Corso Integrato di Fisiologia Umana Sistemi regolatori Controllo nervoso della respirazione G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 1
Meccanica della respirazione G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 2
Sistema nervoso centrale e respirazione G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 3
Circuiti complessi di controllo del respiro G. Cibelli, 2008 Motoneuroni frenici Motoneuroni respiratori toracici Motoneuroni addominali Neuroni premotori: Gruppo respiratorio ventrale (RVG) Complesso di Botzinger Proiezioni sensoriali (gangli giugulare e nodoso) Neuroni sensorimotori di ordine superiore e neuroni generatori del ritmo: Complesso prebotzinger N. parabrachiale N. del rafe N, retrotrapezioide Anno Accademico 2007-2008 4
Modulazione dell attività respiratoria I neuroni respiratori si attivano quando ricevono un comando eccitatorio fasico I neuroni respiratori rimangono silenti quando ricevono un comando inibitorio fasico Il comando eccitatorio è periodico e induce la scarica ritmica di tutti I neuroni Fanno eccezione I neuroni pacemaker Tre tipi di inibizione mediata sinapticamente: 1. Inibizione reciproca 2. Inibizione ricorrente 3. Inibizione della transizione di fase G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 5
Attività motoria respiratoria G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 6
Neuroni respiratori modello di generazione del ritmo respiratorio a due fasi: 1. Fase inspiratoria (I) 2. Fase espiratoria (E) modello di generazione del ritmo respiratorio a tre fasi: 1. Fase inspiratoria (I) 2. Fase espiratoria iniziale (postinspirazione G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 7
Generazione del ritmo respiratorio G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 8
Il modello pacemaker (complesso prebotzinger) G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 9
Afferenze sensoriali: I chemocettori G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 10
Afferenze sensoriali: I meccanocettori G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 11
Proiezioni afferenti al NTS G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 12
Ritmogenesi respiratoria I: chemo-feedback II: mechano feedback III: non-feedback afferents IV: centrogenic drive (or inhibition) G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 13
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. G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 14
Pattern di respiro anomalo a seguito di lesioni del SNC G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 15
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. G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 16
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 dorsomedialmente 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. G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 17
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 90 120 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'ipossiernia (bassa P0 2 ematica) avvertita dai chemocettori periferici. Se questi pazienti respirano 0, senza controllo medico l'ipossiemia può sparire, e senza questo stimolo il respiro di questi pazienti può cessare. G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 18
L'abuso di farmaci L'abuso di farmaci costituisce un'altra causa di depressione respiratoria sufficiente ad elevare la PC0 2 per produrre un ulteriore depressione respiratoria. Narcotici, barbiturici e molti anestetici generali deprimono il respiro e riducono la sensibilità dei chemocettori agli aumenti di PC0 2 o alle riduzioni di P0 2. Pertanto, ad alte dosi, questi farmaci possono provocare morte per insufficienza respiratoria. G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 19
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. Il più comune, l'apnea ostruttiva del sonno, si verifica quando il flusso aereo inspiratorio riduce la pressione nelle vie aeree (mediante l'effetto di Bernoulli), retraendo le pareti delle vie aeree superiori e provocando ostruzione delle vie aeree. Durante la veglia, l'attività dei muscoli delle vie aeree contrasta queste forze collassanti. Tuttavia, durante il sonno, la riduzione del tono nelle vie aeree può dar luogo a vibrazione delle pareti dell'orofaringe (il russare). In casi più gravi, la perdita di attività del nervo glossofaringeo, che innerva la lingua, può provocare un'ostruzione delle vie aeree. L'ostruzione riduce o abolisce la ventilazione, innalzando la CO 2 ed abbassando l'0 2. Ciò, a sua volta, può provocare allerta o risveglio, ripristino del tono dei muscoli delle vie aeree e pervietà delle stesse. In casi gravi, il ciclo di sonno, l'ostruzione delle vie aeree e il risveglio indotto da ipossia si ripetono centinaia di volte ogni notte. La marcata alterazione del sonno può provocare ipersonnia debilitante, e la grave apnea ostruttiva del sonno può avere anche altre complicanze, come l'ipertensione. Nell'apnea centrale del sonno, una meno comune forma di apnea del sonno, le pause nel respiro originano dall'incapacità del generatore centrale del respiro a generare un ritmico comando motorio. I meccanismi che sottostanno alle apnee centrali non sono chiari, ma il problema è stato associato con differenti alterazioni neurologiche, incluse le lesioni del bulbo, le disfunzioni autonome e le encefaliti, che possono alterare la funzione bulbare. G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 20
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 irrego lare, con periodi di apnea e ridotte risposte di allerta all'ipossia e all'ipercapnia. Epiderniologicamente, 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 depriniere il respiro sufficientemente causando arresto respiratorio e morte. G. Cibelli, 2008 Anno Accademico 2007-2008 21