Controllo della ventilazione

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1 Controllo della ventilazione La ventilazione è un processo ritmico che avviene in assenza di pensiero cosciente, simile al battito cardiaco. I muscoli respiratori sono scheletrici innervati da motoneuroni somatici controllati da centri superiori del SNC localizzati nel bulbo e nel ponte. Si è ipotizzato che la ritmicità derivi da una rete neuronale con potenziali di membrana instabili.

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4 Componenti del controllo nervoso della respirazione centri nervosi del tronco dell encefalo (bulbo-pontini) muscoli respiratori meccanocettori (polmoni, muscoli respiratori, torace) chemocettori centrali (bulbo) e periferici (glomi aortici e carotidei) I centri bulbari sono responsabili dell attività ritmica della respirazione GRD GRV Gruppo Respiratorio Dorsale attivi durante l inspirazione. Gruppo Respiratorio Ventrale attivi durante l inspiraz. attivi durante l espiraz.

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6 I centri pontini Modulano l attività dei centri respiratori bulbari (GRD e GRV) GRP Gruppo Respiratorio Pontino (centro pneumotassico) I centri nervosi superiori controlla il ritmo respiratorio transazione del GRP causa ritmo respiratorio più lento e profondo Modulano l attività ritmica dei centri respiratori bulbo-pontini

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13 Ponte Pneumotassico: frequenza e profondità espirazione Apneustico: massima durata e profondità inspirazione Bulbo Neuroni inspiratori Neuroni espiratori Motoneuroni inspiratori RECETTORI DI STIRAMENTO

14 respirazione tranquilla (l inspirazione è attiva, l espirazione è passiva) respirazione forzata (inspirazione ed espirazione sono attive)

15 I riflessi polmonari e le afferenze chemosensoriali controllano il ritmo del respiro Riflessi polmonari Influenzano il ritmo respiratorio Proteggono da stimoli dannosi Sensibili allo stiramento (riflesso di Hering-Breuer) sono dislocati su tutto il polmone afferenze vagali se il vago è intatto, l inspirazione è limitata e regolare se il vago è reciso, l inspirazione è più profonda e lenta

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21 Popolazione di neuroni respiratori Neuroni ad attività elettrica pace-maker

22 Chemocettori centrali; Chemocettori periferici; Regolazione chimica del respiro;

23 Controllo chimico della respirazione Chemocettori centrali sono sensibili alla PCO 2 arteriosa se PCO 2 e ph l attività dei recettori aumenta responsabili dell 80% della regolazione della PCO 2 arteriosa e degli equilibri acido-base distribuiti su tre regioni ventrali del bulbo: rostrale, caudale, intermedia separati topologicamente dai c. respiratori, mandano afferenze ai GRD

24 Controllo centrale della CO 2 e del ritmo respiratorio gli H + non superano la barriera ematoencefalica la CO 2 invece diffonde bene attraverso la barriera e diminuisce il ph nel liquido cerebrospinale recettori sensibili all H + a livello bulbare generano treni di potenziali che arrivano al centro respiratorio. Aumenta la ventilazione

25 Chemocettori centrali La sensibilità dei chemocettori centrali alla PCO 2 è elevata tra 40 e 80 mmhg (alta pendenza della curva verde) Valori di PCO 2 superiori a 90 mmhg causano prima coma cerebrale e poi morte

26 Nel Liquido Cefalo Rachidiano: la PCO 2 corrisponde a quella del sangue venoso cerebrale con cui è in equilibrio ed è più alta di quella del sangue arterioso di 7-10 mmhg. il ph è basso (7.33) per l elevata PCO 2 e basso HCO 3 (22 meq/l) e minor capacità tampone. le variazioni di PaCO 2 provocano variazioni di minor entità sulla PCO 2 del liquor perché aumenta il flusso ematico cerebrale con aumento della CO 2 che arriva al cervello e diminuzione della differenza artero-venosa.

27 Chemocettori periferici sono sensibili alla PO 2 e al ph arterioso se il ph (PCO 2 ) e la PO 2 l attività dei recettori aumenta sono localizzati nei glomi carotidei (più sensibili a ph e PO 2, innervati dal n. glossofaringeo) e nei glomi aortici (meno sensibili, innervati dal n. vago)

28 H+ Ca pco2 H+ Na Na Na

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30 Neurotransmitter and neuromodulatory mechanisms at peripheral arterial chemoreceptors Colin A. Nurse Exp Physiol 95.6 pp , 2010.

31 Sensibilità dei chemocettori alla PO 2 e PCO 2 Chemocettori periferici La sensibilità dei recettori periferici ai livelli di PO 2 è relativamente bassa per valori di PO 2 tra 120 e 60 mmhg (area verde) La sensibilità (e quindi la ventilazione) aumenta quando la PO 2 < 60 mmhg (equivalente alla PO 2 a 3000 m di altitudine; area grigia) La sensibilità alla PO 2 aumenta se aumentano i livelli di CO 2, per cui questi recettori sono anche sensibili (indirettamente) alla PCO 2

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34 Riepilogo: Controllo chimico della respirazione FCS = Fluido Cerebro-Spinale

35 I DISORDINI DEL CONTROLLO CHIMICO DEL RESPIRO Il respiro è normalmente controllato in maniera rigida per mantenere la PC0 2 in uno stretto ambito intorno a 40 mm Hg. Tuttavia, una patologia cardiopolmonare può aumentare marcatamente la PC0 2. Quando la PC0 2 supera i mm Hg, ne consegue la depressione respiratoria. Con ulteriori aumenti della PC0 2 la funzione del sistema nervoso centrale può essere gravemente ridotta; si può sviluppare una reazione positiva, in cui la depressione del respiro eleva la PC0 2 che ulteriormente deprime il respiro. In alcuni pazienti con malattie croniche dei polmoni in fase avanzata, e conseguentemente con elevata PC0 2 ogni malattia acuta dei polmoni, come una bronchite o una polmonite, possono provocare un ulteriore aumento della PC0 2 ed esacerbare la depressione respiratoria. In questi pazienti, lo stimolo a respirare deriva dall'ipossiemia (bassa P0 2 ematica) avvertita dai chemocettori periferici. Se questi pazienti respirano 0 2, senza controllo medico l'ipossiemia può sparire, e senza questo stimolo il respiro di questi pazienti può cessare.

36 A livello della respirazione il contributo del SN interessa: Contrazione m. inspiratori e m.espiratori: Motoneuroni della pompa respiratoria del midollo spinale (motoneuroni del frenico, toracici e addominali) Riflessi che hanno il compito di far variare la respirazione sulla base di indicazioni periferiche con meccanismo a feedback: variazioni di PCO 2 O 2 e ph stiramento (recettori a lento adattamento misurano il grado di insuflazione del polmone, fibre di tipo A m/sec. stimoli irritativi (polveri) che portano alla tosse; 3-25 m/sec; stimolati portano il volume di riempimento polmonare ad essere più piccolo della CFR. Attivi anche con il pneumotorace. Perfusione polmonare per attivazione dei recettori J iuxtacapillari; conducono a 0,8-7 m/sec. Provocano subito apnea con inibizione dei neuroni tronco-encefalici (= respiro rapido e superficiale).

37 Riflessi non a feedback: A) Afferenze dei centri nervosi superiori: (corteccia, sistema limbico, ipotalamo, ponte) coinvolti nelle emozioni e nei riflessi della tosse, starnuto, sbadiglio, deglutizione, minzione, defecazione e parto. In questi comportamenti è necessaria la regolazione della ventilazione che va a sovrapporsi all attività intrinseca dei centri ritmogenici e ai riflessi che partono da recettori periferici. A1) Centri nervosi superiori come l Area di Broca o aree corticali motorie sono la sede di partenza del controllo volontario della ventilazione durante la fonazione B) Afferenze dalla mucosa bronchiale. Fibre sensitive che partono da recettori collocati nella mucosa bronchiale trasportano informazioni relative allo stato irritativo e raggiungono i centri respiratori del tronco encefalico. Es. Riflesso di Haed provoca la diminuzione del volume polmonare in risposta ad un aumento della frequenza respiratoria. Anche responsabili del riflesso della tosse per inalazione di particelle o sostanze irritanti. C) Dolore la stimolazione dei nocicettori induce iperventilazione. Sono fibre amieliniche. L effetto è quello di alterare il ph per iperventilazione.

38 Respiro patologico

39 MODELLI ANORMALI DI RESPIRAZIONE DA LESIONI DEL SNC Molti danni cerebrali e malattie producono alterazioni del respiro. Poiché molte regioni cerebrali forniscono segnali afferenti ai neuroni che generano il ritmo respiratorio, anche patologie di regioni non associate normalmente con la generazione del respiro possono produrre un respiro anomalo. Malgrado la natura diffusa di molte patologie che danno origine ad alterazioni respiratorie, Fred Plum e colleghi hanno sistematicamente caratterizzato numerose alterazioni respiratorie provocate da specifiche patologie del SNC.

40 Respiro apneustico Respiro apneustico è caratterizzato da prolungati periodi inspiratori. Nell'uomo, il modello più frequente è caratterizzato da inspirazioni che durano 2-3 secondi alternantisi con prolungate pause inspiratorie. Nei gatti, i prolungati periodi inspiratori sono associati con plateau nell'attività inspiratoria che possono durare minuti (che portano a morte in assenza di respirazione artificiale). Il respiro apneustico si osserva in seguito a lesioni del ponte, che comprendono o che sono in prossimità del gruppo respiratorio pontino. Negli animali da esperimento, tale anomalia richiede, per essere generata, non solo la lesione del gruppo respiratorio pontino, ma anche l'interruzione delle afferenze vagali.

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42 Respiro di Cheyne-Stokes Lesioni del tratto corticobulbare e corticospinale possono portare al respiro di Cheyne-Stokes, una ritmica accentuazione e diminuzione della profondità del respiro. Periodi di assenza di respiro (apnea) seguono ciascun periodo di aumento della profondità del respiro. Lesioni del tratto corticobulbare e del tratto corticospinale possono anche dar luogo a scomparsa del controllo volontario del respiro. Nella paralisi pseudobulbare, per esempio, il controllo volontario della respirazione e la funzione dei motoneuroni craniali è assente a seguito di una lesione spesso localizzata dorso-mediale alla base del ponte. Un danno bilaterale diffuso del gruppo respiratorio midollare può distruggere o abolire il ritmo respiratorio, provocando la morte se non si instaura immediatamente la respirazione artificiale. Fortunatamente, la lesione unilaterale non sembra essere sufficiente a provocare una grave alterazione del ritmo respiratorio e dei meccanismi che lo generano. Poiché due arterie vertebrali forniscono il sangue al bulbo, è improbabile un danno bilaterale a seguito di infarto o embolia.

43 Respiro atassico Lesioni meno estese delle strutture respiratorie bulbari possono produrre il respiro atassico, un respiro irregolare con atti respiratori profondi, superficiali o periodi di apnea che si verificano a caso. La frequenza respiratoria tende ad essere bassa.

44 Pattern di respiro anomalo a seguito di lesioni del SNC

45 Apnea da sonno Il sonno è associato con un modesto decremento della ventilazione e una ridotta risposta alle variazioni della PC0 2 e P0 2. Come risultato, durante il sonno, la PC0 2 arteriosa aumenta di 2-7 mm Hg e la P0 2 si riduce di 3-10 mm Hg. Questa variazione del controllo respiratorio forse è associata alla perdita dell'affinità eccitatoria collegata alla veglia. L'origine di questo stimolo presente nella veglia non è noto, ma può derivare dall'attività che si origina nel sistema reticolare attivatore del bulbo. Con la comparsa del sonno, l'attività respiratoria può diventare instabile e si può verificare l'apnea (definita come arresto respiratorio di almeno 10 secondi). Sono stati definiti due principali tipi di apnea. L'apnea ostruttiva del sonno (OSAS) : Cessazione del flusso, ma mantenimento del lavoro respiratorio L'apnea centrale del sonno: cessazione del flusso e del lavoro respiratorio L'apnea di Pickwickian: Correlata all obesità grave, apnea da sonno cronica ostruttiva severa che porta ad insufficienza cardiaca destra.

46 Normalmente : i neuroni respiratori innervano la laringe /muscolo genioglosso e mantengono tono/pervieta' delle vie aeree durante il sonno. Nei soggetti con OSAS : EMG mostra una perdita di questa attività --> collasso delle vie aeree durante il sonno--> diminuzione dello scambio dei gas--> ritenzione di CO 2 --> stimolo alla respirazione--> aumento della pressione negativa intratoracica --> peggioramento del collasso delle vie aeree durante il sonno--> etc. da cui deriva: ipossemia protratta che si traduce in: vasocostrizione ipossica polmonare--> ipertensione polmonare cronica ---> insufficienza cardiaca dx. aumento delle catecolamine circolanti--> ipertensione (Htn) sistemica. Ritenzione cronica di CO 2 (spostamento a dx della curva di risposta alla CO 2 ), possibilmente secondaria ad uno svantaggio meccanico della respirazione nell'obesita' severa. Durante l'apnea: bradicardia, blocco atrioventricolare (AV), extrasistole, tachicardia ventricolare, asistolia --> possono possibilmente spiegare l'aumento dell'incidenza di morte improvvisa in pazienti con SA.

47 Sindrome della morte improvvisa del bambino (SIDS, sudden infant death syndrome) La SIDS è definita come la morte improvvisa ed inattesa di un bambino o di un ragazzino che non può essere spiegata dall'esame postmortem. La SIDS è la principale causa di morte del bambino tra 1 mese ed 1 anno di età negli Stati Uniti. Anche se numerose eziologie sono considerate contribuire alla SIDS, le ipotesi correnti tendono a focalizzarsi su alterazioni del controllo cardiorespiratorio. L'ipotesi dell'apnea attribuisce l'apnea a disordini sia del controllo chimico del respiro, sia alla mancanza di una risposta di allerta all'insufficiente ventilazione. E stato descritto che i bambini che successivamente soccombono per SIDS mostrano un comportamento respiratorio irregolare, con periodi di apnea e ridotte risposte di allerta all'ipossia e all'ipercapnia. Epidemiologicamente, la SIDS è stata associata con il dormire dei bambini a faccia in giù, dove cuscini, coperte e materassi possono limitare la diffusione dell'aria espirata, con conseguente aumento della C0 2 e riduzione dell'0 2 nell'aria inspirata e, conseguentemente, nel sangue arterioso. Questo a sua volta potrebbe deprimere il respiro sufficientemente causando arresto respiratorio e morte.

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