y, Jacono FJ, Katz DM, Galán RF, Dick TE. Decreased Hering-Breuer input-output entrainment in a mouse model of Rett syndrome. Front Neural Circuits. 2013;7:42.
Moore RL. A STUDY OF THE HERING-BREUER REFLEX. J. Exp. Med. 1927 Oct 31;46(5):819-37.

^Наверх