供 稿 者 名 单

  (按姓氏笔划为序)

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王卫国

天津医科大学

朱大年

复旦大学上海医学院

刘长金

华中科技大学同济医学院

杜友爱

温州医学院

李玉荣

哈尔滨医科大学

张建福

徐州医学院

吴博威

山西医科大学

沈霖霖

复旦大学上海医学院

罗自强

中南大学湘雅医学院

郑   煜

四川大学华西医学中心

林默君

福州医科大学

曹   宇

中国医科大学

樊小力

西安交通大学医学院


哺乳动物呼吸中枢研究概况(一)

哺乳动物呼吸中枢研究概况(二)

  

 

哺乳动物呼吸中枢研究概况(一)

 

      包括人在内的所有哺乳动物都要依靠呼吸运动来维持生命,因此,呼吸运动是一种极为重要的生理活动。呼吸运动是一种节律性活动,其节律性是如何产生的?呼吸运动从机体尚在胚胎期便已开始,直到出生,再从出生一直持续到死亡,始终节律性地不间断地进行。因此,在出生时以及在随后生长发育、成熟乃至老化过程中,与呼吸运动相关的神经网络必然发生相应的变化,发生了什么变化?在通常情况下,呼吸相关神经网络的活动相对稳定,但是在运动、睡眠、缺氧等情况下,它们的活动必然对机体 O 2 、 CO 2 、 H + 水平的变化产生反应,其反应是如何发生的?呼吸运动还必须与其他一些呼吸相关活动很好地协调起来,例如吞咽、说话、唱歌、咳嗽、喷嚏、躯体运动等,其协调是如何进行的?呼吸运动还受体重增减、妊娠、或疾病等因素的影响,其影响的机制是什么?可见,节律性呼吸运动又是一种极为复杂的生理活动。实际上,其中许多问题至今尚不清楚。本文主要介绍人们对于哺乳动物呼吸中枢特别是关于呼吸节律的产生部位和机制这一基本问题的认识。

      呼吸中枢是指中枢神经系统内产生和调节呼吸运动的神经细胞群,它们分布于从脊髓到大脑皮层的整个中枢神经系统各个层面。各级呼吸中枢密切联系、相互配合,共同完成对呼吸运动的调控作用。

      据文献记载,早在公元二世纪, Galen 便观察到,斗剑士或动物在高位颈 段 脊髓受到损伤时,呼吸运动便停止。但是,关于呼吸中枢的直接的动物实验性研究始于十八世纪。由于科学技术的进步和神经生理学以及相关领域研究手段的革新,人们对于呼吸中枢的认识由浅入深,大致经历了三个发展阶段。下面按阶段顺序介绍哺乳动物呼吸节律的产生部位和机制。

一、三级呼吸中枢理论的形成和修正阶段

      这是关于呼吸中枢的第一个认识阶段,主要是有关脑干呼吸中枢的大致定位研究和在此基础上形成的三级呼吸中枢理论及其修正。这一阶段大致从十八世纪中叶开始,一直到二十世纪中叶,历时约 200 年。 1760 年, Lorry 发现,去大脑和小脑的家兔仍有呼吸运动,因而认为呼吸节律产生于脑干和颈 段 脊髓。 1812 年, Legallois 切除家兔延髓以上的脑中枢和小脑后,动物的呼吸节律仍然存在;如果切割平面再向尾端延伸 3mm ,呼吸运动便停止,因此他指出,呼吸节律起源于延髓内的一个特殊的局限区域。 1840 年代, Flourens 观察到,家兔高位颈 段 脊髓横断后,膈肌的运动消失,但嘴部的呼吸运动仍然存在;毁损延髓内直径小于 1mm 的区域便能使呼吸运动停止,该区域被称为 “ 生命结节 ” ( noeud vitale ) 。

      二十世纪 20 年代,英国生理学家 Lumsden 在猫观察到,在中脑与脑桥之间横断脑干后,动物的呼吸运动没有明显变化;在脑桥上、中部之间切断脑干,动物出现长吸式呼吸( apneusis );在脑桥与延髓之间横切可引起喘息式呼吸( gasping );在延髓与脊髓之间横切则引起呼吸运动停止。据此, Lumsden 提出了所谓的三级呼吸中枢理论,即在延髓内,有 “ 喘息中枢 ” ( gasping center ),产生最基本的呼吸节律;在脑桥后部,有 “ 长吸中枢 ” ( apneustic center ),对吸气活动产生紧张性易化作用;在脑桥前部,有 “ 呼吸调整中枢 ” ( pneumotaxic center ),对长吸中枢产生周期性抑制作用,三者共同引起正常的节律性呼吸运动。这一学说对后来许多年的研究工作影响很深,有关脑干呼吸中枢的研究大多是在此基础上的进一步补充或纠正。

      1957 年, Wang (美籍华裔生理学家)等在猫进行了孤立延髓实验,进一步分析了延髓在呼吸节律产生中的作用。他们在颈 6 平面横断动物脊髓,在脑桥和延髓之间横切脑干,切断全部颈神经背根,并切断延髓的颅神经,这样便排除了来自颈 段 脊髓以下、延髓以上以及外周的神经活动的影响,在这种制备仍能观察到节律性呼吸活动,进一步证实了延髓本身确有产生呼吸节律的能力。 Pitts 等采用电刺激的方法对脑干进行逐点探查后,认为延髓网状结构内侧部有 “ 吸气中枢 ” ,在其背侧和稍头端有 “ 呼气中枢 ” ,二者略有重叠。 Ngai 和 Wang 用局限性电解毁损方法的研究结果亦支持 Pitts 等的结论。但是后来的电生理学研究结果表明,延髓呼吸中枢并 非 如此简单(见后述)。

      自 Lumsden 提出长吸中枢的概念后, Stella 和 Wang 等亦根据横切实验结果认为脑桥下部长吸中枢确实存在。但是,后来更为精细的实验结果并不支持这一结论。如 St John 等在慢性动物实验中发现,切断双侧迷走神经并损毁双侧呼吸调整中枢的猫,在清醒状态下呈现基本正常的节律性呼吸运动,而不是长吸式呼吸;在此基础上麻醉后,长吸式呼吸再次出现。因此,大多倾向于认为,长吸式呼吸只是呼吸中枢的一种特殊活动状态的表现,在结构上并不存在特定的长吸中枢。

      采用损毁和刺激等方法研究的结果表明,呼吸调整中枢位于脑桥前端背外侧部的结合臂旁内侧核( NPBM )及其外侧的 K?lliker-Fuse 核(二者合称为 PBKF )。在麻醉猫,切断双侧迷走神经后,损毁 PBKF 可引起动物出现长吸式呼吸;在不同呼吸时相刺激 PBKF ,可促进吸气转变为呼气或使呼气转变为吸气,因此呼吸调整中枢的功能是促进呼吸时相的转换。

      由上述可见,第一阶段的研究主要证实了延髓能够产生基本的呼吸节律。但是,由于研究方法较粗糙,所以进展较缓慢,而且认识很不深入。

 

二、呼吸神经元及其投射研究和呼吸节律网络学说形成阶段

      这是关于呼吸中枢的第二个认识阶段,大致为从二十世纪 60 年代初到 80 年代末之间的三十年。这一阶段对于脑干呼吸中枢的研究有了很大的发展,主要是关于脑干呼吸神经元及其突触联系的认识以及在此基础上提出了有深远影响的呼吸节律产生机制的神经元网络模型。这方面的研究进展主要得益于电生理学微电极技术(如细胞内微电极记录技术,逆向刺激技术,互相关分析等)和免疫组织化学或酶组织化学神经束路示踪技术的发展和应用。

      (一)脑干呼吸神经元及其轴突投射

      1936 年, Gesell 等首次将电生理记录技术用于探查脑干呼吸中枢,他们用较粗的电极在狗延髓闩部前后的网状结构中记录到呼吸性电活动。二十世纪 60 年代,一些学者采用尖端较细的微电极进行记录,按放电样式对延髓呼吸神经元进行了较为精细的分类;在随后的大约二十年中,大量研究工作采用微电极记录技术全面系统地探查了脑干呼吸神经元的类型和分布,结合逆向刺激、相关分析等电生理技术和神经束路示踪技术,对它们的轴突投射和功能特点等进行了深入研究。

      脑干内有许多神经元表现出与呼吸周期相关的节律性放电活动,这些神经元被称为呼吸相关神经元( respiration-related neuron )或简称为呼吸神经元( respiratory neuron )。根据放电时相与呼吸周期的关系,在吸气相放电的神经元为吸气神经元,在呼气相放电的为呼气神经元,在吸气相开始放电并延续到呼气相的为吸气 - 呼气跨时相神经元,在呼气相开始放电并延续到吸气相的为呼气 - 吸气跨时相神经元(后来也称为吸气前神经元)。按放电频率的变化,吸气神经元又可进一步分为早(或递减型)、递增型、平台型和晚吸气神经元,呼气神经元可进一步分为递减型呼气神经元(或吸气后神经元)、递增型和平台型呼气神经元。在脑干中,呼吸神经元主要集中分布于左右对称的三个区域,即延髓的背侧呼吸组( dorsal respiratory group, DRG )和腹侧呼吸组( ventral respiratory group, VRG )以及脑桥头端的脑桥呼吸组( pontine respiratory group, PRG )。

      DRG 位于延髓背内侧区,解剖结构上相当于孤束核腹外侧部,其中大部分为吸气神经元,包括能分别被肺扩张抑制和兴奋的 a 吸气神经元和 b 吸气神经元两类,它们的轴突大部分在延髓交叉到对侧下行,少部分在同侧下行,投射到脊髓颈段和胸段,支配膈肌和肋间外肌运动神经元,形成兴奋性突触联系,兴奋时引起吸气运动。在该区还有少量呼气神经元。此外,在 DRG 还可记录到一类放电频率随肺容积增大而增加的所谓泵神经元( pump neuron ),它们可能是传递肺牵张反射传入信息的中间神经元。这些资料主要来自对猫的实验研究。笔者的研究结果表明,在大鼠延髓内没有 像 猫那样的 DRG 。

VRG 位于延髓腹外侧区,纵贯延髓全长。解剖学上,最初将其定位于后疑核和疑核及其邻近区域,后来扩展至更头端的面神经后核。根据其功能特点, VRG 可进一步分为三个区域,即尾段 VRG ( cVRG )、中段 VRG ( iVRG )和头段 VRG ( rVRG )。 cVRG 位于后疑核平面,主要含呼气神经元,其轴突下行投射到脊髓胸段,支配肋间内肌和腹肌运动神经元,兴奋时引起主动呼气。 iVRG 大致位于疑核平面,主要含吸气神经元,其轴突下行投射到脊髓,与 DRG 吸气神经元一样,也支配膈肌和肋间外肌运动神经元,引起吸气;该区还含有吸气和呼气运动神经元,其轴突随舌咽神经和迷走神经传出,直接控制咽喉部辅助呼吸肌的活动。 rVRG 位于面神经后核平面。 1980 年,出席在德国召开的一次关于呼吸调节的学术会议的学者们以当地的一个葡萄园的名字将 rVRG 区命名为包钦格复合体( B?tzinger complex, B?t C )。 B?t C 主要含呼气神经元,其轴突投射到脊髓和延髓内部,抑制吸气神经元的活动;此区还含有呼吸运动神经元,调控咽喉部辅助呼吸肌的活动。除上述三个区域外,十多年前, Smith 等在新生大鼠离体脑干 - 脊髓制备发现,在 rVRG (即 B?t C )和 iVRG 之间,相当于疑核头端平面,存在着一个含有多种呼吸性中间神经元的过度区,他们称之为前包钦格复合体( pre-B?tzinger complex, PBC ),该区域可能是呼吸节律的起源部位(见后述)。

      PRG 位于脑桥前端背外侧部的 PBKF ,该区含有吸气神经元、呼气神经元和跨时相神经元。电生理学和形态学资料均表明, PBKF 与延髓呼吸神经核团之间存在着双向联系。结合前述损毁和刺激实验资料,可以认为, PRG 在基本呼吸节律的形成中不是必需的,但是对于形成和维持正常样式的节律性呼吸活动具有重要意义。

 

(郑煜 供稿)