Respiration, Régulation de

Définition

La régulation de la respiration est le résultat d’une interaction complexe impliquant un système de capteurs, un centre de contrôle respiratoire et un système effecteur pour exécuter ses commandes aux muscles et organes impliqués dans la respiration.

Description

Dans le corps, les cellules obtiennent leur énergie en combinant l’oxygène avec divers nutriments, produisant du dioxyde de carbone comme déchet. Ainsi, ils ont besoin d’un apport constant d’oxygène et doivent également éliminer le dioxyde de carbone. Ceci est accompli par la respiration, également appelée respiration ou ventilation, termes utilisés par les physiologistes pour désigner l’inhalation et l’expiration de l’air.

La respiration est spontanément initiée dans le système nerveux central et est effectuée par le système respiratoire du corps. Le but général de ce système est de permettre au corps d’inhaler l’air contenant de l’oxygène et d’expirer le dioxyde de carbone nocif produit par les réactions métaboliques.

L’air contient 21% d’oxygène en tant que gaz composant. L’air est inhalé dans le corps par la bouche et le nez. Il traverse ensuite la gorge et la boîte vocale (larynx), à travers la trachée (trachée), qui se divise en deux passages d’air principaux menant aux poumons droit et gauche. Les deux passages se divisent à nouveau dans les poumons en branches plus petites (bronches) qui se séparent en branches encore plus petites (bronchioles ou canaux alvéolaires), un peu comme un arbre se ramifie. Ces passages d’air contiennent de petits sacs d’air à leurs extrémités appelés alvéoles. Il y a environ 150 millions d’alvéoles dans les poumons humains. Ils ont des parois très minces qui libèrent l’oxygène dans le sang, recevant en échange son dioxyde de carbone, qui est ensuite expiré hors des poumons par le même chemin menant au nez et à la bouche.

La respiration est un processus automatique déclenché dans une zone complexe du cerveau appelée tronc cérébral, une partie du cerveau qui se connecte à la moelle épinière et à ses nerfs. Le tronc cérébral contient le centre de contrôle respiratoire involontaire. Cela signifie que la respiration est plus une activité réflexe qu’une activité basée sur la volonté, ce qui signifie qu’elle se produit sans que nous ayons à y penser ou à décider qu’elle devrait se produire. La respiration est en fait un réflexe si fort qu’il est très difficile d’arrêter volontairement de respirer pendant un certain temps.

Fonction

Le centre de contrôle respiratoire du tronc cérébral régule la respiration à l’aide de nerfs, de muscles et de capteurs spéciaux appelés chimiorécepteurs. Les chimiorécepteurs sont des cellules spécialisées qui peuvent détecter des substances chimiques dans le corps et transmettre ces informations aux nerfs qui font partie du système nerveux central pour les transmettre au centre de contrôle respiratoire. De cette façon, la respiration est constamment surveillée et ajustée pour maintenir un pH et une pression partielle appropriés de l’oxygène dans le sang artériel, c’est-à-dire le sang provenant du cœur et qui contient les niveaux les plus élevés d’oxygène pour la distribution dans le corps. La régulation de la respiration est un mécanisme de contrôle homéostatique, ce qui signifie qu’elle cherche à maintenir la stabilité de l’environnement interne du corps via des mécanismes de rétroaction négative. Par exemple, des niveaux élevés de dioxyde de carbone dans le corps déclenchent automatiquement une respiration plus rapide et plus profonde, ce qui diminue le niveau de dioxyde de carbone en augmentant l’apport d’oxygène.

Le centre de contrôle respiratoire est la zone centrale de contrôle de la respiration. Il reçoit des informations d’autres parties du corps et produit une réponse coordonnée automatique. La réponse est une réaction qui incite les différents organes et muscles impliqués dans la respiration et situés dans différentes parties du corps à agir ensemble. Il est situé dans la partie inférieure du tronc cérébral, appelée moelle oblongue, une structure en forme de pelle reliée à la moelle épinière. La moelle contient des cellules nerveuses respiratoires spéciales (neurones). Un type sont les neurones inspiratoires, qui sont actifs pendant l’inhalation et inactifs pendant l’expiration. L’autre type sont les neurones expiratoires, qui sont actifs pendant l’expiration et inactifs pendant l’inhalation. Ces deux groupes de neurones génèrent un cycle automatique d’inspiration et d’expiration. Ce cycle automatique peut être modifié ou même temporairement arrêté, en fonction des informations reçues par le centre de contrôle respiratoire d’origines diverses, telles que les réflexes des poumons et des voies respiratoires, les informations des chimiorécepteurs et les commandes d’autres zones du cerveau.

Les principaux centres fournissant les informations requises par le centre de contrôle respiratoire pour réguler la respiration sont les suivants:

• chimiorécepteurs centraux. Les chimiorécepteurs centraux sont situés au bas du quatrième ventricule (région du tronc cérébral) et répondent à l’acidité — ou pH — du liquide céphalo-rachidien (LCR), le liquide qui baigne le cerveau et la moelle épinière. L’acidité de tout fluide est mesurée par le pH; cette valeur est liée au nombre d’ions hydrogène présents dans le fluide. Le pH normal du corps est de 7,4; des valeurs supérieures à celles-ci représentent des conditions alcalines dans le corps, ce qui signifie une quantité plus faible d’ions hydrogène, et des valeurs de pH inférieures à 7,4 représentent des conditions acides, ce qui signifie une quantité plus élevée d’ions hydrogène. Ainsi, lorsque l’acidité du LCR change, les messages envoyés par les chimiorécepteurs centraux au centre de contrôle respiratoire ont alors un effet sur la respiration.
• chimiorécepteurs artériels périphériques. Il existe deux types de chimiorécepteurs périphériques: les corps carotides et les corps aortiques. Ce sont de petits morceaux de tissu contenant des chimiorécepteurs qui répondent aux quantités d’oxygène et de dioxyde de carbone dans le sang artériel. Les corps carotides sont situés là où l’artère carotide commune se divise en deux artères carotides des deux côtés du cou. Les corps aortiques sont situés sur l’aorte, le plus grand vaisseau sanguin du corps, qui part du cœur. Les informations des corps carotides sont transportées le long du neuvième nerf crânien et les informations du corps aortique sont transmises le long du dixième nerf crânien au centre de contrôle respiratoire. On pense que les informations provenant des corps carotidiens affectent la régulation immédiate de la respiration, souffle par souffle, par le centre de contrôle respiratoire.
• Cerveau. La respiration peut également être volontaire, c’est-à-dire influencée par d’autres parties du cerveau, en particulier le cortex cérébral, la partie du cerveau où résident les processus de pensée et sont responsables d’une action volontaire. Nous pouvons tous respirer consciemment plus profondément et plus rapidement (hyperventilation), comme par exemple, avant de commencer un exercice intense. Des émotions fortes peuvent également entraîner une hyperventilation.
• Poumon. Il existe divers récepteurs situés dans le poumon qui peuvent également affecter la respiration. Par exemple, un type de récepteur dans les bronches répond aux substances inhalées irritantes et provoque la toux, la rétention de l’haleine et les éternuements. D’autres récepteurs situés dans les tissus flexibles du poumon et de la paroi thoracique sont sensibles à l’étirement. Le rôle exact joué par ces récepteurs dans la régulation de la respiration n’est pas entièrement compris, mais on pense qu’ils sont responsables de divers réflexes découverts dans des études de laboratoire réalisées sur des animaux. Ce sont des réflexes d’étirement qui se produisent lorsque le poumon et la paroi thoracique sont distendus de manière à empêcher une inhalation ultérieure. De plus, lorsque le volume d’air est faible dans les poumons, il y a des réflexes opposés.

Après avoir reçu des informations, le centre de contrôle respiratoire a besoin d’une voie pour envoyer ses messages réglementaires. Ceci est fait par des nerfs spéciaux, appelés nerfs efférents. Ils quittent le centre de contrôle respiratoire et transmettent la moelle épinière au diaphragme et aux muscles situés entre les côtes (muscles intercostaux) et à d’autres muscles situés dans le cou et utilisés pour respirer. Le diaphragme est un muscle mince en forme de feuille situé au fond de la cavité thoracique sous les poumons et le cœur, et c’est le muscle le plus important impliqué dans la respiration. Lorsqu’une personne inhale, le diaphragme se contracte et se déplace vers le bas, étirant ainsi la cavité qui contient les poumons (thorax ou cavité thoracique), tandis que les muscles intercostaux se contractent et élargissent la cavité thoracique, ce qui entraîne un remplissage d’air des poumons par aspiration. Lorsqu’une personne expire, le diaphragme et les muscles intercostaux se détendent, ce qui diminue la taille de la cavité thoracique et force l’air à sortir des poumons. Pendant la respiration normale, l’inhalation est un processus musculaire actif. L’expiration est passive et repose sur l’élasticité naturelle des tissus pour dégonfler le poumon.

Rôle dans la santé humaine

La respiration est une activité essentielle du corps, nécessaire au maintien de la vie. S’il est arrêté, la mort suit rapidement. Ainsi, la régulation de la respiration est également essentielle, ce qui signifie que toute perturbation de cette fonction affectera la capacité respiratoire du corps, avec des conséquences en fonction de l’étendue de la déficience.

Maladies et troubles courants

Si le taux d’apport en oxygène et d’élimination du dioxyde de carbone n’est pas égalé par l’administration du premier et l’élimination du second, il se produit un déséquilibre pouvant entraîner des anomalies respiratoires associées à des maladies graves telles que la pneumonie (inflammation des poumons), l’emphysème (accumulation excessive et anormale d’air dans les poumons résultant d’une réduction de la surface des membranes pulmonaires), l’insuffisance cardiaque, l’anémie (manque de globules rouges dans le sang, entraînant une insuffisance d’oxygène) et l’asthme (rétrécissement des bronches). Les conditions suivantes sont le résultat de tels déséquilibres:

• Hypoxie. Aussi connu sous le nom d’anoxie. Il signifie « sans oxygène » et est utilisé pour décrire une condition d’apport insuffisant d’oxygène aux cellules du corps.

TERMES CLÉS

Acidité – Désigne un composé acide ou acide. Lorsqu’ils sont dissous dans l’eau, les acides produisent des ions hydrogène.

Tronc cérébral – Partie la plus basse du cerveau qui se connecte à la moelle épinière. C’est un centre neuronal compliqué avec plusieurs voies neuronales entre le cerveau, la moelle épinière, le cervelet et les fonctions motrices et sensorielles de la tête et du cou. Il se compose de la moelle oblongue, la partie responsable du contrôle cardiaque et respiratoire, du mésencéphale, qui est impliqué dans les fonctions corporelles de base involontaires, et des pons, d’où proviennent certains nerfs crâniens.

Bronches – Passages d’air dans les poumons.

Système nerveux central (SNC) – Chez l’homme, le SNC se compose du cerveau, des nerfs crâniens et de la moelle épinière.

Liquide céphalo-rachidien —LCR) – Un liquide clair qui contient de petites quantités de sucre (glucose) et de protéines. Le LCR remplit le cerveau et le canal central de la moelle épinière et son pH normal est de 7,4. Tout changement par rapport à cette valeur est détecté par les chimiorécepteurs.

Chimiorécepteurs – Cellules spécialisées capables de détecter des substances chimiques dans le corps et de transmettre ces informations au système nerveux central. Les substances détectées peuvent être externes, par exemple lorsqu’un individu sent ou goûte quelque chose ou elles peuvent être internes, telles que l’oxygène ou le dioxyde de carbone présent dans le sang.

Nerf crânien – Chez l’homme, il existe 12 nerfs crâniens. Ils sont connectés au tronc cérébral et contrôlent essentiellement la tête et aident à réguler les organes des cavités thoraciques et abdominales.

Diaphragme — Muscle mince en forme de feuille situé sous les poumons et le cœur au fond de la cavité thoracique et qui le sépare de l’abdomen. Le diaphragme est un muscle respiratoire, il permet à l’air d’entrer et de sortir des poumons en se déplaçant de haut en bas. Lorsque le diaphragme descend, une personne respire. Lorsque le diaphragme monte, la personne respire.

Homéostasie – Stabilité de l’environnement interne du corps, obtenue par un système de systèmes de contrôle intégrés activés par des systèmes de rétroaction. Par exemple, des niveaux élevés de dioxyde de carbone dans le LCR déclenchent une ventilation plus forte dans les poumons, ce qui diminue le niveau de dioxyde de carbone en augmentant l’apport d’oxygène.

Activité involontaire – Activité qui n’est pas sous l’influence ou le contrôle de la volonté.

Poumons – Grande paire d’organes respiratoires ou respiratoires situés dans la poitrine. Les poumons apportent l’oxygène présent dans l’air inhalé dans le sang et éliminent le dioxyde de carbone toxique du sang.

Métabolisme – La somme de tous les processus physiques et biochimiques qui se produisent dans le corps pour produire ce qui est nécessaire pour maintenir la vie. Cela inclut la transformation des nutriments en énergie et l’utilisation de l’énergie par le corps.

Chimiorécepteurs périphériques — chimiorécepteurs non situés dans le tronc cérébral. Il en existe deux types: les corps aortiques situés dans l’aorte, la plus grande artère du corps et les corps carotides situés dans les artères carotides qui passent de chaque côté du cou, transportant du sang oxygéné de l’aorte au cerveau.

pH – Mesure de l’acidité d’une solution ou de sa concentration en ions hydrogène. Dans le corps humain, la solution peut être le sang ou le LCR. Le pH normal des fluides corporels est de 7,4.

Réflexe – Action ou mouvement du corps qui est la somme de l’activité involontaire.

Respiration – Chez l’homme, la respiration, c’est-à-dire l’inhalation d’air contenant de l’oxygène et l’expiration d’air contenant du dioxyde de carbone. Il peut également faire référence à l’échange d’oxygène et de dioxyde de carbone dans le sang. Le terme respiration a encore un autre sens en biochimie, où il fait référence aux réactions chimiques complexes qui se produisent dans le corps, appelées réactions d’oxydation, par lesquelles des substances chimiques transfèrent des électrons et convertissent l’énergie en formes nécessaires au maintien de la vie.

Système respiratoire — Les organes impliqués dans la respiration: le nez, la gorge, le larynx, la trachée, les bronches et les poumons.

Trachée – La trachée, un tube fait de fibres et de cartilage qui relie la boîte vocale (larynx) aux bronches.

Ventilation – Air entrant dans une sortie du corps. La ventilation pulmonaire se réfère à l’échange d’air entre les poumons et l’air ambiant et la ventilation des alvéoles se réfère à l’échange d’oxygène et de dioxyde de carbone avec le sang.

• Hypoxie hypoxique. Cette condition est caractérisée par un apport insuffisant d’oxygène au sang artériel et une pression partielle anormalement basse d’oxygène dans les artères. La cyanose (bleuissement de la peau et des membranes) est un symptôme majeur, dû à des taux plus faibles d’hémoglobine, la protéine qui transporte l’oxygène dans le sang.
• Hypoxie stagnante. Il s’agit d’un échec du transport de l’oxygène vers les tissus et est dû à un flux sanguin lent, comme cela peut se produire avec une insuffisance cardiaque.
• Hypoxie anémique. Dans l’hypoxie anémique, la pression partielle d’oxygène dans les artères est normale, mais la teneur en oxygène du sang artériel est inférieure à la normale.
• Hypercapnie. Cela signifie un excès de dioxyde de carbone.
• Acidose. Augmentation de la quantité d’ion hydrogène (acidité) dans le sang et le LCR, entraînant une acidose respiratoire. Cela se produit lorsque les poumons ne ventilent pas correctement et entraîne des quantités excessives de dioxyde de carbone dans le sang. Il a été démontré que les carotides non fonctionnelles provoquent une acidose.
• Alcalose. Perte d’ion hydrogène dans le sang et le LCR, entraînant une alcalose respiratoire, ce qui signifie une perte excessive de dioxyde de carbone du corps. Un LCR alcalin inhibe le centre de contrôle respiratoire.

Ressources

LIVRES

Adams, Francis V. The Breathing Disorders Sourcebook. Verulam Publishing Ltd, 1999.

Albert, R. K. et coll., dir. Médecine Respiratoire Complète. Saint-Louis : Mosby, 1999.

Murray, J. F. Manuel de médecine respiratoire. St. Louis : WB Saunders, Harcourt, 2000.

PÉRIODIQUES

Zwillich, C.W. « Le contrôle de la respiration dans la pratique clinique. »Coffre 117 (janvier 2000): 205-225.

AUTRE

Association pulmonaire américaine. 1740 Broadway New York, NY 10019. (212) 315-8700. <http://www.lungusa.org> .

Monique Laberge, Ph.D.