CONTROLLO ED INTEGRAZIONE CARDIORESPIRATORI IN CORSO DI ESERCIZIO

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1 CONTROLLO ED INTEGRAZIONE CARDIORESPIRATORI IN CORSO DI ESERCIZIO

2 ARGOMENTI 1. Scopi della regolazione cardiorespiratoria 2. Regolazione Cardiovascolare a riposo 3. Regolazione Respiratoria a riposo 4. Risposta immediata all esercizio 5. Regolazione Cardiovascolare durante esercizio 6. Regolazione Respiratoria durante esercizio 7. Cause Ultime che determino le risposte all esercizio

3 Scopi della regolazione cardiorespiratoria La regolazione cardiovascolare fa si che tutti I tessuti abbiano una perfusione ematica sufficiente per l apporto metabolico e per la rimozione dei prodotti di scarto. Ha anche un ruolo nella termoregolazione La regolazione respiratoria fa si che la po 2 e la pco 2 arteriosa siano mantenute costanti. In tal modo la regolazione respiratoria rappresenta un aspetto dell omeostasi cardiovascolare contribuendo alla regolazione del ph ematico (non serve solo allo scambio di gas).

4 Regolazione Per ottenere gli scopi precedenti i sistemi cardiovascolare e respiratorio che sono essenzialmente dei meccanismi di pompaggio, devono funzionare ad una frequenza appropriata Lo scopo dei sistemi respiratori è pertanto di assicurare che i sistemi cardiovascolare e respiratorio operino a frequenze appropriate per le necessità corporee del momento

5 variabili cardiovascolari regolatorie La regolazione cardiovascolare comprende il controllolo di tre variabili inter-correlate: 1. Gettata cardiaca [cardiac output] (CO), a sua volta determinata dalla frequenza cardiaca (HR) e dalla frazione di eiezione [frazione di eiezione] (SV) 2. Resistenza periferica (PR). Regolata attraverso I cambiamenti del tono vasomotorio periferico a livello dei vari letti vascolari. I cambiamenti differenziali nel tono vasomotorio conducono alla regolazione locale della resistenza e del flusso ematico. 3. Pressione arteriosa ematica [blood pressione] (BP). Notare che la BP può essere influenzata solo indirettamente attraverso i cambiamenti del CO e/o PR.

6 Resistenza periferica La circolazione sistemica consiste di un numero di circuiti paralleli, ciascuno contenente la sua propria arteriola ed i relativi letti capillari Ciascun circuito ha la sua propria specifica resistenza al flusso ematico flow (PR), determinata in buona parte dallo stato di contrazione del suo muscolo arteriolare liscio Resistenza periferica totale(tpr) è determinata dalla somma di tutte le resistenze individuali presentate dai vari circuiti circolatori

7 Variazione di alcuni parametri nei vari letti vascolari

8 Variazione del consumo di O 2 in rapporto alla portata cardiaca Esercizio molto intenso Condizioni basali

9 perfusione ematica a livelli differenti di esercizio

10 Relazione funzionale tra le 3 variabili che regolano l adattamento cardiovascolare. Le tre variabili di regolazione per l intero corpo sono legate dalla seguente equazione: BP = CO TPR Per un singolo letto capillare si applica la seguente relazione : BP = Flusso ematico locale PR equazioni simili possono, incidentalmente, essere scritte per ciascuna situazione che interessa il flusso di sostanze. Le equazioni sono approssimative ad es. non valgono se il flusso diventa turbolento.

11 controllo della gettata cardiaca (CO) meccanismi estrinseci : l innervazione autonomica (simpatica e parasimpatica) che origina nel midollo allungato influenza sia la frequenza cardiaca che la frazione di eiezione. meccanismi intrinseci : il meccanismo di Starling assicura che una più elevata frequenza di ritorno ematico alla parte destra del cuore, nel sistema venoso, conduca ad una più elevata frazione di eiezione.

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13 controllo della resistenza periferica (PR) La regolazione del flusso ematico attraverso i letti capillari individuali - cioè il controllo della PR avviene attraverso tre meccanismi separati: autoregolazione condizioni chimiche locali (ad es.: ph, pco 2 ) alterano direttamente il tono del muscolo liscio arterioso. controllo neurale - centri vasomotori nel midollo regolano il tono del muscolo liscio attraverso l innervazione simpatica. Esiste un tono vasomotorio di riposo. meccanismi endocrini non esaminati in dettaglio in questa sede

14 controllo della resistenza periferica II Tutti i tre fattori operano per cambiare il tono vasomotorio cioè lo stato di contrazione del muscolo liscio arteriolare Ciò a sua volta provoca cambiamenti nel diametro del lumen arteriolare Per la legge di Poiseuille, il flusso ematico è proporzionale al raggio del lumen elevato alla 4a (r 4 ) cioè piccoli cambiamenti del raggio vasale producono grandi cambiamenti nel flusso ematico Nel muscolo, solo il 2-3% di capillari sono aperti a riposo: in tal modo vi sono moltissime vie alternative per incrementare il flusso.

15 riflessi cardiovascolari a riposo Il più importante riflesso cardiovascolare a riposo è il riflesso barorecettore. Esso fornisce un controllo a feedback negativo della pressione ematica. cellule sensibili alla pressione nelle pareti dell aorta e della carotide inviano segnali, attraverso fibre nervose sensitive, ai centri di regolazione cardiovascolare e vasomotorio del midollo allungato. Questi centri esercitano un controllo riflesso su frequenza cardiaca, frazione di eiezione e vasocostrizione delle arteriole periferiche, e pertanto regolano la pressione arteriosa ematica a livelli predeterminati. [set-point].

16 Altri riflessi elicitati dalle variazioni di pressione ematica Recettori di pressione nei seni carotidei assicurano un adeguato apporto ematico al capo. Il meccanismo è simile al riflesso barorecettore, ma coinvolge specificatamente la muscolatura liscia arteriolare cerebrale I recettori di pressione nell atrio destro determinano alterazioni riflesse nella frequenza cardiaca (riflesso di Bainbridge) con un meccanismo che ha un effetto simile a quello provocato dal meccanismo di Starling, ma: è un riflesso estrinseco (opera attraverso un circuito neurale) Agisce attraverso la frequenza cardiaca e non attraverso la frazione di eiezione

17 Chemoriflessi Vi è un chemoriflesso cardiovascolare che coinvolge i recettori carotidei e aortici. I segnali provenienti da questi recettori ragiungono i centri cardiovascolari e vasomotori nel midollo allungato Un aumento della pco 2 arteriosa, o una caduta sia del ph che della po 2, determinano un incremento della CO e TPR. Vi sono anche chemorecettori nel midollo stesso, ma questi influenzano principalmente la respirazione e sono interessati secondariamente alla regolazione flusso ematico cerebrale.

18 regolazione respiratoria a riposo La Ventilazione (volume inspiratorio e frequenza respiratoria) è controllata da aree specifiche del midollo e del ponte, Queste aree ricevono inputs sensoriali dai chemorecettori presenti nei corpi carotidei e nel midollo stesso e sono deputate all omeostasi della po 2 e pco 2 arteriose. In pratica però solo la pco 2 richiede un controllo omestatico attivo poiché le proprietà dell emoglobina assicurano automaticamente che il sangue si saturi completamente di O 2, purché la ventilazione sia al di sopra di un certo livello minimo (regolazione intrinseca). Da cui il detto: bada alla CO 2, che l ossigeno baderà a se stesso

19 REGOLAZIONE DELL ELIMINAZIONE POLMONARE DELLA CO 2 La pco 2 del sangue che scorre attraverso i polmoni si equilibrerà con la pco 2 degli spazi aerei alveolari. Per regolare il ph arterioso a livelli fisiologici, il sangue deve lasciare il distretto polmonare con una pco 2 di circa 40 mm Hg Ciò richiede una precisa regolazione della CO 2 persa dal sangue nel distretto polmonare Al tal fine gli spazi aerei alveolari devono essere mantenuti ad un livello di pco 2 di circa 40 mm Hg.

20 Risposta cardio-respiratoria acuta all esercizio -1 frequenza cardiaca (HR). Può aumentare da circa 70 sino a ca. 200 bm. Il livello massimo dipende dall età. frazione di eiezione (SV). Può circa raddoppiarsi da 80 a circa 160 ml. È influenzata dall allenamento. pressione arteriosa ematica. Durante l esercizio il riflesso barorecettore è risettato a livelli più elevati. Ridistribuzione del flusso ematico. Durante l esercizio si vasodilatazione a livello muscolare (con riduzione della resistenza periferica) e vasocostrizione a livello viscerale con conseguente ridistribuzione della massa ematica.

21 Risposta cardio-respiratoria acuta all esercizio -2 Iperventilazione (TV e f). Il volume respiratorio può aumentare da circa 0.5 a 3.0 L; La frequenza respiratoria da 12 a 60 min -1 ; Pertanto MV sale da 6 a 180 L min -1 ; Aumento dell apporto di carburante Mobilizzazione di grassi e carboidrati

22 Caratteristiche generali del sistema di controllo risposta rapida (non instantanea). una parte della risposta è anticipatoria. accoppiamento preciso dell entità delle risposte al carico di lavoro totale nonostante siano impiegati gruppi muscolari differenti (ad es.: parte superiore ed inferiore del corpo) si impieghino tipi di contrazione differenti (ad es.: isometrica e isotonica).

23 Frequenza cardiaca (b*min -1 ) Distanza in metri start prestart 50mt 200mt 400mt

24 Cause della risposta cardiovascolare acuta all esercizio : il cuore L incremento iniziale della frequenza si deve alla caduta del tono parasimpatico L incremento sopra i ca b*min richiede l attivazione del sistema simpatico. La frequenza cardiaca propria (in assenza di regolazione autonomica) è pertanto di ca b*min L incremento della forza di contrazione cardiaca (cioè della contrattilità), che genera una maggior frazione di eiezione, si deve all azione combinata del Sistema nervoso autonomo e di meccanismi cardiaci intrinseci.

25 Complicazioni Poiché la Frequenza cardiaca aumenta con l intensità dell intensità dell esercizio il tempo utile per il riempimento ventricolare diminuisce. Questo fa si che sia sempre più difficile mantenere la frazione di eiezione man mano che aumenta l intensità dell esercizio: per intensità molto elevate la Frazione di eiezione efficace può diminuire L aumento della pressione del ritorno venoso rimedia in parte aumentando il riempimento ventricolare e attivando il meccanismo di Starling.

26 La pressione Venosa ematica è importante in corso di esercizio! La pressione ematica nella vena cava ( pressione venosa centrale ), è trascurabile a riposo (pochi mm Hg) cioè il sangue entra nel cuore a pressione molto bassa (il che rende possibile il ritorno della linfa nel sistema cardiovascolare). Durante l esercizio, la pressione venosa centrale aumenta di parecchie volte L aumento della pressione venosa aumenta la velocità di riempimento cardiaco ed attiva il meccanismo di Starling

27 fattori che incrementano la pressione venosa centrale in corso di esercizio Aumento della pressione ematica sistemica. La pompa muscolare, che agisce principalmente negli arti inferiori durante la locomozione La pompa respiratoria, che abbassa la pressione toracica durante ciascuna inspirazione Aumento del tono della muscolatura liscia Assicurare un adeguato ritorno ematico al cuore è altrettanto importante che assicurare un adeguato flusso ematico arterioso dal cuore

28 Cause di risposta cardiovascolare all esercizio : la circolazione La resistenza tissutale periferica e la pressione arteriosa ematica interagiscono per determinare il flusso ematico attraverso un dato letto vascolare. La rimodulazione del riflesso barorecettorio permette pressioni ematiche più elevate durante l esercizio. La Vasodilatazione a livello del muscolo in esercizio e della pelle abbassa la resistenza periferica. La vasodilatazione è il risultato di fattori locali, ormoni circolanti e ridotto tono vasomotorio simpatico, a livello del muscolo liscio arteriolare. La Vasocostrizione a livello viscerale contribuisce al mantenimento della pressione ematica

29 Le cause della risposta respiratoria - 1 Il ritmo respiratorio basale è generato in specifiche regioni del midollo ed è trasmesso al diaframma (attraverso il nervo frenico) ed agli altri muscoli respiratori. La pco 2 arteriosa è la principale variabile respiratoria a riposo. Durante l esercizio, tuttavia, la pco 2 non è il fattore principale che determina l aumento della ventilazione dal momento che non decresce se non a livelli di esercizio molto elevati.

30 Le cause della risposta respiratoria - 2 La [K + ] arteriosa è stata proposta come un possibile fattore di regolazione dal momento che I corpi carotidei sono sensibili a questo elettrolita. La [H + ] arteriosa contribuisce certamente alla stimolazione ventilatoria ad elevati livelli di esercizio ma non puo essere responsabile dell aumento di ventilazione alle intensità più basse perché mantnuta costante dal sistema tampone del bicarbonato

31 Le cause della risposta respiratoria - 3 In sintesi lo stimolo che determina la risposta cardiorespiratoria all esercizio può originare da: programmi neuromotori che contengono istruzioni per specifici movimenti volontari con un meccanismo a feedforward noto come central drive hypothesis cambiamenti fisiologici che dipendono dall attività fisica e che sono rilevati da neuroni sensitivi con un meccanismo a feedback noto come reflex hypothesis.

32 Le cause della risposta respiratoria - 4 L influenza del controllo centrale sul sistema cardiorespiratorio appare parte integrante dei programmi motori che regolano i patterns del movimento volontario. Le risposte anticipatorie inoltre possono solo avere un origine centrale. I più importanti stimoli sensoriali per i meccanismi riflessi, d altro canto, sono i cambiamenti chimici a livello del muscolo, rilevati da piccole fibre nervose sensitive. Un qualche rilievo sembrano inoltre avere i recettori articolari.

33 Le cause della risposta respiratoria - 5 Le influenze del controllo centrale sono verosimilmente più importanti all inizio dell esercizio: per la loro natura, sono capci di produrre ampi e rapidi cambiamenti ma non possono regolarli precisamente in rapporto alla frequenza di lavoro. I meccanismi riflessi, sono più lenti ma più precisi grazie al loro controllo a feedback. I due meccanismi hanno pertanto proprietà complementari.

34 Evidenze a supporto dell ipotesi del comando centrale Sperimentazioni animali: la stimolazione elettrica di parti del cervello coinvolte nel movimento volontario elicita anche risposte cardiorespiratorie. Il blocco parziale della trasmissione neuromuscolare (curarizzazione) conduce ad uno sforzo maggiore ed ad una maggiore risposta cardiorespiratoria a parità di intensità di esercizio. La stimolazione vibratoria dei tendini provoca un incremento della risposta cardiorespiratoria

35 Evidenze a supporto dell ipotesi riflessa La stimolazione elettrica dei muscoli o dei loro motoneuroni elicita una risposta cardiorespiratoria L anestesia epidurale non influenza la risposta cardiorespiratoria ad una frequenza di lavoro costante.