La regolazione della ventilazione

La ventilazione è un processo ritmico che si verifica normalmente in assenza di pensiero cosciente o di consapevolezza. Da questo punto di vista, essa assomiglia quindi al battito cardiaco. Tuttavia, i muscoli scheletrici, diversamente dalle fibre muscolari cardiache autoritmiche, non sono in grado di contrarsi spontaneamente. Al contrario, la contrazione del muscolo scheletrico deve essere innescata dai motoneuroni somatici, a loro volta controllati dal sistema nervoso centrale. La ritmicità intrinseca della ventilazione è sottoposta a modulazione da una varietà di fattori, che includono i riflessi chemocettivi, l'interazione con il centro di controllo cardiovascolare, le emozioni e il controllo conscio e inconscio da parte di centri encefalici superiori. Nell'apparato respiratorio, la contrazione del diaframma e dei muscoli intercostali è indotta da gruppi di neuroni localizzati nel ponte e nel bulbo del tronco encefalico. Questi neuroni costituiscono una rete che comprende un generatore centrale di ritmi respiratori, che ha attività ritmica intrinseca. Quest'ultimo è caratterizzato dal funzionamento automatico per tutta la vita del soggetto, eppure può essere controllato fino a un certo punto volontariamente. Nonostante ancora non si conosca tutto del generatore centrale, si sa che i neuroni ventilatori sono concentrati in due nuclei del bulbo. Il gruppo ventilatorio dorsale (DRG) di neuroni contiene principalmente neuroni inspiratori che controllano il diaframma. Il gruppo ventilatorio ventrale (VRG) controlla i muscoli utilizzati per l'espirazione attiva e alcuni muscoli inspiratori, particolarmente quelli attivi nell'ispirazione più profonda del normale. Fibre del VRG innervano anche i muscoli della laringe, faringe e della lingua per mantenere le vie aeree superiori pervie durante la ventilazione. In dettaglio, all'inizio dell'inizio dell'inspirazione, i neuroni inspiratori sono attivi e innescano l'attivazione di altri neuroni con un meccanismo di retroazione positiva. Man mano che più neuroni sono attivati, è reclutato un maggior numero di fibre muscolari scheletriche. La cassa toracica si espande progressivamente mentre il diaframma si contrae. Al termine dei 2 secondi, i neuroni inspiratori repentinamente terminano la propria scarica e i muscoli inspiratori si rilasciano. Nei 3 secondi successivi, si ha l'espirazione, che è un fenomeno passivo determinato dal ritorno elastico dei muscoli inspiratori e del tessuto elastico polmonare. È tuttavia presente attività dei motoneuroni durante l'espirazione passiva, suggerendo che forse i muscoli delle vie respiratorie superiori si contraggono per rallentare il flusso aereo in uscita dell'apparato respiratorio.
Le informazioni sensoriali provenienti dai chemorecettori centrali e periferici modificano la ritmicità del generatore centrale di ritmi ventilatori. L'anidride carbonica è lo stimolo principale che provoca modificazioni della ventilazione, mentre ossigeno e pH plasmatico svolgono un ruolo minore. I chemorecettori periferici localizzati nelle arterie carotidi (corpi carotidei) e aorta (corpi aortici) rilevano i cambiamenti di PO2, pH e PCO2 nel plasma. Mentre, i chemorecettori centrali nell'encefalo rispondono ai cambiamenti della concentrazione di CO2 nel liquido cerebrospinale. In dettaglio, nei chemorecettori periferici, quando le cellule specializzate dei glomi sono attivate da una diminuzione di PO2 o pH, o da un aumento di PCO2, esse evocano un aumento del riflesso di ventilazione. Il meccanismo segue il seguente schema: uno stimolo inattiva dei canali per il K+, causando la depolarizzazione della cellula recettrice. La depolarizzazione induce l'apertura di Ca2+ causando l'esocitosi del neurotrasmettitore in prossimità del neurone sensoriale. Nei corpi carotidei e aortici, la dopamina evoca dei potenziali d'azione nei neuroni sensoriali afferenti ai centri ventilatori del tronco dell'encefalo, segnalando loro di aumentare la ventilazione. I chemorecettori centrali, invece, riescono a rilevare i cambiamenti della PCO2. Questi recettori stabiliscono la frequenza ventilatoria, fornendo continue informazioni al generatore centrale di ritmi ventilatori. Quando la PCO2 arteriosa aumenta, l'anidride carbonica attraversa la barriera emato-encefalica piuttosto rapidamente, provocando l'attivazione dei chemorecettori centrali. Questi recettori segnalano al generatore centrale di ritmi ventilatori di aumentare frequenza e profondità della ventilazione, aumentando la ventilazione alveolare e rimuovendo l'anidride carbonica dal sangue. Nonostante i chemorecettori centrali rilevino l'anidride carbonica, in realtà quello che essi avvertono sono i cambiamenti di pH nel liquido cerebrospinale. Infatti l'anidride carbonica che diffonde attraverso la barriera emato-encefalica nel liquido cerebrospinale è convertita con aggiunta di acqua, in ioni H+ e ioni bicarbonato. Quindi, se la PCO2 plasmatica aumenta, i chemorecettori centrali dapprima rispondono intensamente aumentando la ventilazione. Tuttavia, se la PCO2 plasmatica resta elevata per diversi giorni, la ventilazione diminuisce tornando ai propri valori normali a causa dell'adattamento dei chemorecettori. Questo adattamento avviene perché nel corso del tempo i plessi coroidei trasportano HCO3- nel liquido cerebrospinale. Questi ioni agiscono da tampone, rimuovendo H+ dal liquido cerebrospinale e diminuendo la stimolazione del generatore centrale di ritmi ventilatori da parte di H+. Comunque, i chemorecettori centrali rispondono anche a una riduzione di PCO2 arteriosa oltre che ad un suo aumento. Se la PCO2 alveolare diminuisce, per esempio a causa di un iperventilazione, la PCO2 nel plasma e quella nel liquido cerebrospinale diminuiscono. Di conseguenza, l'attività dei chemorecettori centrali declina e il generatore centrale di ritmi ventilatori rallenta la frequenza ventilatoria, l'anidride carbonica comincia ad accumularsi negli alveoli e nel plasma. Infine, la PCO2 arteriosa supera il livello soglia dei chemorecettori. A questo punto, i recettori si attivano e il generatore centrale di ritmi ventilatori aumenta nuovamente la ventilazione.