1.4: Physiologie der Atmung II: Neurogene Kontrolle der Atmung

Die neurogene Steuerung der Atmung koordiniert verschiedene neuronale Netze und Bahnen, um die Atemfrequenz und -tiefe zu regulieren und so den Bedarf des Körpers an Sauerstoff- und Kohlendioxidaustausch zu decken.

Zentrale Steuerung

Der Hirnstamm ist der primäre Ort der zentralen Kontrolle und beherbergt Atmungszentren:

• Das medulläre Atemzentrum, das aus der dorsalen Atemgruppe (DRG) und der ventralen Atemgruppe (VRG) besteht, ist für die Einleitung des grundlegenden Atemrhythmus von entscheidender Bedeutung. Die DRG löst die Einatmung durch Aktivierung des Zwerchfells und der Interkostalmuskulatur aus, während die VRG sowohl die Einatmung als auch die Ausatmung erleichtert, insbesondere bei hohem Atembedarf.
• Die Brücke (Pons) enthält die pneumotaxischen und apneustischen Zentren, die die Aktivität der medullären Zentren modulieren. Diese Modulation verfeinert die Atemfrequenz und -tiefe und verbessert den reibungslosen Ablauf der Atmung.

Peripherer Input

Periphere Inputs von Chemorezeptoren und Mechanorezeptoren informieren die Atemzentren:

• Chemorezeptoren überwachen Veränderungen der Blutchemie, insbesondere CO_2, O_2 und pH. Zentrale Chemorezeptoren in der Medulla reagieren auf CO_2 und den pH-Wert der Zerebrospinalflüssigkeit, während periphere Chemorezeptoren in den Aorten- und Karotiskörpern die Atemfrequenz und -tiefe anpassen, um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.
• Zu den Mechanorezeptoren, die sich in der Lunge, den Atemwegen, der Brustwand und dem Zwerchfell befinden, gehören Dehnungsrezeptoren, die den Hering-Breuer-Reflex aktivieren, um eine Überdehnung der Lunge zu verhindern, und andere, die eine Reizung, Verengung der Atemwege, Muskelanstrengung und Haltungsänderungen erkennen und so das Atemmuster beeinflussen.

Neuronale Bahnen

Efferente Bahnen verbinden die Kontrollzentren des Hirnstamms über motorische Neuronen mit den Atemmuskeln. Diese Verbindung aktiviert das Zwerchfell (über den Nervus phrenicus) und die Interkostalmuskeln und erleichtert so die Atmung.

Integration der Atmungskontrolle

Signale von zentralen und peripheren Rezeptoren werden integriert, sodass die Atemkontrollzentren den Gasaustausch als Reaktion auf Schwankungen des Stoffwechselbedarfs optimieren können. Beispielsweise verbessern Chemorezeptoren die Belüftung als Reaktion auf erhöhte CO_2- und verringerte O_2-Konzentrationen während körperlicher Betätigung, während emotionale Reize, die über den Hypothalamus verarbeitet werden, ebenfalls das Atemmuster verändern können.

Die neurogene Kontrolle der Atmung stellt ein hochentwickeltes System dar, das die Ventilation präzise anpasst, um das innere Gleichgewicht aufrechtzuerhalten und auf Umweltveränderungen zu reagieren.

Die Regulation der Atmung wird durch eine Ansammlung von Neuronen im Hirnstamm vermittelt, die als Atmungszentren bekannt sind.

Die Atemzentren sind in zwei Bereiche unterteilt: das medulläre Atemzentrum, das sich in der Medulla oblongata befindet, und das pontine Atemzentrum, das sich in den Pons befindet.

Das medulläre Atmungszentrum besteht aus der dorsalen Atmungsgruppe (DRG) und der ventralen Atmungsgruppe (VRG).

Während der normalen Atmung überträgt das DRG Impulse über den Nervus phrenicus und den Interkostalnerv und stimuliert das Zwerchfell und die äußeren Interkostalmuskeln, sich zusammenzuziehen und die Einatmung zu induzieren.

Nach etwa zwei Sekunden entspannt die DRG-Inaktivität diese Muskeln, was zur Ausatmung führt.

Das VRG erzeugt durch seinen Prä-Bötzinger-Komplex den Atemrhythmus, indem es die Geschwindigkeit reguliert, mit der DRG-Neuronen Aktionspotentiale abfeuern.

Die verbleibenden VRG-Neuronen regulieren die kräftige Atmung, indem sie die Bewegungen der akzessorischen Atemmuskulatur steuern.

Schließlich sendet die pontine Atmungsgruppe Impulse an das VRG und stimmt den Atemrhythmus während der Lautäußerung, des Schlafes und der Bewegung feinab.