Zur Interaktion chemosensibler und vagaler Afferenzen auf die respiratorische Moto-Aktivität und die Atemarbeit

Zusammenfassung

Hintergrund: Die zentrale Interaktion arterieller und medullärer Chemorezeptoren mit sensorischen Afferenzen aus der Lunge und den Atemwegen spielt die zentrale Rolle für die Atemrhythmogenese und die Aktivität respiratorischer Muskeln. Während die inspirationslimitierende Wirkung von Lungendehnungsrezeptoren weitgehend beschrieben wurde, ist ihr Einfluss auf die Exspiration und die Pathomechanismen obstruktiver Atemwegserkrankungen noch immer weitgehend unbekannt. Methoden: Der Beitrag vagaler Afferenzen (VA) auf die Atmung der narkotisierten Katze wird vor und nach bilateraler Vagotomie unter Ruhebedingungen und erhöhtem chemischen Atemantrieb untersucht. Anschließend werden die zentralen Enden der durchtrennten Nn. vagi in Kombination mit Carotissinusnerven (CSN) mit einem frequenzmodulierten Signal elektrisch gereizt. Ergebnisse: Bei intakten Nn. vagi führt Reizung der Carotissinusnerven oder Inhalation von 5 % CO₂ in O₂ zu einer Aktivitätssteigerung inspiratorischer Muskeln (IM) in der Einatmungsphase und zu einer Aktivierung exspiratorisch wirksamer Muskeln (EM) in der Ausatmungsphase. Nach bilateraler Vagotomie führt die CSN-Stimulation ausschließlich zur Aktivitätssteigerung der IM und einer Zunahme der Einatemtiefe. Die Effekte der Vagotomie konnten vollständig durch eine frequenzmodulierte Stimulation eines afferenten Vagusstumpfes mit einer Reizfrequenz von wenigen Pulsen/Sekunde in früher Inspiration bis auf 80 - 100 Hz in später Inspiration aufgehoben werden. Erhöhung der spätinspiratorischen Frequenz auf mehr als 100 Hz und damit Simulation eines erhöhten Atemzugvolumens führte zu einer Verkürzung der In- und Exspiration verbunden mit einer flachen frequenten Atmung. Erhöhung der spätexspiratorischen Reizfrequenz auf bis zu 50 Hz und damit Simulation einer behinderten Exspiration, führt hingegen zu einer Verlängerung der Exspiration mit EM-Aktivierung. Schlussfolgerungen: Die Ergebnisse der hier durchgeführten Akutversuche zeigen, dass Lungendehnungsrezeptoren bei gesteigertem Atemantrieb und Simulation einer behinderten Ausatmung neben dem Inspiratorischen „off-switch” auch eine Aktivierung exspiratorischer Muskeln und damit eine aktive Exspiration vermitteln.

Abstract

Background: The central interaction of intracranial and arterial chemoreceptors plays an important role for the generation of respiratory motor activity. Whereas the inspiratory inhibitory effect of lung stretch receptors is largely described, relatively little is known about their influence on expiration and on the pathomechanisms of obstructive airway disease. Material and Methods: In anaesthetised cats, electrical activity of inspiratory and expiratory muscles (IM, EM) has been studied along with tidal volume and the position of breathing in eupnoea and increased respiratory drive before and after bilateral vagotomy. In order to mimic slowly adapting lung stretch receptor activity (SAR), the distal ends of vagal nerves (VN) were stimulated electrically using a frequency modulated signal derived from the respiratory alterations in oesophageal pressure. Results: With intact VN, electrical stimulation of carotid sinus nerves or inhalation of 5 % CO₂ in O₂ resulted in an increased activation of IM in inspiration and activation of EM in expiration. Elimination of lung stretch receptor activity during quiet breathing resulted in prolongation and increase in IM activity without much effecting EM, since expiration is passive in eupnoeic breathing. After bilateral vagotomy, the electrical activity of the expiratory muscles was effectively reduced and the activity of the inspiratory muscles was largely enhanced. The effects of vagotomy could be completely reversed by electrical VN stimulation. Simulating an increased tidal volume by increasing the end inspiratory stimulation frequency to more than 100 Hz resulted in a decrease in IM activity and tidal volume. On mimicking an increased end expiratory lung inflation by end expiratory frequencies up to 50 Hz, expiration was prolonged and expiratory muscles activated. In consequence the position of breathing shifted to below the functional residual capacity (FRC). Conclusion: The results of these acute investigations show, that besides terminating inspiration, lung stretch receptors cause a facilitation of expiration during increased respiratory drive and expiratory airflow limitation by activation of expiratory muscles.

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