Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

     
Respirationssystem und Atemgastransport

Regulation der Atmung
© H. Hinghofer-Szalkay

glomera carotica: glomus = Knäuel, καρώδης = betäubt, von καρόω "in tiefen Schlaf versetzen" (wie beim Druck auf Halsarterie, vor allem bei überempfindlichen Menschen)
Hering-Breuer-Reflex: Josef Breuer, Ewald Hering (1868: erster experimentell erforschter biologischer Regelungsmechanismus)
Hyper-, Hypoventilation: ὑπέρ = über (hinaus) / ὑπό = unter, ventus = Wind
liquor cerebrospinalis: liquor = Flüssigkeit, cerebrum = Gehirn, spina = Dorn, Rückgrat
Undine's Fluch: unda = Welle: Undine = Wassergeist, Nymphe




Die Atmung folgt einem autonomen Rhythmus (Spontanatmung), andererseits wird sie durch zahlreiche periphere (Rückkopplung) und zentrale Impulse (Steuerung) modifiziert. Nervenzellgruppen im Hirnstamm generieren durch wechselseitige Anregung und Hemmung spontane Entladungssalven. Sie reagieren auf zentrale Steuerimpulse sowie Signale von peripheren Rezeptoren und werden als Atemzemtrum zusammengefasst.

Physische Belastung steigert die Ventilation bis etwa 20-fach, angeregt durch zentrale (vor allem aus motorischen Zentren, "Mitinnervation") und periphere Impulse (aus dem Bewegungssystem und der Lunge).

Steigender pCO2 (auch sinkender pH oder pO2) - erfasst durch Chemorezeptoren in Hirnstamm und arteriellen Glomuskörperchen - ist ein weiterer wichtiger Atemantrieb, erhöhter CO2-Partialdruck (Hyperkapnie) kann die Ventilation bis ~10fach steigern. Die Empfindlichkeit der Atemantriebe kann durch Begleitfaktoren beeinflust werden, z.B. verändert der pO2 die CO2-Kennkurve (Reaktion der Atmung auf veränderte CO2-Werte).

Aus der Lunge melden Dehnungs- und Irritationsrezeptoren, sie begrenzen die Atemtiefe (Hering-Breuer-Reflex) und beeinflussen Atemform und Bronchien (Weite, Sekretion). Die Bronchien sind parasympathisch (Bronchialmuskulatur) und sympathisch versorgt (Gefäße, Drüsen).

Die Atmung ist in den Säure-Basen-Haushalt integriert: Sie ist das System, das die größte Menge an sauren Valenzen aus dem Körper entfernt (Kohlensäure). Nichtrespiratorische pH-Abweichungen werden durch vermehrtes oder verringertes Abatmen von CO2 korrigiert (respiratorische Kompensation). Eine Atemform, die in Relation zum Säure-Basen-Status zu viel CO2 abatmet, nennt man Hyperventilation (senkt den pCO2: Hypokapnie); atmet man zuwenig CO2 ab, spricht man von Hypoventilation (bewirkt Hyperkapnie).



Übersicht  Periphere Chemorezeptoren Weitere pulmonale Rezeptoren  Zentrale Chemorezeptoren Atemzentrum CO2, Hypo- und Hyperkapnie, Hypo- und Hyperventilation Innervation der Atemwege

Core messages
  
Rezeptoren geben Aufschluss über Atemgaswerte und den Zustand des Respirationssystems
  
Zahlreiche innere und äußere Bedingungen beeinflussen die Art und Weise, wann, wie oft und wie tief wir Luft holen. Die Atmung wird in einer Weise gesteuert, dass
 
 
  einerseits möglichst alle relevanten Zustandsvariablen im Körper Berücksichtigung finden (wie momentane Atemtiefe, Atemgaswerte, pH-Wert im Blut, Signale aus Oberflächen- und Tiefensensibilität, Schmerzeinflüsse),

 
  andererseits aktuelle Präferenzen die regulative Oberhand zugewiesen bekommen (bei der Durchführung bestimmter motorischer Aufgaben, z.B. beim Sprechen, Schlucken, usw).

Dabei wechseln die Bedingungen ständig und oft in Sekundenbruchteilen; rasche Neuregulierungen und laufende Anpassung der Feineinstellung sind erforderlich.

Periphere (in
Paraganglien, Atemapparat, Bewegungssystem, Haut, Sinnesorganen) und zentrale Rezeptoren (im Gehirn) ermöglichen eine Steuerung der Atmung, die nicht auf bewusste Kontrolle angewiesen ist.
 

<Abbildung: Afferente Meldungen aus den lufthältigen Räumen der Lunge
Nach Chiu IM, von Hehn CA, Woolf CJ. Neurogenic inflammation and the peripheral nervous system in host defense and immunopathology. Nat Neurosci 2012; 15: 1063-7

Mikrobielle, Schmerz- oder Entzündungssignale detektieren über sensorische Fasern die Anwesenheit von Schadstoffen und Mikroorganismen, und sind zytokinempfindlich.
 
Links: Zytokinrezeptoren wie der Interleukinrezeptor
IL-1βR und der TNF-Rezeptor TNF-αR reagieren auf von Immunzellen gebildete Faktoren. Das erhöht die Erregbarkeit der Membran über Signalwege wie z.B. MAP-Kinasen.
 
Mitte: Gefahrenrezeptoren wie TRP- und P2X-Kanäle oder DAMP-Rezeptoren (DAMP, danger-associated molecular pattern) reagieren auf exogene (Säure, Hitze, Chemikalien) oder endogene Gefahrenreize (wie ATP oder Harnsäure).
 
Rechts: PRRs (pattern recognition receptors) wie TLRs (toll-like receptors) und TLRs (toll-like receptors) detektieren von Bakterien oder Viren produzierte PAMPs (pathogen-associated molecular patterns)
 
  Neuronale Gefahrenrezeptoren: TRP-Kanäle s. dort
 
  P2X-Rezeptoren s. dort

  Zytokinrezeptoren: Interleukin s. dort
 
  TNF s. dort


Afferenzen: Etwa 20% der Vagusfasern versorgen das Respirationssystem - dieses ist sensorisch fast ausschließlich vagal versorgt, viele Afferenzen stammen von Nozizeptoren, die Impulse laufen vorwiegend über C- (und einige Aδ-) Fasern.

In der Wand der Luftwege befinden sich verschiedenartige Rezeptoren - an Epithelzellen, Fibroblasten, Mastzellen, Eosinophilen u.a. - und afferente Nervenfasern, welche den Zustand von Schleimhäuten und umliegendem Gewebe überprüfen: Temperatur, Gaszusammensetzung, mechanische und chemische Reizung. Mechanosensibilität (Aβ-, Aδ-Fasern) - z.B. im Bereich des Kehlkopfs und der Luftröhre - wird über Pacini- und Ruffini-artige Körperchen, Muskelspindeln u.a. vermittelt und z.T. nicht-vagal geleitet.

Reizung durch Viren, Bakterien, Pollen, Staub, Reizgase etc. aktiviert afferente Nerven. Dies erfolgt u.a. über Zytokine, Wachstumsfaktoren, biogene Amine, Prostaglandine, ATP, H+. Solche Stoffe aktivieren Rezeptoren in der neuronalen Zellmembran, dies öffnet Ionenkanäle (Na
+, Ca++), depolarisiert die Nervenzelle und führt zur Freisetzung von Neuropeptiden. Die Signale werden teils orthodrom zum nucl. tractus solitarii gesendet, teils antidrom in die Nachbarschaft der gereizten Stelle.

Die Reaktionen auf diese Reizmuster werden vorwiegend umbewusst verarbeitet.
Die Reizeffekte sind komplex - teils lokal, teils über das Gehirn mediiert: Atmung (Tiefe, Frequenz), Bronchienweite, Sekretion, Durchblutung, zentrale Projektionen (Hustenreflex, Dynpnoe).
 
 
Rezeptoren in Lunge und Luftwegen
 
Nach Schwartzstein / Parker, Respiratory Physiology - A Clinical Approach (2006)

Lage
Fasern
myelinisiert?
Rezeptortyp
Reiz
Effekt auf Atmung
Obere Luftwege
Nase
ja
mechanisch
Strömung
Abnahme
Rachen
ja
mechanisch
Schlucken
Stillstand
Lunge
Langsam adaptierende Rezeptoren
ja
mechanisch
Erweiterung der Lunge
Erhöhte Exspirationszeit
Deflation der Lunge
Erhöhte Atemfrequenz
Rasch adaptierende Rezeptoren
ja
mechanisch und chemisch
Deflation der Lunge Erhöhte Atemfrequenz, Seufzen
C-Fasern
nein
mechanisch
erhöhter Kapillardruck
erhöhte Atemfrequenz
(?)
chemisch
Capsaicin
Bradykinin
Serotonin
Prostaglandin
 
Diese verschiedenen Afferenzen - bezüglich Luftströmung, Dehnung, Druck, Irritantien - vermitteln für die Atemsteuerung essentielle Information.

Dehnungsrezeptoren
werden nach ihrem Differentialverhalten kategorisiert, also der
Geschwindigkeit, mit der sie nach Änderungen des betreffenden Lungenvolumens adaptieren (Tabelle). Langsam adaptierende (slowly adapting stretch receptors, SARs) behalten die dehnungsabhängige Aktionspotenmtialfrequenz ziemlich bei, während rasch adaptierende (rapidly adapting stretch receptors, RARs) das nicht tun - ihre Erregung geht schnell auf einen Mittelwert zurück.

      RARs sind rasch adaptierende, SARs langsam adaptierende Dehnungsrezeptoren in der Lunge. Letztere stellen ihren Messbereich und ihr Aktivitätsverhalten gegebenenfalls auf veränderte Bedingungen ein. Beide haben myelinisierte Afferenzen.

SARs liegen vermutlich im Bereich der glatten Muskulatur der Atemwege und spielen eine Rolle bei der Begrenzung der Inspirationsbewegung; RARs
liegen im Bereich der epithelialen Auskleidungen, lösen aus zentralen Bereichen Husten und Schleimproduktion aus; zum Teil entsprechen sie den Irritationsrezeptoren. Die Bedeutung der C-Fasern ist nicht ganz geklärt; einige wurzeln im Bereich von Bronchien, andere dienen als Afferenzen von J-Rezeptoren (s. unten), die in der Nähe pulmonaler Kapillaren liegen ("juxtapositioniert", daher das J) - vielleicht angeregt durch erhöhten Kapillardruck oder Flüssigkeitsansammlung im Interstitium.

Brustwandrezeptoren sind Muskelspindeln (Länge) und Golgi-Rezeptoren (Kraft) in Muskeln und Sehnen - insbesondere der Interkostalmuskulatur, aber auch im Zwerchfell. Sie ermöglichen ein direktes Feedback von der Mechanik des Atemapparats (Inpirationstiefe, auftretende mechanische Belastungen) zur Atemsteuerung. Beispielsweise wird die Inspirationsmuskulatur stärker angeregt, wenn die Einatmung durch Auftreten eines erhöhten Widerstandes behindert wird, oder gestoppt, wenn an den Sehnen hohe Kräfte auftreten.

Außer den genannten Eingängen zum Atemzentrum spielen auch Afferenzen aus Muskeln, Sehnen und Gelenken (Bewegungssystem), Sinnesorganen (z.B. stechender Geruch, Schmerz) und Haut (Kältereize) einen der bewussten Verarbeitung weitgehend entzogenen Einfluss auf die Steuerung der Atmung.

Die zentrale Verarbeitung der Signale aus dem Respirationssystem erfolgt u.a. über Hirnstamm (nucl. tractus solitarii) → ThalamusInsel, motorischen und somatosensorischen Kortex, posterioren Parietalkortex, orbitofrontalen Kortex.


Periphere Chemorezeptoren
  
Für die Steuerung der Atmung zuständige Chemorezeptoren registrieren Blutgaswerte - zentrale Chemorezeptoren (in der medulla oblongata) vor allem pCO2 und pH-Wert im liquor cerebrospinalis (was den Werten im arteriellen Blut entspricht), periphere pO2, pCO2 und arteriellen pH-Wert.

Da die sauerstoffempfindlichen Rezeptoren den Partialdruck (pO2), nicht aber die transportierte Sauerstoffmenge messen, hat eine Anämie an sich - z.B. bedingt durch Eisenmangel - keinen atemanregenden Effekt (das hätte auch keinen Sinn, denn das Problem ist nicht die Sauerstoffsättigung - bei normaler Atmung nahe 100% -, sondern die geringe Menge an Hämoglobin - also die den O2-Transportkapazität -, und die physikalisch gelöste Menge an Sauerstoff würde bei vermehrter Atmung mit dem pO2 zwar zunehmen, ist aber im Vergleich zu der am Hämoglobin befindlichen Menge vernachlässigbar. Darüber hinaus würde Mehratmung eine Hypokapnie verursachen).
 
    
>Abbildung: Lage peripherer Chemorezeptoren (links) und Aufbau / Funktion eines Carotiskörperchens (rechts)
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

Afferenz von glomera carotica über Sinusnerven zum IX., und von glomera aortica über Aortennerven zum X. Hirnnerven.
 
Glomuszellen:
 
    Typ I-Zellen (Hauptzellen) chemosensitiv
 
    Typ II-Zellen gliaähnlich


Die peripheren Chemorezeptoren sind Paraganglien in den knötchenförmigen glomera carotica in der Aufgabelung der Halsschlagader (>Abbildung) und glomera aortica in der Wand des Aortenbogens.

Diese kleinen Organe (e
in glomus caroticum wiegt etwa 2 Milligramm) haben die höchste Durchblutungsrate aller Gewebe im Körper, ihre spezifische Durchblutung ist extrem hoch (~40mal höher als im Gehirn), sodass im gesamten Organ praktisch arterielle Partialdruck- (pO2, pCO2) und pH-Werte herrschen - also die für die Steuerung der Atmung relevanten Werte.

  Die spezifischen Zellen der Glomera heißen Glomuszellen. Diese stammen vom Neuroektoderm ab und ähneln Nervenzellen. Ihre wichtigste Funktion ist die Raktion auf Hypoxie: Ihre Membran verfügt über zahlreiche spannungsgesteuerte Ionenkanäle, sie können Aktionspotentiale generieren, und ihre intrazellulären Vesikel enthalten Transmitterstoffe (Azetylcholin, Dopamin, ATP, Noradrenalin, Substanz P, Metenkephalin), die sie bei Stimulation freisetzen. Diese Transmitter kontrollieren die Aktionspotentialfrequenz der afferenten Fasern des Sinus- (glomera carotica) bzw. Aortennerven (glomera aortica); diese enthalten ebenfalls Vesikel, sodass die Syapsen zwischen Glomuszelle und sensibler Nervenfaser möglicherweise bidirektional wirken.

Glomuszellen scheinen polymodal zu funktionieren und können ausser auf Hypoxie auch auf andere Reize reagieren (Druck, Hyperkapnie, Azidose, Hyperkaliämie, osmotische Hypotonie, Hyperthermie, Hormone, Pharmaka).

Die chemosensitiven Zellen heissen Typ I-Zellen (Hauptzellen, Type I (glomus) cells). Ihr
Durchmesser beträgt ~10 µm, sie sind in Gruppen angeordnet (>Abbildung) und kommunizieren über gap junctions (funktionelles Synzytium).



N
iedriger pO2 (Hypoxie: Ungenügendes Sauerstoffangebot, z.B. durch erniedrigten Sauerstoffpartialdruck im arteriellen Blut), weiters hoher pCO2 (>45 mmHg - Hyperkapnie) und niedriger pH-Wert (<7,35 - Azidose) verringern in Glomuszellen die Wahrscheinlichkeit des Offenseins hypoxieempfindlicher Kaliumkanäle, insbesondere unter 60 mmHg pO2. Die Folge des sinkenden Hinausdiffundierens von Kaliumionen sind abnehmendes Membranpotential (Depolarisation), Öffnung spannungsgesteuerter Kalziumkanäle, erhöhtes intrazelluläres [Ca++], Freisetzung von Dopamin und dadurch erhöhte Aktionspotentialfrequenz sensibler (afferenter) Fasern im N. glossopharyngeus (Carotis) bzw. vagus (Aorta). Dies regt schließlich im Atemzentrum die Ventilation an.
 


<Abbildung: Afferenzen zum Atemzentrum
Nach einer Vorlage in networkindesign.com

Afferenzen zum Atemzentrum im Hirnstamm stammen aus
 
  zentralen (Großhirn: willkürliche Beeinflussung, feed-forward-Koppelung bei Aufnahme körperlicher Aktivität; limbisches System: emotionale Reaktionen, z.B. Aufschreien; zentrale Chemorezeptoren: pH, pCO2) und
 
  peripheren Quellen (Chemorezeptoren: pO2; Dehnung der Lunge: Hering-Breuer-Reflex; Propriozeption im Muskel: Feedback-Koppelung; Berührung, Schmerz, Temperatur: schreckhafte Inspiration u.a.)


Glomuszellen werden von präganglionären sympathischen Fasern versorgt - sie haben wahrscheinlich modifizierende Funktion. Sympathische Ganglienzellen und postganglionäre sympathische Fasern wirken auf Gefäßmuskelzellen im Glomus ein: Ihre Aktivität kann die Durchblutung im glomus reduzieren und so einen lokalen Abfall des pO2 verursachen, was eine allgemeine Hypoxie "vortäuscht" und atemanregend wirkt.

Weiters sind Glomuszellen von Typ II-Zellen (sustentacular cells) umgeben, die Glia-ähnliche Funktion haben. Die umgebenden Kapillaren sind vom fenestrierten Typ, ideal für die Funktion der Glomuszellen als Chemorezeptoren.

Die Zuleitung glomerulärer Aktionspotentiale zum Atemzentrum erfolgt vom glomus caroticum über den Sinusnerv und den N. glossopharyngeus (IX), und von den glomera aortica über den Aortennerv und den N. vagus (X).
 
Weitere pulmonale Rezeptoren
  
Im Lungengewebe liegen Dehnungsrezeptoren, die nur langsam adaptieren (slowly adapting receptors, SARs), mit zunehmender Atmungstiefe erregt werden und die Inspiration begrenzen (Lungendehnungs- oder Hering-Breuer-Reflex). Der Reflex ist physiologischerweise vor allem bei Kindern wirksam und begrenzt die Inspirationstiefe bzw. das Atemzugvolumen. Mediiert wird der Reflex über Hinterhornafferenzen, deren Neurone über mechanosensible Ionenkanäle des Typs Piezo2 verfügen.

Ein Ausfall des
Lungendehnungsreflexes führt zu vertiefter Atmung, in der Folge nimmt die Atemfrequenz ab, um keine Hypokapnie und respiratorische Alkalose entstehen zu lassen (Chemorezeptoren: Stabilisierung der Blutgaswerte).
 

Dehnung der Lunge aktiviert Afferenzen über den N. vagus.
 
Aktivität dieser Afferenzen begrenzt die Inspiration (Hering-Breuer-Reflex).

 
1868 entdeckte und beschrieb Karl Ewald Hering zusammen mit Josef Breuer die "Selbststeuerung der Atmung" durch dehnungsabhängige Rezeptorreizung in den Luftwegen und - über sensible Fasern des pulmonalen N. vagus vermittelte - Hemmung der Inspiration und Freigabe der Exspiration ("Hering-Breuer-Reflex"). Diese experimentelle Untersuchung und Analyse eines biologischen Regelmechanismus gilt als früher Schritt zur Entwicklung der Biokybernetik. Den molekularbiologischen Mechanismus der involvierten Mechanorezeptoren beschrieb die Arbeitsgruppe um Ardem Patapoutian.



     Rasch adaptierende Dehnungsrezeptoren im Bronchialbaum (rapidly adapting receptors, RARs) vermitteln Irritationsreize, wie sie durch plötzliche und anhaltende Weitung des Alveolarraums auftreten. Diese Rezeptoren sind sehr empfindlich auf Mediatoren wie Histamin, Serotonin, Prostaglandine, Bradykinin, aber auch auf inhalierte Reizstoffe wie Zigarettenrauch, Ammoniak oder Äther. Ihre Aufgabe ist es, potentiell pathologische Prozesse in der Lunge zu detektieren.

  
  J-Reflex: In der Wand von Alveolen und Atemwegen befinden sich weiters "J-Rezeptoren", die auf Irritationen reagieren und reflektorisch Bronchokonstriktion, Schleimsekretion, sowie flache und rasche Atmung auslösen. Dieses Reaktionsmuster schützt die Lunge, indem es die pulmonalen Abwehrvorgänge begünstigt.

      J-Rezeptoren sind juxtakapilläre Rezeptoren mit C-Faser-Afferenzen in der Tiefe des Lungengewebes. Sie werden möglicherweise durch Erhöhung des Kapillardrucks angeregt, oder durch Ansammlung pulmonaler interstitieller Flüssigkeit (wie sie bei Herzschwäche auftritt).
 


     Rezeptoren im gesamten Bewegungsapparat (Muskeln, Sehnen, Gelenke) stimulieren bei physischer Belastung die Atmung von Anfang an - z.T. als "Vorwärtskopplung", d.h. im Zuge einer motorischen "Efferenzkopie" (efference copy) an Atem- und Kreislaufzentrum im Hirnstamm. Die Atemgaswerte bleiben auf diese Weise im Wesentlichen stabil, es tritt weder Hypoxie noch Azidose auf (das erfolgt erst nach Übersteigen der aeroben Kapazität).
 
Zentrale Chemorezeptoren
 
Zentrale Chemorezeptoren beim Atmungszentrum der medulla oblongata (sowohl ventral als auch dorsal gelegen) werden durch Anstieg des arteriellen pCO2 (CO2 kann im Gegensatz zu Protonen die Blut-Hirn-Schranke passieren), sowie ein Absinken des pH in Blut und Liquor erregt (der pH-Wert des Liquor ist direkt mit dem arteriellen pCO2 korreliert). CO2 bewirkt einen besonders intensiven Atemantrieb (<Abbildungen unten). Im Hirnstamm gibt es Neuronen, die auf Senkung des pH (=Erhöhung der H+-Konzentration) reagieren, z.B. in den Raphekernen und im nucleus tractus solitarii. Azidose / Hyperkapnie erzeugt einen intensiven Atemantrieb (Hypoxie wirkt vergleichsweise schwächer atemstimulierend); Hyperkapnie / respiratorische Azidose verstärkt die Akutantwort auf Hypoxie.

Die ersten Atemzüge nach der Geburt sind durch Erregung der Chemorezeptoren beim Abnabeln - Anstieg des p
CO2 im Blut des Neugeborenen - bedingt.
  
Im Atemzentrum laufen die Fäden zusammen: Periphere und zentrale Impulse
  
Die Atemtätigkeit läuft zum Großteil unbewusst ab - es wäre Ressourcenverschwendung, über jeden Atemzug nachdenken zu müssen (vom Schlaf ganz zu schweigen). Die Ventilation erfolgt sozusagen auf "Autopilot", und es ist das Atemzentrum im Hirnstamm, das die Kontrolle übernimmt. Die Gesamtheit der Neurone, die eine (automatische) rhythmische Atmung bewirken, wird als „zentraler Mustergenerator“ (central pattern generator) bezeichnet.

Das Atemzentrum berücksichtigt dabei nicht nur Signale aus dem Respirationssystem selbst (Atemtiefe, Luftwege..), sondern auch Blutgaswerte (pCO2, pO2, Blut-pH) und die Eingänge von verschiedenen Reflexbögen (z.B. unwillkürliche Inspiration bei plötzlicher Kälteeinwirkung - kalte Dusche!).

Das Großhirn als übergeordnete Instanz kann allerdings jederzeit modulierend eingreifen, z.B. bei Sprechen, Singen, Essen, Trinken, Schreckreaktionen, Atemanhalten usw. Insoferne steht die Atmung (anders als der Kreislauf oder das Verdauungssystem) unter bewusster Kontrolle. Der motorische Kortex hat über die Pyramidenbahn direkten Zugriff auf die Motorik des Respirationssystems. Allerdings kann das Großhirn nur einen kurzzeitigen "Override" über das Atemzentrum ausüben; hält man z.B. die Atmung bewusst an, steigt der pCO2 und sinkt der pO2, und nach kurzer Zeit wird die bewusste Kontrolle durchbrochen, man atmet zwangsweise weiter.

Insbesondere bei körperlicher Belastung muss der Austausch der Atemgase ansteigen (bei Spitzenbelastungen um das Zigfache). Auch in dieser Situation sind es mehrere Komponenten, die bei der Steueruzng der Atmung kooperieren - etwa im Sinne einer Vorausregelung, wenn die Atmung schon vor einer Änderung von Blutgaswerten zunimmt, sodass es nicht zu Hypoxie, Hyperkapnie und Azidose kommt, wenn der Bedarf der aktiven Muskelzellen gestiegen ist und sie Laktat in das Blut abgeben.


>Abbildung: Synopsis des Respirationssystems
Nach einer Vorlage in austincc.edu

Afferenzen über N. glossopharyngeus (IX) und vagus (X)
 
Vegetative Efferenzen über X. und (nicht gezeigt) Sympathikusnerven
 
Motorische Efferenzen über N. phrenicus (Zwerchfell) und Nn. intercostales (Zwischenrippenmuskeln)


Die Steuerung der Atmung erfolgt vom verlängerten Rückenmark aus.
 

  
   Rhythmusgenerierenden Neuronen erzeugen spontane Impulsfolgen, wobei sich wahrscheinlich "inspiratorische" und "exspiratorische" Zellen wechselseitig hemmen und sich daraus Aktivitätsoszillationen ergeben. Die dorsale Neuronengruppe (dorsal respiratory group, DRG) des verlängerten Marks wirkt vorwiegend inspiratorisch, die ventr (olater) ale (ventr(olater)al respiratory group, VRG) beinhaltet sowohl exspiratorisch als auch inspiratorisch aktive Neuronen.

Letztere Neuronengruppe enthält auch Neuronen, die Kehlkopf und Schlund innervieren.
Am Beginn einer Inspiration regen sie die Muskeln im Larynx zu einer Erweiterung der Stimmritze an, um den Luftstrom zu erleichtern.

Ergebnis ist die
rhythmische Aktivierung der Inspirationsmuskeln. Ein Teil der ventralen Neuronengruppe - der Prä-Bötzinger-Komplex - ist vermutlich der eigentliche Schrittmacher der Atemrhythmik.

Die Funktion von Neuronen in der Brücke (potines Zentrum, pontine respiratory group) ist weniger klar. Vielleicht glätten sie die Übergänge zwischen Ein- und Ausatmung und "vermitteln" zwischen Großhirn und Atemzentrum.

Beschädigung des pontinen Zentrums (Schlaganfall) kann zu
apneustischer Atmung führen - lange Einatmung gefolgt von rascher Ausatmung und Atempause.
 
  
  Zu Neuronen, die den Atemantrieb steuern, werden außer von den oben genannten Einflüssen (Chemo-, Lungen- und Muskelrezeptoren) auch von Thermorezeptoren, arteriellen Barorezeptoren, Schmerzrezeptoren u.a. gesteuert. Man unterscheidet
 
      eine Fülle unspezifischer (nicht-rückgekoppelter - fast jeder intensive Reiz, sowie Impulse aus Kortex, limbischem System, Hypothalamus - thermoregulatorisch, affektiv -, endokrine, propriozeptive und nozizeptive Einflüsse) und
 
      spezifische (rückgekoppelte) Atemantriebe (Quelle: Rezeptoren in Atemmuskulatur, Schleimhaut der Atemwege - Atmungs-, Schutz-, J-, Hering-Breuer-Reflex).
 
Machen sich übergeordnete (nicht-rückgekoppelte) Impulse aus dem Gehirn bemerkbar, werden bei der Atemsteuerung verschiedene Umstände berücksichtigt, wie

     Körperliche Belastung (Sauerstoffbedarf, Säure-Basen-Gleichgewicht)
   
Vom Gehirn ausgehende Mitinnervation des Atemzentrums verstärkt die Atmung zu Beginn einer Muskelaktivität noch vor Änderung der Blutgaswerte.
 
     Atemanhalten bei Muskeltätigkeit, Pressen, Niesen, Husten etc.
 
     Aktivitätsphasen im Rahmen der Flüssigkeits- und Nahrungsaufnahme (Schlucken)
 
     Phonation (Stimmbildung) und Artikulation (Laut- und Wortbildung).

Phonation und Artikulation stehen unter der Kontrolle des motorischen Sprachzentrums im Frontalhirn.
 
Bei der Phonation wird die Stimmritze im Kehlkopf verengt (Mm. arytenoidei, cricoarytenoidei laterales und thyreoarytenoidei laterales) und der Druck unter der Glottis (exspiratorisch) um ungefähr 1 kPa erhöht; der Phonationsapparat gerät in Schwingungen (Öffnung und Verschluss der Stimmritze wechseln einander ab → Oszillation), die Spannung der Stimmlippen bestimmt Elastizität und damit Schallfrequenz.
 
Mund-, Nasen- und Rachenhöhle bedingen stehende Wellen mit Obertönen, Zunge und Wangen verändern die Resonanz; Vokale und Konsonanten werden erzeugt (Artikulation).
 
Die wichtigsten Efferenzen aus dem Atemzentrum sind
 
     Fasern zu motorischen Vorderhornzellen der Atemmuskulatur (somatomotorische Atmungssteuerung)
 
     Bronchomotorische Neurone (Anpassung der Bronchienweite an die Situation: Dilatation bei verstärkter (niedriger Strömungswiderstand), Konstriktion bei ruhiger Atmung (Reinigung)
 
     Neurone zu autonom-nervösen Zentren (z.B. Kreislaufzentrum: Respiratorische Arrhythmie)
 
Respiratorische Arrhythmie (eine Sinusarrhythmie) und Blutdruckschwankungen (II. Ordnung): Infolge Verknüpfungen von atmungs- und kreislaufwirksamen Neuronengruppen im Hirnstamm sind Blutdruck und Herzfrequenz mit der Atemphase verknüpft. Dies ist im Ruhezustand besonders bei Kindern und Jugendlichen sowie körperlich gut trainierten Personen ausgeprägt: Bei Inspiration erhöht sich die Schlagfrequenz des Herzens (Abnahme der Parasympathikusaktivität), bei Exspiration sinkt sie ab (Aktivität der auf das Herz projizierenden Vagusfasern nimmt zu).
  
Die Herzfrequenz steigt bei Einatmung (RR-Intervall verkürzt) und sinkt bei Ausatmung (respiratorische Arrhythmie, durch schwankende parasympathische Aktivität vermittelt).
 
Der Blutdruck schwankt analog,
die Periodendauer liegt bei 3-5 Sekunden (Ruheatmung).

   
Respiratorische Sinusarrhythmie beruht auf Oszillationen parasympathischer (vagaler) Efferenzen zum Herzen (cholinerge Einflüsse auf den Sinusknoten erfolgen sofort: Abflachung des Schrittmacherpotentials, Hyperpolarisierung). Änderungen des Sympathikustonus machen sich erst im Laufe mehrerer Herzschläge bemerkbar, ihr Effekt wäre für die Einstellung einer Sinusarrhythmie zu langsam.
  
CO2, Hypo- und Hyperkapnie, Hypo- und Hyperventilation
 
Das Atemzentrum im Hirnstamm steuert sowohl Atemtiefe (und damit Atemzugvolumen) als auch Atemfrequenz nach Maßgabe verschiedener Messwerte im Körper, vor allem der Atemgaspartialdrucke, insbesondere des CO2. Der pCO2 sollte im arteriellen Blut etwa 40 mmHg betragen.
 
Für die Atemfrequenz gelten folgende Begriffe:

     Als Eupnoe bezeichnet man normale Ruheatmung. Tachypnoe ist eine erhöhte (≥20/min), Bradypnoe eine erniedrigte (<10/min) Atemfrequenz. Apnoe ist ein Atemstillstand.


 
Atemfrequenz
 
Säuglinge 40-50 / min  ...  Schulkinder 20-30 / min  ...  Erwachsene 10-20/ min

    -PNOE vs. -VENTILATION: Oft werden die Begriffe "Hyperventilation" und "Hyperpnoe" einerseits, "Hypoventilation" und "Hypopnoe" andererseits einfach im Sinne gesteigerter bzw. verminderter Atemtätigkeit verwendet. Dabei ist der Bezugswert die normale Ruheatmung. Man sollte aber unterscheiden: Die Endigung "-pnoe" bezieht sich lediglich auf das geatmete Volumen, ohne Rücksicht auf die Stoffwechselsituation bzw. -Notwendigkeit; die Endigung "-ventilation" hingegen bezieht sich auf Letzteres.

Beispiel: Eine Person steigert zu Beginn einer körperlichen Leistung ihre Atmung (Hyperpnoe), aber nicht genug, um eine sich aufbauende respiratorische Azidose vollständig zu kompensieren (Hypoventilation).
  
Hyperpnoe bedeutet gesteigertes, Hypopnoe herabgesetztes Atemzeitvolumen (in Bezug auf die Ruheatmung).
 
Unter physiologischen Umständen haben Änderungen des Kohlendioxid-Partialdrucks (pCO2) im Blut den stärksten Effekt auf die automatische Steuerung der Atmung aus dem Hirnstamm (<Abbildung):
 

<Abbildung: Chemorezeptiver Reflexeffekt der Atemgase (körperliche Ruhe) im Vergleich
Nach einer Vorlage in Praktische Physiologie

Hypokapnie kann zu vorübergehendem Atemstillstand, Hyperkapnie auf ~70 mmHg zu ~10facher Ventilationssteigerung führen. Die respiratorische Antwort auf Azidose oder Hypoxie ist vergleichsweise geringer.
 
Die hier gezeigten Kurven stellen durchschnittliche Reaktionen der Atmung auf akute Änderungen der auf der Abszisse angegebenen Blutwerte dar. Sie können durch adaptive Veränderungen stark verlagert sein, z.B. bei Höhenanpassung.
 
Die primäre Änderung der neuronalen Afferenzen von Chemorezeptoren kann wesentlich ausgeprägter sein, z.B. ist die Aktivität der Glomus-caroticum- Zellen schon bei einer Reduktion des Sauerstoffpartialdrucks auf 50 mmHg um ein Mehrfaches höher als bei 100 mm Hg. Der Atemantrieb bei Hypoxie wird aber gleichzeitig durch die Hypokapnie, die sich durch vermehrte Atmung ergibt, gedämpft.
 
Der Gesamteffekt  ist das Resultat mehrerer Regelungskomponenten, die sich gegenseitig beeinflussen


Während eine Halbierung des arteriellen pO2 von ~90 auf ~45 mmHg die Atmung von ~5 auf ~10 l/min verdoppelt, steigert ein Anstieg des
arteriellen pCO2 von 40 auf 50 mmHg die Atmung von ~5 auf ~40 l/min, was einer Verachtfachung entspricht.

Die
Empfindlichkeit des Atemzentrums auf Hypoxie hängt u.a. vom arteriellen
CO2-Partialdruck (paCO2) ab: Mit steigendem paCO2 nimmt die Atmung als Funktion eines sinkenden paO2 immer mehr zu. Das bedeutet, dass die Atmung bei Hyperkapnie (respiratorischer Azidose) zunehmend empfindlich auf einen Sauerstoffmangel mit gesteigertem Atemantrieb reagiert.

Auch
die Empfindlichkeit des Atemzentrums auf Hyperkapnie hängt wesentlich von mehreren Begleitfaktoren ab, wie pH-Wert im arteriellen Blut, Muskelaktivität, Schlaf, Sauerstoffpartialdruck oder Medikamenten (>Abbildung):
 

>Abbildung: Einfluss von Begleitfaktoren auf die Atmungskurve (=Ventilation in Abhängigkeit vom pACO2)
Modifiziert nach einer Vorlage bei Koeppen / Stanton: Berne and Levy's Physiology, 6th ef. 2008, Mosby / Elsevier

Die Abbildung zeigt, wie die Kennkurven des Atemantriebs von den jeweiligen Randbedingungen beeinflusst sind.
  
Die Empfindlichkeit auf Erhöhung des Kohlendioxidpartialdrucks im Blut steigt bei Hypoxie, Azidose und körperlicher Belastung; sie nimmt im Schlaf leicht, bei Einfluss von Narkotika oder Anästhetika stark ab



Hypoxie und Azidose haben eine "Linksverschiebung" der Atmungskurve zur Folge, d.h. der Atemantrieb steigt schon bei niedrigerem pCO2 an. Umgekehrt regt ein Hypoxiereiz (Glomusrezeptoren) bei niedrigem pCO2 erst später die Atmung an.

Das hat z.B. zur Folge, dass nach wiederholtem tiefem Durchatmen vor einem Tauchgang die während des Tauchens auftretende Hypoxie wegen der zuvor induzierten
Hypokapnie erst spät zu Gefühl des Sauerstoffmangels und Atemnot führt und die Person unter Umständen bewusstlos wird, bevor sie wieder auftauchen und Luft schöpfen konnte.
 
      Muskelaktivität hat unter allen Atemantrieben die stärkste Wirkung. Einen intensiven Effekt auf die Abhängigkeit der alveolären Ventilation vom pCO2 im Blut hat körperliche Belastung. Bei Muskelarbeit muss die Ventilation ausreichend (bis ~20fach) steigen, ohne dass der arterielle pCO2 wesentlich vom Normbereich abweicht (<Abbildung).

  Das bedeutet, dass die Kennkurve der pCO2-abhängigen Ventilation nach oben verschoben ist; z.B. auf eine alveoläre Ventilation von 120 l/m bei starker Belastung statt 5 l/min in Ruhe, beides bei einem arteriellen Kohlendioxidpartialdruck von ~40 mmHg.
 
     Die
pCO2 -abhängige Atemregulation funktioniert bei physischer Belastung nach wie vor (Hyperkapnie steigert, Hypokapnie bremst die Atmung), aber auf sehr verschiedenen Ventilationsniveaus.

Der Anstieg der Ventilation bei körperlicher Belastung erfolgt in drei Phasen:

  
  Die erste ("neurologische") Phase tritt sofort mit Beginn der Muskelarbeit auf, bevor sich das Atemgasmuster im Blut noch verändern konnte. Es kommt sogar vorübergehend zu Hyperventilation, Hypokapnie und respiratorischer Alkalose (die Atmung steigt rascher an als der metabolische Bedarf der aktiven Muskulatur). Vielleicht stellt dies einen antizipatorischen Mechanismus dar ("Mitinnervation" des Atemzentrums durch motorische Efferenzen), auch könnten Afferenzen von Mechanorezeptoren aus dem Bewegungsapparat eine anregende Rolle spielen.

  
  Die zweite ("metabolische") Phase zeigt eine dem erhöhten Sauerstoffverbrauch bzw. der Kohlendioxidproduktion linear proportionale Atemsteigerung. Die Partialdruckwerte der Atemgase im arteriellen Blut bleiben stabil im Normbereich (exercise hyperpnea). Wie die Rückkopplung funktioniert, ist unklar ("Metaborezeptoren" in den Muskeln?), da ja die Partialdruckwerte nicht vom Normbereich abweichen.

  
  Die dritte ("kompensatorische") Phase tritt auf, wenn der Nachschub an Sauerstoff den Bedarf der Muskeln nicht mehr vollständig abdecken kann. Der Stoffwechsel weicht auf anaerobe Energiegewinnung aus, es entsteht vermehrt Laktat, und es tritt Azidose auf. Die Atmung nimmt dadurch stark zu - bezogen auf den Sauerstoffverbrauch steiler als in der metabolischen Phase - mit dem Ziel, diese nicht-respiratorische Azidose zu kompensieren (daher der Name).
 
     Hyperventilation ist eine Atemform, bei der mehr Kohlendioxid abgeatmet wird als der Körper produziert, wodurch der arterielle pCO2 absinkt (auf unter 35 mmHg: Hypokapnie) und folglich eine respiratorische Alkalose auftritt (da der Körper mehr saure Valenzen verliert als produziert).

Hyperventilation → Hypokapnie → respiratorische Alkalose

     Umgekehrt ist Hypoventilation eine Atemform, bei der weniger Kohlendioxid abgeatmet wird als der Körper produziert, wodurch der arterielle pCO2 ansteigt (auf über 45 mmHg: Hyperkapnie) und eine respiratorische Azidose auftritt (da der Körper mehr saure Valenzen bilder als abgibt).

Hypoventilation  →  Hyperkapnie  →  respiratorische Azidose

s. auch dort

     Zur hypoxiebedingten pulmonalen Vasokonstriktion (Euler-Liljestrand-Mechanismus) s. dort
 
     Zu Druckwerten in a. pulmonalis / vv. pulmonales s. dort



  Nervenversorgung der Atemwege
 

<Abbildung: Innervation der Atemwege
Nach einer Vorlage in Koeppen and Stanton: Berne and Levy's Physiology, 6th ed. 2008


Parasympathisch-präganglionäre Vagusfasern ziehen zu lokalen Ganglien, auf die auch lokale Neuronen einwirken. Cholinerg-exzitatorische und noradrenerg-inhibitorische Neuronen sowie NANC-Fasern ziehen zur glatten Muskulatur der Atemwege, cholinerge zu mukösen Drüsen


  Die Atemwege sind vegetativ innerviert:

  In der Bronchialmuskulatur überwiegt der Einfluss des Parasympathikus. M3-Rezeptoren mediieren Bronchokonstiktion und Schleimbildung. M1-Rezeptoren regen die nikotinische Neurotransmission an, M2-Rezeptoren vermitteln negative Rückkopplung an postganglionären Zellen.

  Sympathische Fasern innervieren Gefäße und Drüsen, nicht die Bronchialmuskulatur, die jedoch über ß2-Rezeptoren verfügt und über Agonistenwirkung relaxiert. ß2-Adrenozeptoren erhöhen [cAMP], das durch eine Phosphodiesterase gespalten wird. Phosphodiesterasehemmer können den Atemwegwiderstand reduzieren.
 
Adrenalin erniedrigt den Atemwegwiderstand über relaxierende Wirkung von ß2-Adrenozeptoren an der Bronchialmuskulatur.
 
Auch Mastzellen haben ß-Rezeptoren, so dass Katecholamine deren Mediatorfreisetzung hemmen und die mukoziliäre Clearance steigern können.

  Schließlich wirken auch NANC-Nerven (Non-adrenergic, non-cholinergic: Neurotransmitter, die weder Noradrenalin noch Azetylcholin sind) auf die Atemwege, setzen u.a. VIP und NO frei und wirken so bronchodilatierend.




     Bei Ausfall von Koordination und Reflexen, bei Bewusstlosen und in Narkose, besteht die Gefahr der Aspiration (z.B. von Erbrochenem) in die Luftwege und nachfolgender Lungenentzündung (Aspirationspneumonie). Dies kann durch tracheale Intubation verhindert werden.

Herabgesetzte Empfindlichkeit auf die
CO2-Spannung führt zu “Aufschwingen” der Atemregulation mit periodisch abwechselnder Apnoe und Hyperventilation. Schwere Schädigung des Hirnstamms (Sauerstoffmangel, Einklemmung) führt zu veränderter Atemform, z.B. Maschinenatmung (starre Atmung mit gleich bleibender Frequenz und Tiefe) oder, noch ernster, Schnappatmung (Verharren in Ausatemlage, gelegentlich sehr tiefe Inspiration).

  
  Bewusstlose, aber spontan atmende Patienten, die einen chronisch erhöhten pCO2 aufweisen, bedürfen des Atemantriebs über den pO2-Mechanismus. Zufuhr von Sauerstoff nimmt ihnen diesen (hypoxischen) Stimulus und kann zu Atemstillstand führen. In solchen Fällen ist eine künstliche Beatmung lebensnotwendig.
 
Bestimmte zentralnervöse Erkrankungen können die spontan-rhythmische Aktivität im Atemzentrum unterbinden; die willkürliche Kontrolle kann dabei erhalten bleiben ("Undine's Fluch" : Schlafapnoe - Ausfall der willkürlichen Atemsteuerung kann zum Ersticken führen).

     Besteht eine Hyperkapnie über längere Zeiträume, adaptiert das Gehirn und es ist nicht mehr CO2 sondern Hypoxie der primäre Atemantrieb. Zusätzliche Sauerstoffzufuhr kann dann den Atemantrieb stark reduzieren, der damit einhergehende weitere Anstieg des pCO2 vergiftet respiratorische Neurone und kann Apnoe bewirken. Bei betroffenen (schwer lungenkranken) Patienten kann Erhöhung der Sauerstoffzufuhr auf diese Weise tödliche Folgen haben.
 

 
     Die Atmung wird durch zentrale Impulse und Reflexe gesteuert. Etwa 20% der Vagusfasern sind respiratorische Afferenzen von respiratorischem Epithel, Muskel- und Sehnenspindeln, Fibroblasten, Immunzellen. Erfasst werden Gaszusammensetzung, mechanische (langsam adaptierende: SARs, rasch adaptierende Rezeptoren: RARs) und chemische Information (Irritantien), Temperatur, Sinnesreize, sowie Viren, Bakterien, Pollen, Staub. Zytokine, Wachstumsfaktoren, biogene Amine, Prostaglandine, ATP, H+ aktivieren afferente Neuronen. Impulse laufen zum nucl. tractus solitarii und zur Nachbarschaft gereizter Zonen. Die zentrale Verarbeitung der Signale aus dem Respirationssystem erfolgt über Hirnstamm (nucl. tractus solitarii) → Thalamus → Insel, motorischen und somatosensorischen Kortex, posterioren Parietalkortex, orbitofrontalen Kortex. Beeinflusst werden Atmung, Bronchienweite, Sekretion, Durchblutung, zentrale Projektionen (Hustenreflex, Dynpnoe)
 
      Zentrale Chemorezeptoren in der medulla oblongata messen pCO2 und pH-Wert im liquor cerebrospinalis, periphere arteriellen pO2, pCO2 und pH. In den glomera (carotica, aortica) sind die Hauptzellen (Typ I) chemosensitiv (Typ II-Zellen gliaähnlich). Glomera haben die höchste spezifische Durchblutung aller Gewebe im Körper (~40mal höher als im Gehirn), im gesamten Organ herrschen arterielle Partialdruck- und pH-Werte. Glomuszellen enthalten Transmitterstoffe (Azetylcholin, Dopamin, ATP, Noradrenalin, Substanz P, Metenkephalin), die sie bei Stimulation freisetzen; diese kontrollieren die Aktionspotentialfrequenz der afferenten Fasern des Sinus- bzw. Aortennerven. Niedriger pO2 (Hypoxie), hoher pCO2 (Hyperkapnie) und niedriger pH-Wert (Azidose) schließen Kaliumkanäle, die Depolarisation öffnet spannungsgesteuerte Kalziumkanäle, erhöhtes intrazelluläres [Ca++] setzt Dopamin frei, erhöhte Aktionspotentialfrequenz afferenter Fasern im N. glossopharyngeus (von Carotis) bzw. vagus (von Aorta) regen die Ventilation an
 
      Langsam adaptierende Dehnungsrezeptoren im Lungengewebe begrenzen über vagale Afferenzen die Inspiration (Hering-Breuer- Reflex). Rasch adaptierende Dehnungsrezeptoren im Bronchialbaum vermitteln Irritationsreize (z.B. plötzliche Weitung der Alveolen); diese Rezeptoren sind sehr empfindlich auf Mediatoren und Reizstoffe. In der Wand der Alveolen und Atemwege befinden sich juxtakapilläre ("J-") Rezeptoren, die auf Irritationen reagieren und Bronchokonstriktion, Schleimsekretion, flache und rasche Atmung auslösen. Rezeptoren in Muskeln, Sehnen, Gelenken stimulieren bei Belastung die Atmung (Vorwärtskopplung)
 
      Rhythmusgenerierenden Neuronen in der medulla oblongata erzeugen spontane Impulsfolgen, inspiratorische (dorsal) und exspiratorische Neuronen (ventrolateral) hemmen einander wechselseitig. Ergebnis ist die rhythmische Aktivierung der Inspirationsmuskeln. Ein Teil der ventralen Neuronengruppe (Prä-Bötzinger-Komplex) ist vermutlich der eigentliche Schrittmacher der Atemrhythmik. Auf diese Neuronengruppen wirken zahlreiche rückgekoppelte (aus Atemmuskulatur, Atemwegen) und nicht-rückgekoppelte Impulse (aus Kortex, limbischem System, Hypothalamus). Vom Gehirn ausgehende Mitinnervation verstärkt die Atmung schon mit beginnender Muskelaktivität. Weitere Einflüsse sind Pressen, Niesen, Husten, Schlucken, Sprechen. Die wichtigsten Efferenzen aus dem Atemzentrum sind somatomotorische (Atmungssteuerung), bronchomotorische, kardiovaskuläre (z.B. respirartorische Sinusarrhythmie durch Oszillation parasympathischer Efferenzen zum Herzen)
 
      Eupnoe ist normale Ruheatmung, Tachypnoe erhöhte (>16/min), Bradypnoe erniedrigte (<12/min) Atemfrequenz, Apnoe Atemstillstand; Hyperpnoe bedeutet gesteigertes, Hypopnoe herabgesetztes Atemzeitvolumen. Hyperventilation → Hypokapnie → respiratorische Alkalose, Hypoventilation  →  Hyperkapnie  →  respiratorische Azidose. Hypokapnie kann zu vorübergehendem Atemstillstand, Hyperkapnie auf ~70 mmHg zu ~10facher Ventilationssteigerung führen. Die respiratorische Antwort auf Azidose oder Hypoxie ist vergleichsweise geringer. Die Empfindlichkeit des Atemzentrums auf Hypoxie hängt vom arteriellen pCO2 (steigt bei Hyperkapnie), die auf Hyperkapnie vom arteriellen pO2 ab (steigt bei Hypoxie). Muskelaktivität hat unter allen Atemantrieben die stärkste Wirkung (Ventilationssteigerung bis ~20fach) und erfolgt in drei Phasen: Eine neurologische (Mitinnervation), metabolische (Muskelbelastung) und kompensatorische (Azidose)
 
      Die Atemwege sind vegetativ innerviert: Die Bronchien vorwiegend parasympathisch (Bronchokonstiktion, Schleimbildung); sympathische Fasern innervieren Gefäße und Drüsen. Adrenalin erniedrigt den Atemwegwiderstand über relaxierende Wirkung von ß2-Adrenozeptoren an der Bronchialmuskulatur. Auch Mastzellen haben ß-Rezeptoren, Katecholamine hemmen deren Mediatorfreisetzung und steigern die mukoziliäre Clearance. NANC-Nerven setzen VIP und NO frei und wirken bronchodilatierend
 

 

Eine Reise durch die Physiologie


  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.