Neuronale Steuerung der Atmung: Zentren und Mechanismen

Dorsale respiratorische Gruppe

Diese Gruppe von Neuronen kontrolliert die Inspiration und die Atemfrequenz. Sie befindet sich im dorsalen Teil der Medulla oblongata. Die meisten ihrer Neuronen liegen im Nucleus tractus solitarii, dem Endpunkt für die Vagus- und Glossopharyngeusnerven. Diese Nerven leiten Signale von folgenden Rezeptoren an den Kern weiter:

• Periphere Chemorezeptoren
• Barorezeptoren
• Verschiedene Arten von Lungenrezeptoren

Die dorsale Gruppe ist für die Erzeugung des grundlegenden Atemrhythmus in Ruhe verantwortlich.

Ventrale respiratorische Gruppe

Diese Neuronengruppe befindet sich ventrolateral in der Medulla oblongata, etwa 5 mm anterior und lateral zur dorsalen respiratorischen Gruppe. Sie ist sowohl an der Inspiration als auch an der Exspiration beteiligt, je nachdem, welche Neuronen stimuliert werden. Während der normalen, ruhigen Atmung bleiben diese Neuronen weitgehend inaktiv.

Wenn der Atemantrieb zur Steigerung der Lungenventilation zunimmt, wird die ventrale respiratorische Gruppe aktiv. Sie fungiert als ein Übersteuerungsmechanismus, der die Signale von der dorsalen Gruppe verstärkt. Dies ist insbesondere bei einem hohen Bedarf an Lungenventilation der Fall, wie zum Beispiel bei der forcierten Exspiration (z. B. während des Trainings). In diesem Fall sendet sie starke exspiratorische Signale an die Bauchmuskulatur.

Das pneumotaxische Zentrum

Das pneumotaxische Zentrum befindet sich dorsal im Nucleus parabrachialis der oberen Pons (Brücke). Es trägt zur Kontrolle der Atemfrequenz und -tiefe bei, indem es die Dauer der Inspiration begrenzt und somit die Atemfrequenz erhöht. Seine Hauptfunktion ist die Steuerung des "Abschaltpunktes" der inspiratorischen Rampe, wodurch die Füllungsphase des Lungenzyklus reguliert wird.

• Ein starkes pneumotaxisches Signal kann die Inspiration auf nur 0,5 Sekunden verkürzen. Dies führt zu einer geringeren Lungenfüllung, aber einer hohen Atemfrequenz von 30 bis 40 Atemzügen pro Minute.
• Ein schwaches pneumotaxisches Signal kann die Inspiration auf 5 Sekunden oder länger ausdehnen, was zu einer sehr starken Füllung der Lunge mit Luft führt und die Frequenz auf nur 3 bis 5 Atemzüge pro Minute senkt.

Die Hauptaufgabe des pneumotaxischen Zentrums ist es also, die Inspiration zu begrenzen. Dies hat den Nebeneffekt, die Atemfrequenz zu erhöhen, da die Begrenzung der Inspiration auch die Exspiration und damit den gesamten Atemzyklus verkürzt.

Das inspiratorische Rampensignal

Das Nervensignal, das an die Inspirationsmuskeln (insbesondere das Zwerchfell) übertragen wird, ist keine sofortige Salve von Aktionspotentialen. Stattdessen beginnt das Signal bei der normalen Atmung schwach und steigert sich stetig über einen Zeitraum von etwa 2 Sekunden – wie eine Rampe. Danach stoppt es abrupt für die nächsten 3 Sekunden. Dieser Stopp beendet die Kontraktion des Zwerchfells und ermöglicht den elastischen Rückstoß der Lunge und des Brustkorbs, was zur Ausatmung führt. Anschließend beginnt der Zyklus des inspiratorischen Signals von neuem. Dieses ansteigende Signal wird daher als Rampensignal bezeichnet.

Chemische Steuerung der Atmung

Das Hauptziel der Atmung ist es, eine angemessene Konzentration von Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserstoffionen im Gewebe aufrechtzuerhalten. Ein Überschuss an Kohlendioxid oder Wasserstoffionen im Blut stimuliert hauptsächlich das Atemzentrum selbst, was die Signalstärke an die inspiratorische und exspiratorische Muskulatur erhöht.

Sauerstoff hingegen hat keine signifikante direkte Auswirkung auf das Atemzentrum im Gehirn. Stattdessen wirkt ein Sauerstoffmangel fast ausschließlich auf periphere Chemorezeptoren, die sich in den Karotiskörperchen und Aortenkörperchen befinden. Diese Rezeptoren senden wiederum Nervensignale an das Atemzentrum, um die Atmung zu regulieren.

Faktoren, die die Atmung beeinflussen

Die Atmung kann durch viele Faktoren verändert werden. Dazu gehören:

• Chemische Reize: Veränderungen der Sauerstoff- und Kohlendioxidkonzentration im Blut.
• Kortikale Einflüsse: Willkürliche Kontrolle der Atmung.
• Dehnungsreize: Inflation der Lunge (Hering-Breuer-Reflex).
• Blutdruck: Veränderungen, die von Barorezeptoren erfasst werden.
• Weitere Faktoren: Schmerz, Temperatur und Reizungen der Atemwegsschleimhaut.

Tiefe und Frequenz der Atmung werden durch Impulse aus dem Atemzentrum bestimmt, die durch Informationen von zentralen (nahe dem Atemzentrum) und peripheren Rezeptoren (z. B. in der Halsschlagader) gesteuert werden.

Atembewegungen und der Hering-Breuer-Reflex

Wenn der inspiratorische Bereich des Atemzentrums aktiv wird, sendet er Nervenimpulse über spezifische Nerven an die Zwischenrippenmuskeln (Interkostalmuskeln) und das Zwerchfell. Dies führt zu deren Kontraktion und leitet die Inspiration (Einatmung) ein.

In den Wänden der Bronchien und Bronchiolen befinden sich Dehnungsrezeptoren. Wenn sich die Lunge ausdehnt, werden diese Rezeptoren aktiviert und senden hemmende Nervenimpulse an den inspiratorischen Bereich. Diese Hemmung führt zur Entspannung der Zwischenrippenmuskeln und des Zwerchfells, was den Prozess der Exspiration (Ausatmung) einleitet. Sobald die Luft die Lunge verlässt und die Dehnung nachlässt, werden die Rezeptoren nicht mehr stimuliert. Die Hemmung des inspiratorischen Bereichs hört auf, und ein neuer Zyklus der Lungenventilation kann beginnen.

Atemfrequenz und -tiefe

Die Atemfrequenz ist die Anzahl der Atemzüge, die eine Person pro Minute macht. Sie wird gemessen, während sich die Person in einem Zustand völliger Ruhe befindet. Für eine genaue Messung sollte die Person emotional ruhig und entspannt sein, mindestens 15 Minuten vor der Messung nichts gegessen haben und sich in einer bequemen Position befinden.

Um die Messung unauffällig durchzuführen, kann man so tun, als würde man den Puls des Patienten am Handgelenk messen, während man tatsächlich die Hebe- und Senkbewegungen des Brustkorbs für eine Minute zählt.