Die Suche nach dem „Knoten des Lebens“ – die Atemregulation

Zusammenfassung

Der Artikel gibt einen geschichtlichen Überblick über die in den letzten beiden Jahrhunderten erfolgten Entwicklungen zum Verständnis des Atemrhythmus und seiner Kontrollmechanismen. Im 19. Jahrhundert wurde erstmalig eine Struktur in der Medulla oblongata als „Knoten des Lebens“ beschrieben. 1743 entdeckte Taube das Karotiskörperchen, 1927 hat der Spanier de Castro dessen Morphologie und Innervation beschrieben. Erst Vater und Sohn Heymans haben die physiologische und pharmakologische Bedeutung des Karotis- und Aortenkörperchens erkannt. Heute wissen wir, dass die Generierung und Kontrolle der Atmung durch ein komplexes neuronales Netzwerk im Hirnstamm erfolgt. Chemo-, Mechano- und Propriorezeptoren vermitteln Informationen aus Blut, Atemwegen und Muskeln in das respiratorische Netzwerk. Das Atemzentrum integriert die von den Rezeptoren, dem autonomen Nervensystem, dem Herz-Kreislauf-System sowie den willentlich vom zerebralen Kortex eingehenden Informationen und bemisst den Grad der respiratorischen Aktivierung von Motoneuronen und atmungsrelevanter Muskulatur.

Abstract

The article provides a historical overview of developments in the understanding of respiratory rhythm and its control mechanisms over the last two centuries. In the 19^th century, a structure in the medulla oblongata was first described as the “node of life”. In 1743, Taube discovered the carotid body, and in 1927 the Spaniard de Castro described its morphology and innervation. It was only with the work of father and son Heymans that the physiological and pharmacological significance of the carotid and aortic body was recognized. Today we understand that the generation and control of respiration are mediated by a complex neuronal network in the brainstem. Chemo-, mechano- and proprioreceptos convey information from blood, airways and muscles to the control centre. The respiratory centre integrates the afferent input from the receptors, the autonomic nervous system, the cardiovascular system, and voluntary input from the cerebral cortex to modulate the degree of respiratory activation of motoneurons and respiratory muscles.

Schlüsselwörter

Atemregulation - periphere und zentrale Chemorezeptoren - Feedback-Mechanismen - respiratorisches Netzwerk - Bötzinger- und prä-Bötzinger Kerne

Keywords

control of breathing - peripheral and central chemoreceptors - feedback mechanisms - respiratory network - Bötzinger and pre-Bötzinger nuclei

Publication History

Received: 12 September 2023

Accepted after revision: 20 November 2023

Article published online:
14 December 2023

• Literatur

• 1 Procter DF. Ancient Medicine and the Mystery of Breathing. In: Procter DF. A History of Breathing Physiology. New York, Basel, Hong Kong: Marcel Dekker Inc; 1995: 3-16
• 2 Spyer KM. To breathe or not to breathe? That is the question. Exp Physiol 2008; 94: 1-10
• 3 Fitting JW. From Breathing to Respiration. Respiration 2015; 89: 82-87
• 4 Severinghaus JW. Eight sages over five centuries share oxygen’s discovery. Adv Physiol Educ 2016; 40: 370-376
• 5 Fitzgerald RS, Cherniack NS. Historical Perspectives on the Control of Breathing. Compr Physiol 2012; 2: 915-932
• 6 Taube HWL. Dissertationem inauguralem de vera nervi inter costali origine, praeside D. Alberto Haller … publice defendet Hardovicus Wilhelmus Ludovicus Taube. Doktorarbeit. Vandenhoeck; 1743
• 7 Fitzgerald RS. The Regulation of Breathing. In: Procter DF. A History of Breathing Physiology. New York, Basel, Hong Kong: Marcel Dekker Inc; 1995: 303-342
• 8 Procter DF. Galen: His Genius and His Shadow. In: Procter DF. A History of Breathing Physiology. New York, Basel, Hong Kong: Marcel Dekker Inc; 1995: 17-35
• 9 Todman D. Galen (129–199). J Neurol 2007; 254: 975-976
• 10 Flourens P. Recherches experimentales sur le proprieties et les fontions du systeme nerveux, dans les animaux vertebres. 2nd edit. Paris: Bailliere; 1842
• 11 Legallois CJJ. Experiences sur le principe de la vie, nottament sur celui des mouvements due Coeur, et sur la ciege de ce principe. Paris: D’Hautel; 1812
• 12 Flourens P. Nouveaux details sur le noeud vital. Acad Sci Paris 1858; 47: 803-806
• 13 Gad J, Heymans JF. Kurzes Lehrbuch der Physiologie des Menschen. Berlin: Verlag von Friedrich Wreden; 1892
• 14 Traube L. Zur Physiologie des Nervus vagus. In: Ges Beiträge zur Pathol und Physiol, Bd. 1. Berlin: Verlag August Hirschwald; 1871
• 15 Hering E, Breuer J. Die Selbststeuerung der Athmung durch den Nervus vagus. Sitzungsber Akad Wiss Wien 1868; 57: 672-677
• 16 Loewy A. Zur Kenntnis der Erregbarkeit des Atemzentrums. Pflüg Arch 1888; 42
• 17 Haberling W. Johannes Müller – Das Leben des Rheinischen Naturforschers. Akademische Verlagsgesellschaft M.B.H.; Leipzig: 1924
• 18 Schwartz JHH. Die vorzeitigen Athembewegungen. Leipzig: 1858
• 19 Pflüger E. Beiträge zur Lehre von der Respiration. Über die physiologische Verbrennung in den lebendigen Organismen. Arch ges Physiol des Menschen und der Tiere 1875; 10: 251-367
• 20 Haldane JS, Priestley JG. The regulation of the lung – ventilation. Physiol 1905; 32: 225-226
• 21 Chinard FP. Priestley and Lavoisier: Oxygen and Carbon Dioxide. In: Procter DF. A History of Breathing Physiology. New York, Basel, Hong Kong: Marcel Dekker Inc; 1995: 203-221
• 22 Miescher-Rüsch F. Bemerkungen zur Lehre von den Atembewegungen. Arch Anat und Physiol 1885; 355-380
• 23 Gonzalez C, Vonde SV, Gallego-Martin T. et al. Fernando de Castro and the discovery of the arterial chemoreceptors. Frontiers in Neuroanatomy 2014; 8: 1-16
• 24 Castro F. Towards the sensory nature of the carotid body: Hering, De Castro and Heymans. Frontiers in Neuroanatomy 2009; 3: 1-11
• 25 Lahiri S. Historical perspectives of cellular oxygen sensing and responses to hypoxia. J Appl Physiol 2000; 88: 1467-1473
• 26 Heymans JF, Heymans C. Sur les modifications directes et indirectes et sur la regulation reflexe de L’activite du centre respiratoire de la tete isolee du chien. Arch Int Pharmacodyn Ther 1927; 33: 273-372
• 27 Ortega-Saenz P, Lopez-Barneo J. Physiology of the Carotid Body: From Molecules to Disease. Ann Rev Physiol 2020; 82: 127-149
• 28 Schläfke M, Loeschke HH. Lokalisation eines an der Regulation von Atmung und Kreislauf beteiligten Gebietes an der ventralen Oberfläche der Medulla oblongata durch Kälteblockade. Pflügers Archiv 1967; 29: 201-220
• 29 Severinghaus JW. Hans Loeschke, Robert Mitchell and the medullary CO₂ chemoreceptors: a brief historical review. Respiration Physiology 1998; 114: 17-24
• 30 Dempsey J, Forster H. Mediation of ventilator adaptations. Physiol Rev 1982; 62: 262-346
• 31 Richter DW. Atemregulation. In: Schmidt RF, Lang F. Physiologie des Menschen mit Pathophysiologie. 30. Auflage. Springer Verlag; Heidelberg: 2007
• 32 Krohn F, Novello M, Giessen RS van der. et al. The integrated brain network that controls respiration. eLife 2023; 12: 1-67
• 33 Dempsey JA, Welch JF. Control of Breathing. Semin Respir Crit Care Med 2023; 44: 627-649
• 34 Kussmaul A. Zur Lehre vom Diabetes mellitus. Über eine eigenthümliche Todesart bei Diabetischen, über Acetonämie, Glycerin-Behandlung des Diabetes und Einspritzen von Diastase ins Blut bei dieser Krankheit. Dtsch Arch klin Med 1874; 14: 1-14
• 35 Wijdicks EF. Biot’s breathing. J Neurol Neurosurg Psychiatry 2007; 78: 512-513