Context
La regulació neural i hormonal de la respiració és un dels sistemes de control més elegants del cos: combina un centre nerviós automàtic i immediat situat al tronc de l’encèfal amb una modulació química fina humoral, una mica més lenta, basada en la detecció de gasos i del pH de la sang. També existeix un mecanisme d’ajustos hormonals que actuen a més llarg termini. El sistema neural genera el ritme bàsic i el sistema humoral l’ajusta segons les necessitats metabòliques.
Control neural de la respiració
La respiració està controlada sobretot pel tronc de l’encèfal, que genera el ritme bàsic i l’adapta segons les necessitats metabòliques. És el mecanisme principal.
El centre respiratori es troba al bulb raquidi i a la protuberància (pons). Aquestes estructures generen i modulen el ritme automàtic respiratori, especialment el complex pre-Bötzinger bulbar que és el marcapassos respiratori. Té neurones inspiratòries que activen el diafragma i músculs intercostals i expiratòries que activen sobretot la respiració forçada. En la protuberància (en les àrees anomenades apnèustica i pneumotàxica) es regula la transició inspiració–expiració, en perllongar o limitar la inspiració i regular la freqüència respiratòria. L’escorça cerebral pot modificar temporalment de forma voluntària la respiració (parlar, cantar, aguantar la respiració), però el control automàtic sempre acaba dominant per protegir l’homeòstasi.
Aquestes estructures en el tronc cerebral reben els senyals sensitius dels quimioreceptors i baroreceptors externs pels nervis vague i glossofaringi i envien els senyals motors pel nervi frènic fins al diafragma i pels nervis intercostals a la musculatura toràcica.
Control químic de la respiració
Els centres respiratoris ajusten la ventilació segons les pressions parcials de gasos en sang (pCO₂ i pO₂) i també del pH del plasma. Els quimioreceptors perifèrics es troben en la paret de les artèries caròtides i de l’aorta (cossos carotidis i aòrtics respectivament). Contenen cèl·lules especialitzades (glòmiques -tipus I- i també glials o nodrisses -tipus II-) que detecten en el plasma la disminució d’oxigen (hipòxia) i del pH (acidosi) i l’augment d’anhídrid carbònic (hipercàpnia). Així, responen molt ràpidament a la hipòxia enviant senyals al centre respiratori via nervis glossofaringi i vague I augmentant la ventilació (la freqüència i profunditat respiratòria).
Aquests cossos estan molt vascularitzats per detectar ben aviat els possibles canvis. Les cèl·lules de tipus I, originades en la cresta neural embrionària, tenen diferents neurotransmissors i cotransmissors (dopamina, acetilcolina, noradrenalina, serotonina, nucleòtids) que alliberen en despolaritzar-se en resposta als esmentats canvis en el plasma. Els neurotransmissors actuen sobre les terminacions nervioses aferents dels nervis glossofaringi i vague.
En alguns llocs del sistema nerviós central amb accés al líquid cefalorraquidi (LCR; la mateixa zona bulbar al voltant del quart ventricle), hi ha també quimioreceptors que tenen una resposta més lenta, però sostinguda que els perifèrics esmentats i són responsables de la major part del control ventilatori basal. Aquests quimioreceptors detecten l’augment de CO₂ en el LCR que en generar àcid carbònic (H2CO3), acidifica el LCR i influeixen en els centres respiratoris veïns per hiperventilar.
Control hormonal de la respiració
Certes hormones sistèmiques no generen el ritme respiratori, però modulen la sensibilitat dels centres respiratoris i, per tant, la resposta ventilatòria.
Així l’adrenalina provoca broncodilatació i augmenta la ventilació durant l’exercici o en situacions estressants. Les hormones tiroidals (T3/T4) augmenten el metabolisme incrementant la producció de CO₂ i augmentant doncs la ventilació. La progesterona estimula els centres respiratoris durant l’embaràs i el cortisol modula la sensibilitat dels quimioreceptors.
En resum, la respiració és el resultat de la interacció entre els centres nerviosos que generen ritme, quimioreceptors centrals I perifèrics que l’ajusten i hormones sistèmiques que modulen la ventilació en situacions especials (estrès, embaràs, tiroïditis).
La col·laboració entre el mecanisme neural, l’humoral (quimioreceptors) i l’hormonal modulador, és una de les més boniques actuacions conjuntes de mecanismes de comunicació i control.
Músculs implicats
Els músculs implicats en la respiració es divideixen en inspiratoris, expiratoris i accessoris, segons si participen en la respiració basal, tranquil·la o en situacions d’esforç, exercici o patologia. La seqüència d’activació muscular en la respiració segueix un ordre molt precís i constant, perquè cada grup muscular modifica el volum toràcic d’una manera concreta.
Els músculs inspiratoris principals són el diafragma i els músculs intercostals externs. El diafragma és el múscul respiratori més important, ja que en contraure, descendeix cap a l’abdomen i això augmenta el volum toràcic i l’entrada d’aire. És el responsable del 75% del flux inspiratori en repòs. Els intercostals externs eleven les costelles i expandeixen el tòrax en sentit anteroposterior i lateral. Altres músculs inspiratoris accessoris en situacions d’esforç, intervenen en la motilitat de l’estèrnum (com el múscul esternoclidomastoidal), algunes costelles o la cintura escapular (com el trapezi i els pectorals).
Els músculs expiratoris principals són actius en expiració forçada, donat que en repòs, l’expiració és passiva, elàstica, i només s’activen en situacions de tos, exercici o obstrucció. Són alguns intercostals i abdominals (rectes, oblics i transvers) que poden empènyer al diafragma cap amunt.
Control cel·lular i molecular dels músculs respiratoris
Motoneurones
El control és més complex que el simple “centre respiratori” enviant ordres. Implica motoneurones especialitzades, sinapsis excitadores i inhibidores, canals iònics, factors de transcripció, senyals metabòliques i mecanismes de plasticitat que ajusten la força i el patró de contracció especialment del diafragma i dels intercostals.
Els músculs respiratoris són músculs estriats esquelètics, i estan innervats per motoneurones somàtiques frèniques en la medul·la cervical que innerven al diafragma i motoneurones intercostals toràciques, a més de les motoneurones accessòries pels altres músculs. Totes aquestes motoneurones reben senyals del complex pre-Bötzinger i altres nuclis del bulb raquidi, que generen el ritme respiratori.
Les motoneurones respiratòries funcionen com qualsevol neurona motora, però amb algunes característiques especials per generar ritmes repetitius i resistir la fatiga, i com veurem els músculs corresponents també han d’estar adequats per tenir una bona relació entre resistència i fatiga.
Les motoneurones esquelètiques reben milers de sinapsis que els aporten múltiples informacions (posturals, sobre l’equilibri del cos, sobre patrons de moviment, etc.) provinents tant del sistema nerviós central com del perifèric. Les motoneurones dels centres respiratoris reben especialment informació dels quimioreceptors centrals i perifèrics i també de mecanoreceptors situats en els pulmons i tòrax que poden generar el reflex d’Hering–Breuer, que és un reflex protector pulmonar que inhibeix la inspiració quan els pulmons s’inflen i s’estiren massa. En les sinapsis, la neurotransmissió excitadora (glutamat) i inhibidora (GABA i glicina), i els canals iònics mobilitzats són els habituals. Cal destacar, però, la presència de canals marcapassos (HCN, Hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated channels, com els que es troben també en el sistema de conducció cardíac per generar ritme espontani). Aquests canals contribueixen a la ritmicitat en neurones del pre-Bötzinger perquè s’activen quan la membrana s’hiperpolaritza i automàticament la despolaritzen en augmentar la permeabilitat al sodi extracel·lular.
Cèl·lules musculars
Els músculs respiratoris tenen propietats moleculars particulars perquè treballen tota la vida sense aturar-se. Comparteixen els tipus de miòcits lents, de metabolisme particularment oxidatiu, resistents, que també conforma els músculs esquelètics més posturals i menys implicats en grans treballs explosius. Així, els principals tipus de fibres musculars són les de tipus I, molt resistents a la fatiga i predominants al diafragma, i les de tipus IIa, més ràpides però també més fatigables usades en la respiració forçada.