Hệ thần kinh có vai trò điều chỉnh cường độ thông khí phế nang để đáp ứng nhu cầu cơ thể từng lúc, sao cho dù khi vận cơ nặng hoặc gặp những thách thức lớn đòi hổi đáp ứng hô hấp, thì phân áp các khí hộ hấp trong máu động mạch, như oxy (PСО₂) carbon dioxid (PCO₂) cũng chỉ thay đổi đôi chút thôi. Các yếu tố hoá học, thông qua đường thể dịch, có tham gia một số khâu của quá trình điều hoà hô hấp nhưng không tác dụng trực tiếp lên các cơ hô hấp, lên bộ máy hô hấp (phổi), mà chủ yếu là thông qua các nơron của trung tâm thần kinh hô hấp, mà làm thay đổi thông khí.
Chương này mô tả các mặt hoạt động của bộ máy thần kinh điều hoà và những cơ chế điều hoà hô hấp [7] [36].
Trung tâm hô hấp và cơ chế thần kinh điều hoà hô hấp
Người ta gọi là “trung tâm hô hấp” nhưng thực ra có nhiều trung tâm, tức là nhiều nhóm nơron ở đối xứng hai bên, và nằm rải rác ở hành não và cầu não (Hìph 5.1). Có ba tập hợp nơron chính là (1) nhóm nơron hô hấp lưng nằm phần lưng hành não, chủ yếu gây hít vào, có vai trò cơ bản nhất điều hoà hô hấp; (2) nhóm nơron hô hấp bụng nằm ở phần bụng bên của hành não, gây hít vào hoặc thở ra tuỳ nơron, và (3) trung tâm điều chỉnh thờ (pneumotaxic center) nằm ở phần lưng trên của cầu não, tác dụng cả tần số thở lẫn kiểu thở.
Nhóm nơron hô hấp lung: Chức năng hít vào và chức năng tạo nhịp thở
Vị trí và liên lạc
Nhóm nơron lưng nằm trải suốt hành não. Hầu hết nơron nằm trong nhân của bó đơn độc (tractus solitarius), cũng có thêm vài sợi ở chất lưới tuỷ giáp cạnh đó. Nhân này cũng là điểm đến của dây thần kinh phế vị và dây thiệt hầu, đem cảm giác từ các loại receptor cam thụ hoá, cảm thụ áp suất ở ngoại vi, từ nhiều loại receptor ở phổi, đem tín hiệu giác quan về trung tâm hô hấp.
Xung động gây hít vào có nhịp (tức là từng đợt)
Hít vào có nhịp là hít vào lại thở ra thành một chu kỳ, rồi lại hít vào chu kỳ mới, cứ thế mãi, tạo nhịp thở bình thường khoảng 15 lần/phút gọi là tấn số thở. Người ta đã thực nghiệm cắt hết mọi liên lạc thẩn kinh đi tới trung tâm này, thấy tự nó vẫn tự phát một đợt xung động gây hít vào, rồi nghỉ xung động, rồi lại phát một đợt xung động mới, tạo thành sự hô hấp nhịp nhàng, mà hiện nay chưa hiểu cơ chế nào đã tạo ra tính nhịp điệu đó. Nhiều nhà sinh lý hô hấp giả định là có một mạng nơron giống như ở động vật nguyên thuỷ, mạng này khi có bộ phận phát xung, thì bộ phận bên cạnh cũng phát xung, đồng thời bộ phận bên cạnh cũng ức chế bộ phận phát xung ban đầu, do đó phát xung và ức chế kế tiếp nhau thành nhịp.
Xung động gây hít vào “tăng dần"
Tín hiệu gây hít vào không phải là một bùng nổ ào ạt gây hít vào gấp, mà là các xung trước thưa sau mau dần, gây từ từ hít vào dần trong hai giây rồi đến giây thứ ba thì đột nhiên ngừng để thở ra, rồi lại bắt đầu chu kỳ mới, cứ thế mãi. Người ta gọi tín hiệu hít vào là tín hiệu tăng dần, như thế gây hít vào từ từ chứ không phải kiểu hít vào gấp như ngáp cá. Điều hoà tốc độ hít vào có thể nhanh hoặc chậm, là làm cho thời gian hít vào có thể ngắn hay dài, thời gian càng ngắn thì tẩn số thở càng cao.
Nhiều tác giả gọi nhóm nơron lưng là trung tâm hít vào hoặc vùng hít vào.
Trung tâm điều chính thở
Trung tâm điều chỉnh thở (pneumotaxic center) nằm ở nhân parabrachialis tại phẩn lưng và phần trên của cầu não, liên tục gửi xung động đến vùng hít vào. Xung động từ trung tâm điều chỉnh thở này làm ngừng xung động gây hít vào của nhóm nơron lưng. Xung động điều chỉnh mà mạnh thì chỉ hít vào ngắn nửa giây đã thở ra ngay, xung động điều chỉnh yếu thì động tác hít vào kéo dài tới 5 giây hoặc hơn, ngực căng đầy không khí mới chuyển sang thì thở ra. Nếu thời gian hít vào dài thì nhịp thở chậm, nếu xung động điều chỉnh thở mạnh thì thời gian hít vào ngắn, nhịp thở nhanh, tần số cao.
Nhóm nơron hô hấp bụng: chức năng cả hít và lần thở ra
Nhóm nơron hô hấp bụng nằm phía trước và phía bên của nhóm lưng, cách nhóm lưng 5 mm. Chức năng của nhóm này có nhiều đặc điểm như sau: Khi hô hấp nhẹ nhàng bình thường, nhóm nơron này không hoạt động, như vậy thở chỉ do tín hiệu hít vào của nhóm nơron lưng. Khi cần tăng mạnh thông khí thì tín hiệu từ nhóm nơron lưng lan sang nhóm nơron bụng mới tham gia điều khiển hô hấp. Thực nghiệm kích thích điện cho thấy trong nhóm nơron bụng này, có nơron gây hít vào, lại có nơron khác gây thở ra. Người ta cho rằng nhóm nơron bụng quan trọng ở chỗ thở ra mạnh do tín hiệu thở ra đưa đến các cơ bụng.
Một "trung tâm ngừng thở" ở phần dưới của cầu não
Chức năng của cái gọi là “trung tâm ngừng thở” (apneustic center) chưa sáng tỏ lắm. Trung tâm này nằm ở phần dưới của cầu não. Thực nghiệm cắt các dây thẩn kinh đi đến não và cắt ngang phần giữa cầu não để ngăn liên lạc với trung tâm điều chỉnh thở, thì thấy trung tâm ngừng thở phát tín hiệu đến nơron lưng làm ngăn trở sự tắt các xung động hít vào. Thế là động tác hít vào cứ tiếp tục mãi không ngừng, phổi đầy khí, thỉnh thoảng phản ứng thở hắt nhanh ra một cái. Gọi là trung tâm ngừng thở vì nó gây ngừng thở ở vị trí hít vào tối đa. Như vậy chức năng trung tâm này chưa rõ, chỉ có thể giả định là nó phối hợp với trung tâm điều chỉnh thở để điều hoà chiều sâu của động tác hít vào.
Phản xạ căng phổi Hering-Breuer
Các nhà sinh lý học Hering và Breuer đã thực nghiệm trên chó, gây đột ngột căng phổng phổi thì trạng thái căng phổi đó gây động tác thở ra (giãn cơ hoành), nếu đột ngột xẹp lồng ngực mạnh thì gây động tác hít vào (xung động qua dây thần kinh hoành). Phản xạ thở ra, gọi là phản xạ căng phối, phát sinh từ các recepter cảm thụ trạng thái căng giãn (stretch recepter) nằm ở các thành phế quản và tiểu phế quản, truyền tín hiệu qua dây phế vị về nhóm nơron hô hấp lưng. Những thập kỷ qua, đã có lúc người ta cho phản xạ này là khá quan trọng nhưng gần đây nghiên cứu trên người thấy phải thở sâu với mức thể tích lưu thông trên 1,5 lít mới gây phản xạ, nên cho rằng đây là một phản xạ bảo vệ phổi khỏi bị quá căng phồng hơn là một cơ chế điều hoà nhịp thở bình thường.
Vùng nhạy cảm hóa học của trung tâm hô hấp và cơ chế hoá học điều hoà hô hấp
Mục tiêu của hô hấp là duy trì hằng định nỗng độ oxy, carbon dioxid và ion H+ trong mô, cho nên, nếu nổng độ các chất này trong dịch thân thể có tác dụng điều khiển ngược trở lại, qua một vòng feedback âm, đối với cường độ hô hấp, thì đó là hiện tượng rất sinh lý.
Dư thừa carbon dioxid và ion H+ có tác dụng kích thích mạnh trung tâm hô hấp làm tăng thông khí. Còn oxy không có tác dụng trực tiếp lên trung tâm hô hấp mà có tác dụng lên các cảm thụ hoá ở ngoại vi rồi từ đó mới có xung động lên trung tâm.
Vùng nhạy cảm hoá học ở trung tâm hô hấp và cơ chế hoá học trực tiếp của CO, và H điều hoà hô hấp
Phẩn trên đã nói trung tâm hô hấp có ba phần chính là nhóm nơron lưng, nhóm nơron bụng và trung tâm điều chỉnh thở. Nổng độ CO2 và ion H+ không tác dụng trực tiếp lên vùng nào trong ba vùng kể trên mà tác dụng qua vùng nhạy cảm hoá học ở hành não (Hình 5.2), các nơron của vùng này đặc biệt rất nhạy cảm đối với ion hydro. Nhưng ion hydro khó qua hàng rào máu-não cũng như hàng rào máu-dịch não tuỷ, cho nên tác dụng ít hiệu lực hơn carbon dioxid, tuy tác dụng carbon dioxid chỉ là gián tiếp.
Carbon dioxid gắn với nước ở mô, tạo acid carbonic phân ly thành ion hydro và ion bicarbonat (Hình 5.2) và ion hydro ở não này (H') mới có tác dụng mạnh. Còn ion hydro ở máu tuần hoàn ít tác dụng vì không qua được các rào cản nói trên. Carbon dioxid tác dụng mạnh là do thấm qua các hàng rào rất nhanh, để rồi phân ly cho ion hydro tác động lên vùng nhạy cảm hoá học. Tăng PCO₂ máu động mạch trong phạm vi thông thường từ 35 đến 80 mmHg làm tăng mạnh thông khí phế nang, có thể gấp tới mười lần; còn sự giảm pH máu từ 7,5 xuống 7,3 (tăng ion H*) ảnh hưởng không đáng kể đối với lưu lượng thông khí.
Carbon dioxid vào dịch kẽ của mô não tác dụng chậm, phải qua một phút hoặc hơn vì mô não có nhiều chất đệm protein, còn vào dịch não tu thì tác dụng nhanh, chỉ vài giây, vì dịch não tuỷ ít chất đệm toan - kiểm là protein, carbon dioxid chuyển nhanh thành acid carbonic, sau dó phân ly ngay thành ion H+ và HСO3-
Sự giảm tác dụng của carbon dioxid sau 1 hoặc 2 ngày
Nếu có tác dụng dài ngày phân áp carbon dioxid cao đổi với cơ thế, thì tác dụng đó rất mạnh vài giờ đầu, sau giẩm dần, sau một hai ngày chỉ còn chừng một phần năm hiệu lực lúc đầu. Người ta giải thích hiện tượng thích nghi đó, một phần là do thận điều chỉnh lại nổng độ ion hydro, cho quay trở về bình thường. Thận làm tăng bicarbonat máu để gắn với ion hydro trong dịch não tuỷ, và bircarbonat cũng từ từ qua các hàng rào vào não làm giảm lượng hydro tác động lên các nơron hô hấp. Do đó người ta phân biệt hai giai đoạn tác dụng của nổng độ carbon dioxid đối với điểu hoà hô hấp, giai đoạn cấp tính tác dụng rất mạnh, và giai đoạn mạn tính tác dụng yếu sau vài ngày thích nghi.
Oxy không quan trọng trong tác dụng trực tiếp lên trung tâm hô hấp
Oxy không có tác dụng trực tiếp đối với bản thân trung tâm hô hấp ở hành - cầu não và hệ điều hoà hô hấp cũng ít tác dụng đối với phân áp oxy (PO₂) từ máu động mạch đến mô ngoại vi. Ta đã biết là hemoglobin có vai trò đệm oxy ở mô tức là hemoglobin giữ cho phân áp oxy ở mô luôn ổn định mặc dầu phân áp oxy ở phổi có thể dao động từ 60 mmHg lên tới 100 mmHg. Khi đã có cơ chế hemoglobin mạnh như vậy ốn định phân áp oxy ở mô, thì dễ hiểu là tác dụng của oxy đối với trung tâm hô hấp là không quan trọng.
Chỉ trong những điều kiện đặc biệt, mô bị rồi loạn chức năng do thiếu oxy, thì cơ thể lại có một cơ chế riêng điều hoà hô hấp ứng phó với giảm nặng oxy, cơ chế này có những recepter năm ngoài trung tâm hô hấp của não, sẽ nghiên cứu trong phần tiếp sau đây.
Hệ cảm thụ hoá học ở ngoại vi và vai trò oxy điều hoà hô hấp
Nếu như hệ thống CO2 và vùng nhạy cảm hoá học ở trung tâm hô hấp đã bàn bạc ở phần trên, là yếu tố điều hoà hô hấp có hiệu lực từng giờ, từng phút của đời thường, thì hệ thống oxy - recepter ở ngoại vì đề cập dưới đây là yếu tố chủ yếu điều chỉnh hô hấp trong một số điều kiện không thể bỏ qua trong cuộc sống.
Recepter và nơron truyền về trong vòng feedback thần kinh điều hoà hô hấp
Hệ cảm thụ hoá ở ngoại vi gồm các recepter nhạy cảm vớithành phần hoá học của máu, cụ thể là phát xung khi PO2 giảm ở máu chạy qua (đó là chức năng quan trọng, tuy các recepter này cũng có đáp ứng cả với nổng độ cao CO2 và H+). Tín hiệu thần kinh từ các cảm thụ ngoại vi này đi về trung tâm hô hấp ở trung ương.
Có nhiều cảm thụ hoá ở các tiểu thể động mạch cảnh, các tiểu thể động mạch mạch chủ, và một số ít ở các động mạch vùng bụng và ngực. Các tiểu thể động mạch cảnh nằm ở chỗ động mạch cảnh gốc chia nhánh, từ dó recepter đưa tín hiệu thần kinh theo sợi truyền về của dây Hering rồi dây thiệt hầu mà về nhóm nơron lưng của trung tâm hô hấp. Các tiểu thể động mạch chủ nằm dọc theo quai động mạch chủ, có sợi truyền về đi qua dây phế vị cũng tới vùng nơron lưng. Các tiểu thể đều nhận máu từ động mạch đi thẳng từ thân động mạch lớn tới, mỗi phút lưu lượng máu gấp 20 lần trọng lượng tiểu thể cho nên bản thân tiểu thể không kịp dùng oxy ở máu đó, và như vậy các tiểu thể luôn tiếp xúc và cảm thụ phân áp oxy của máu động mạch.
Phân áp oxy thấp ở máu động mạch là yếu tố kích thích các recepter
Yếu tố gây phát xung động ở recepter
- Mức PO₂ thấp ở máu động mạch không kích thích trực tiếp trung tâm hô hấp ở não, mà kích thích các recepter, rồi các recepter này mới phát xung về kích thích trung tâm. Khi PO₂ động mạch trên 100 mmHg, số xung ở dây thẩn kinh Hering (thực nghiệm trên mèo) phát xung dưới 100 lần/giây. Khi PO₂ với 50 mmHg, tân số xung nhanh chóng lên mức 200 - 800 lần/giây.
- Nồng độ CO₂ và ion H cũng có tác dụng lên các cảm thụ hoá, nhưng tác dụng này bị che lấp bởi tác dụng trực tiếp lên trung tâm (qua vùng nhạy cảm hoá học). Dù sao tác dụng ngoại vi có đặc điểm là gây đáp ứng nhanh nhạy (sớm) hơn tác dụng trung ương.
Cơ chế tác dụng lên các recepter hoá học ở các tiểu thể, chưa biết rõ. Căn cứ vào hai kiểu cấu trúc tế bào ở đó, có hai loại ý kiến, một loại có các recepter tế bào tác động kích thích dây thần kinh, loại ý kiến thứ hai cho rằng chính đầu tận cùng sợi thần kinh là recepter nhạy cảm với PO₂ thấp.
Hiệu lực cứa các recepter trong vòng feedback điều hoả hô hấp
Phần trên đã thấy mức PO₂ thấp ở máu động mạch là yếu tố kích thích khiến các recepter ngoại vi phát xung về trung tâm hô hấp. Tăng tần số xung động về trung tâm hô hấp ở thân não là điều chắc chắn, nhưng từ đó nó có hoàn thành vòng feedback làm tăng hô hấp không thì những dữ liệu sinh lý thực nghiệm và sinh lý ứng dụng sau đây sẽ làm sáng tỏ.
- Thực nghiệm 1. Tác dụng PO2 thấp trên cơ thể có điều hoà PO₂: Mức PO₂ thấp ở động mạch tác động thông qua recepter về trung ương làm tăng hô hấp, nhưng sự tăng thông khí đó lại làm giảm PCO₂ tức là làm mất một nguồn hiệu lực mạnh thúc đẩy hô hấp. Kết quả cuối cùng là thông khí giảm sút chứ không tăng.
- Thực nghiệm 2. Tác dụng PO2 thấp trên cơ thể giữ mức PCO₂ hằng định bình thường: Nếu thực nghiệm duy trì PCO, và nỗng độ Ht hằng định ở trị số bình thường, chỉ cho tác dụng đơn độc của PO₂ thấp, thì PO₂ thấp có tác dụng mạnh mẽ làm tăng thông khí.
- Dữ liệu lâm sàng và sinh lý vận động: Quan sát một số bệnh như viêm phối, giãn phế nang là loại bệnh màng hô hấp không thể khuếch tán đủ oxy, khiến PO2 động mạch thấp nhưng PCO₂ và nổng độ ion H* vẫn tương đối bình thường, thấy mức PO₂ thấp trong máu động mạch lúc này là yếu tố quan trọng làm tăng thông khí. Đã có trường hợp người bệnh như vậy (PO₂ thấp đang là yếu tố quan trọng điều khiển hô hấp) nếu cho thở oxy nổng độ cao thì có thể gây giảm thông khí đến mức nguy hiểm. Một số trường hợp vận cơ cực mạnh, thì PCO2 và nồng độ ion H+ở máu động mạch tăng, đồng thời PO₂ giảm, các yếu tổ này phối hợp nhau tác dụng rất mạnh gây tăng thông khí. Các dữ liệu lâm sàng và dữ liệu sinh lý vận động nêu trên đều cho thấy tác dụng của PO2 giống như loại thực nghiệm 2: mức PO, thấp làm tăng thông khí trong khi PCO2 và nổng độ ion H tương đối bình thường.
Đến đây có thể kết luận là mức PO₂ thấp ở máu động mạch tác động qua các recepter ở động mạch làm tăng thông khí, đặc biệt trong một số điều kiện bệnh lý hoặc vận cơ nặng nhọc.
Sự thích nghi với Po2 thấp dài ngày: Những người leo núi lên độ cao không khí loãng, nếu leo nhanh trong vài giờ thì không chịu được phân áp oxy thấp của khí quyển, tới độ cao 5000 đến 6000 mét là phải có thêm bình oxy để thở. Nhưng nếu leo từng đoạn ngắn sau mỗi đoạn có nghỉ, thì cơ thể có thời gian thích nghỉ, có thể tới đỉnh Everest cao trên 8800 mét không cần thêm oxy. Cơ chế thích nghi là sau 2 đến 3 ngày, trung tâm hô hấp ở thân não giảm mẫn cảm với CO₂ cao và tăng mẫn cảm với oxy thấp. Sau 2-3 ngày thích nghi, trung tâm hô hấp chỉ còn chừng một phần năm mức độ nhạy cảm đấp ứng với PCO₂ và ion H+, do đó CO2 và H* có thế giảm thấp do tăng thông khí mà mức thấp không ức chế trung tâm hô hấp, để trung tâm hô hấp lúc này hoàn toàn theo sự điều khiển của PO2.thấp. Hơn nữa qua thích nghi, trung tâm hô hấp tăng đáp ứng vòng feedback từ các recepter ở động mạch. Trước thích nghi, mức PO₂ thấp chỉ làm tăng thông khí thêm 70 phần trăm, sau 2-3 ngày thích nghỉ, mức PO, thấp đó làm thông khí tăng 400 hoặc 500 phần trăm, đảm bảo đủ oxy cho nhà leo núi có thể tiếp tục lên cao nữa.
Vai trò PO, thấp trong tác dụng tổng hợp của các yếu tố hoá học: Nhiềểu thực nghiệm và nghiên cứu đã cung cấp tư liệu về tác dụng hoá học điều hoà mức thông khí (từ Cunningham và CS, trị số quy tròn). Ở pH bình thường 7,4 và PO₂ máu động mạch bình thường 100 mmHg, thì thông khí phế nang VA ở quãng 6 lít/phút với PCO₂ 40 mmHg, khi PCO₂ 60 mmHg thì VA tăng lên trên 40lít/phút. Đó là tác dung PCO₂. Vai trò PО2 thể hiện là khi PO₂ còn 50 mmHg thì chỉ cần PCO, trên 45 mmHg một chút đã làm VA lên mức 40 lít/phút. Nếu pH máu 7,35 tức là toan hơn, nồng độ H + cao hơn, những trị số VA kể trên xảy ra với mức PCO2 30 mmHg thay vì cho 40 mmHg. Đến đây có thể kết luận là cả ba yếu tố hoá học: PCO, cao, nỗng độ H+ cao, PO₂ thấp đều có tác dụng, tuỳ mức độ tác dụng khác nhau và tu hoàn cảnh có lúc làm một yếu tố nổi trội lên.