Respirazione, Regolazione di

Definizione

La regolazione della respirazione è il risultato di una complessa interazione che coinvolge un sistema di sensori, un centro di controllo respiratorio e un sistema effettuatore per eseguire i suoi comandi ai muscoli e agli organi coinvolti nella respirazione.

Descrizione

Nel corpo, le cellule ottengono la loro energia combinando l’ossigeno con vari nutrienti, producendo anidride carbonica come prodotto di scarto. Pertanto, hanno bisogno di un apporto costante di ossigeno e devono anche rimuovere l’anidride carbonica. Ciò si ottiene respirando, noto anche come respirazione o ventilazione, termini usati dai fisiologi per indicare l’inalazione e l’espirazione dell’aria.

La respirazione viene avviata spontaneamente nel sistema nervoso centrale e viene eseguita dal sistema respiratorio del corpo. Lo scopo generale di questo sistema è quello di consentire al corpo di inalare l’aria contenente ossigeno e di espirare l’anidride carbonica dannosa prodotta dalle reazioni metaboliche.

L’aria contiene il 21% di ossigeno come gas componente. L’aria viene inalata nel corpo attraverso la bocca e il naso. Quindi viaggia oltre la gola e la casella vocale (laringe), attraverso la trachea (trachea), che si divide in due passaggi d’aria principali che portano ai polmoni destro e sinistro . I due passaggi si dividono nuovamente nei polmoni in rami più piccoli (bronchi) che si separano in quelli ancora più piccoli (bronchioli o dotti alveolari) proprio come un albero si dirama. Questi passaggi d’aria contengono piccole sacche d’aria alle loro estremità chiamate alveoli. Ci sono circa 150 milioni di alveoli nei polmoni umani. Hanno pareti molto sottili che rilasciano l’ossigeno nel sangue , ricevendo in cambio la sua anidride carbonica, che viene poi espirata dai polmoni attraverso lo stesso percorso che porta al naso e alla bocca.

La respirazione è un processo automatico attivato in un’area complessa del cervello chiamata tronco cerebrale, una parte del cervello che si collega con il midollo spinale e i suoi nervi. Il tronco cerebrale contiene il centro di controllo respiratorio involontario. Ciò significa che la respirazione è più un’attività riflessa che un’attività basata sulla volontà, il che significa che accade senza che dobbiamo pensarci o decidere che dovrebbe accadere. La respirazione è infatti un riflesso così forte che è molto difficile smettere volontariamente di respirare per un certo periodo di tempo.

Funzione

Il centro di controllo respiratorio del tronco cerebrale regola la respirazione con l’aiuto di nervi, muscoli e sensori speciali chiamati chemocettori. I chemocettori sono cellule specializzate in grado di rilevare sostanze chimiche nel corpo e trasmettere tali informazioni ai nervi che fanno parte del sistema nervoso centrale per il relè al centro di controllo respiratorio. In questo modo, la respirazione viene costantemente monitorata e regolata per mantenere il pH appropriato e la pressione parziale dell’ossigeno nel sangue arterioso, cioè il sangue proveniente dal cuore e che contiene i più alti livelli di ossigeno per la distribuzione nel corpo. La regolazione della respirazione è un meccanismo di controllo omeostatico, il che significa che cerca di mantenere la stabilità dell’ambiente interno del corpo attraverso meccanismi di feedback negativo. Ad esempio, alti livelli di anidride carbonica nel corpo attivano automaticamente una respirazione più rapida e profonda, che a sua volta diminuisce il livello di anidride carbonica aumentando l’assunzione di ossigeno.

Il centro di controllo respiratorio è l’area di controllo centrale per la respirazione. Riceve informazioni da altre parti del corpo e produce una risposta coordinata automatica. La risposta è una reazione che innesca i vari organi e muscoli coinvolti nella respirazione e situati in diverse parti del corpo per agire insieme. Si trova nella parte inferiore del tronco cerebrale, chiamato midollo allungato, una struttura a forma di scoop collegata al midollo spinale. Il midollo contiene speciali cellule nervose respiratorie (neuroni). Un tipo sono i neuroni inspiratori, che sono attivi durante l’inalazione e inattivi durante l’espirazione. L’altro tipo sono i neuroni espiratori, che sono attivi durante l’espirazione e inattivi durante l’inalazione. Questi due gruppi di neuroni generano un ciclo automatico di inspirazione ed espirazione. Questo ciclo automatico può essere modificato o anche temporaneamente interrotto, a seconda delle informazioni ricevute dal centro di controllo respiratorio da una varietà di origini, come i riflessi dai polmoni e dalle vie aeree, le informazioni dai chemocettori e i comandi da altre aree del cervello.

I principali centri che forniscono le informazioni richieste dal centro di controllo respiratorio per regolare la respirazione sono i seguenti:

• Chemocettori centrali. I chemocettori centrali si trovano nella parte inferiore del quarto ventricolo (regione del tronco cerebrale) e rispondono all’acidità—o pH—del liquido cerebrospinale (CSF), il fluido che bagna il cervello e il midollo spinale. L’acidità di qualsiasi fluido è misurata dal pH; questo valore è correlato al numero di ioni idrogeno presenti nel fluido. Il pH normale del corpo è 7.4; valori superiori a questo rappresentano condizioni alcaline nel corpo, che significa una quantità inferiore di ioni idrogeno, e valori di pH inferiore a7.4 rappresentano condizioni acide, che significa una maggiore quantità di ioni idrogeno. Pertanto, quando l’acidità del CSF cambia, i messaggi inviati dai chemocettori centrali al centro di controllo respiratorio hanno quindi un effetto sulla respirazione.
• Chemorecettori arteriosi periferici. Esistono due tipi di chemorecettori periferici: i corpi carotidei e i corpi aortici. Sono piccoli pezzi di tessuto contenenti chemocettori che rispondono alle quantità di ossigeno e anidride carbonica nel sangue arterioso. I corpi carotidei si trovano dove l’arteria carotide comune si divide nelle due arterie carotidi su entrambi i lati del collo. I corpi aortici si trovano sull’aorta, il più grande vaso sanguigno del corpo, che parte dal cuore. Le informazioni dai corpi carotidei vengono trasportate lungo il nono nervo cranico e le informazioni dal corpo aortico vengono trasmesse lungo il decimo nervo cranico al centro di controllo respiratorio. Si ritiene che le informazioni provenienti dai corpi carotidei influenzino la regolazione immediata della respirazione, respiro dopo respiro, da parte del centro di controllo respiratorio.
• Cervello. La respirazione può anche essere volontaria, che è influenzata da altre parti del cervello, in particolare la corteccia cerebrale, la parte del cervello in cui risiedono i processi di pensiero e sono responsabili dell’azione volontaria. Tutti possiamo respirare consapevolmente più profondamente e più rapidamente (iperventilazione), come ad esempio, prima di iniziare un esercizio pesante . Forti emozioni possono anche provocare iperventilazione.
• Polmone. Ci sono vari recettori situati nel polmone che possono anche influenzare la respirazione. Ad esempio, un tipo di recettore nei bronchi risponde a sostanze irritanti inalate e causa tosse, trattenuta del respiro e starnuti. Altri recettori situati nei tessuti flessibili del polmone e della parete toracica sono sensibili all’allungamento. Il ruolo esatto svolto da questi recettori nella regolazione della respirazione non è completamente compreso, ma si pensa che siano responsabili di vari riflessi che sono stati scoperti in studi di laboratorio eseguiti su animali. Questi sono riflessi di stiramento che si verificano quando il polmone e la parete toracica sono dilatati in modo da prevenire ulteriori inalazioni. Inoltre, quando il volume d’aria è basso nei polmoni, allora ci sono riflessi opposti.

Dopo aver ricevuto informazioni, il centro di controllo respiratorio ha bisogno di un percorso per inviare i suoi messaggi normativi. Questo è fatto da nervi speciali, chiamati nervi efferenti. Lasciano il centro di controllo respiratorio e passano il midollo spinale al diaframma e ai muscoli situati tra le costole (muscoli intercostali) e ad altri muscoli situati nel collo e utilizzati per respirare. Il diaframma è un muscolo sottile e simile a un foglio situato nella parte inferiore della cavità toracica sotto i polmoni e il cuore, ed è il muscolo più importante coinvolto nella respirazione. Quando una persona inala, il diaframma si contrae e si muove verso il basso, allungando così la cavità che contiene i polmoni (torace o cavità toracica), mentre i muscoli intercostali si contraggono e allargano la cavità toracica, il che si traduce in aria che riempie i polmoni attraverso l’aspirazione. Quando una persona espira, il diaframma e i muscoli intercostali si rilassano, il che diminuisce le dimensioni della cavità toracica e costringe l’aria fuori dai polmoni. Durante la respirazione normale, l’inalazione è un processo muscolare attivo. L’espirazione è passiva e si basa sull’elasticità naturale dei tessuti per sgonfiare il polmone.

Ruolo nella salute umana

La respirazione è un’attività essenziale del corpo, necessaria per mantenere la vita. Se viene fermato, la morte segue rapidamente. Pertanto, anche la regolazione della respirazione è essenziale, il che significa che qualsiasi interruzione di questa funzione influenzerà la capacità respiratoria del corpo, con conseguenze a seconda dell’entità della compromissione.

Comune di malattie e disturbi

Se il tasso di consumo di ossigeno e di anidride carbonica eliminazione non corrisponde con la consegna della prima e la rimozione del secondo, si verifica uno squilibrio che può causare anomalie respiratorie associate a malattie gravi come la polmonite (infiammazione dei polmoni), enfisema (eccessiva e anormale accumulo di aria nei polmoni derivanti da una riduzione dell’area del polmone membrane), insufficienza cardiaca , anemia (mancanza di globuli rossi nel sangue, con conseguente carenza di ossigeno), asma (restringimento dei bronchi). Le seguenti condizioni sono il risultato di tali squilibri:

• Ipossia. Conosciuto anche come anossia. Significa “senza ossigeno” ed è usato per descrivere una condizione di ossigeno insufficiente fornito alle cellule del corpo.

TERMINI CHIAVE

Acidità-Si riferisce a un composto che è acido o acido. Quando disciolti in acqua, gli acidi producono ioni idrogeno.

Tronco cerebrale —Parte più bassa del cervello che si collega con il midollo spinale. È un complicato centro neurale con diversi percorsi neuronali tra il cervello, il midollo spinale, il cervelletto e le funzioni motorie e sensoriali della testa e del collo. Consiste del midollo allungato, la parte responsabile del controllo cardiaco e respiratorio, il mesencefalo, che è coinvolto nelle funzioni corporee involontarie di base, e il pons, dove hanno origine alcuni nervi cranici.

Bronchi-Passaggi d’aria nei polmoni.

Sistema nervoso centrale (SNC) – Nell’uomo, il SNC è costituito dal cervello, dai nervi cranici e dal midollo spinale.

Liquido cerebrospinale (CSF) – Un liquido trasparente che contiene piccole quantità di zucchero (glucosio) e proteine. Il CSF riempie il cervello e il canale centrale del midollo spinale e il suo pH normale è 7.4. Qualsiasi cambiamento da questo valore viene rilevato dai chemorecettori.

Chemocettori-Cellule specializzate in grado di rilevare sostanze chimiche nel corpo e trasmettere tali informazioni al sistema nervoso centrale. Le sostanze rilevate possono essere esterne, come quando un individuo odora o assaggia qualcosa o possono essere interne, come l’ossigeno o l’anidride carbonica presenti nel sangue.

Nervo cranico-Nell’uomo ci sono 12 nervi cranici. Sono collegati al tronco cerebrale e fondamentalmente controllano la testa e aiutano a regolare gli organi delle cavità toracica e addominale.

Diaframma-Sottile, muscolo simile a un foglio situato sotto i polmoni e il cuore nella parte inferiore della cavità toracica e che lo separa dall’addome. Il diaframma è un muscolo respiratorio, permette all’aria di entrare e uscire dai polmoni muovendosi su e giù. Quando il diaframma si abbassa, una persona respira. Quando il diaframma si alza, la persona espira.

Omeostasi —Stabilità dell’ambiente interno del corpo, ottenuta da un sistema di sistemi di controllo integrati attivati da sistemi di feedback. Ad esempio, alti livelli di anidride carbonica nel CSF innesca una ventilazione più forte nei polmoni che a sua volta diminuisce il livello di anidride carbonica aumentando l’assunzione di ossigeno.

Attività involontaria-Attività che non è sotto l’influenza o il controllo della volontà.

Polmoni-Grande coppia di organi respiratori o respiratori situati nel petto. I polmoni portano l’ossigeno presente nell’aria inalata nel sangue e rimuovono l’anidride carbonica tossica dal sangue.

Metabolismo-La somma di tutti i processi fisici e biochimici che si verificano nel corpo per produrre ciò che è necessario per mantenere la vita. Ciò include la trasformazione dei nutrienti in energia e l’uso di energia da parte del corpo.

Chemorecettori periferici-Chemorecettori non situati nel tronco cerebrale. Ci sono due tipi: i corpi aortici situati nell’aorta, la più grande arteria del corpo e i corpi carotidei situati nelle arterie carotidi che passano su entrambi i lati del collo, trasportando sangue ossigenato dall’aorta al cervello.

pH-Una misura dell’acidità di una soluzione o della sua concentrazione di ioni idrogeno. Nel corpo umano, la soluzione può essere il sangue o il liquido cerebrospinale. Il pH normale dei fluidi corporei è 7.4.

Reflex-Azione o movimento del corpo che è la somma di attività involontaria.

Respirazione-Nell’uomo, respirazione, che significa l’inalazione di aria contenente ossigeno e l’espirazione di aria contenente anidride carbonica. Può anche riferirsi allo scambio di ossigeno e anidride carbonica nel sangue. Il termine respirazione ha ancora un altro significato in biochimica, dove si riferisce alle complesse reazioni chimiche che si verificano nel corpo, chiamate reazioni di ossidazione, mediante le quali le sostanze chimiche trasferiscono elettroni e convertono l’energia in forme necessarie per mantenere la vita.

Sistema respiratorio-Gli organi che sono coinvolti nella respirazione: il naso, la gola, la laringe, la trachea, i bronchi e i polmoni.

Trachea-La trachea, un tubo fatto di fibra e cartilagine che collega la casella vocale (laringe) ai bronchi.

Ventilazione-Aria che entra in uscita dal corpo. La ventilazione polmonare si riferisce allo scambio di aria tra i polmoni e l’aria ambiente e la ventilazione degli alveoli si riferisce allo scambio di ossigeno e anidride carbonica con il sangue.

• Ipossia ipossica. Questa condizione è caratterizzata da un apporto inadeguato di ossigeno al sangue arterioso e da una pressione parziale anormalmente bassa di ossigeno nelle arterie. Cianosi (blueness della pelle e delle membrane) è un sintomo importante, a causa di bassi livelli di emoglobina, la proteina che trasporta l’ossigeno nel sangue.
• Ipossia stagnante. Questo è il mancato trasporto di ossigeno ai tessuti ed è dovuto a un lento flusso sanguigno, come può verificarsi con insufficienza cardiaca.
• Ipossia anemica. Nell’ipossia anemica, la pressione parziale dell’ossigeno nelle arterie è normale, ma il contenuto di ossigeno del sangue arterioso è inferiore al normale.
• Ipercapnia. Ciò significa un eccesso di anidride carbonica.
• Acidosi. Aumento della quantità di ioni idrogeno (acidità) nel sangue e nel liquido cerebrospinale, con conseguente acidosi respiratoria. Si verifica quando i polmoni non stanno ventilando correttamente e si traduce in quantità eccessive di anidride carbonica nel sangue. È stato dimostrato che i corpi carotidei non funzionali causano acidosi.
• Alcalosi. Perdita di ioni idrogeno nel sangue e nel liquido cerebrospinale, con conseguente alcalosi respiratoria, che significa eccessiva perdita di anidride carbonica dal corpo. Un CSF alcalino inibisce il centro di controllo respiratorio.

Risorse

LIBRI

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

Albert, R. K. et al, eds. Medicina respiratoria completa. St. Louis: Mosby, 1999.

Murray, J. F. Libro di testo di medicina respiratoria. St. Louis: WB Saunders, Harcourt, 2000.

PERIODICI

Zwillich, C. W. ” Il controllo della respirazione nella pratica clinica.”Chest 117 (gennaio 2000): 205-225.

ALTRO

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

Monique Laberge, Ph. D.