Calcolo Dello Shunt, Consumo Di Ossigenocontrollo Nervoso E Chimico Della Respirazione

Lezione 38 Dunque, oggi parliamo dello shunt, un po’ del consumo di ossigeno e poi passeremo al controllo della respirazione. CALCOLO DELLO SHUNT Allora, ieri abbiamo visto parlando del rapporto ventilazione-perfusione, lo shunt, abbiamo introdotto il concetto di shunt. Questa diapositiva e quella successiva ci servono per il calcolo dello shunt. Perché è così importante, come mai ben due diapositive su questo argomento? Perché lo shunt in termini di ventilazione-perfusione è molto importante, infatti avete visto che indipendentemente dalla per fusione, se esiste una quota di shunt allora la pressione parziale dei gas O2 e CO2 nel sangue arterioso diventa sempre più simile a quella nel sangue venoso. Allora è molto utile per il clinico, per esempio in anestesia, l’anestesia infatti si basa molto sulla fisiologia respiratoria e anche renale, oltre che naturalmente sulla fisiologia del sistema nervoso, ma l’anestesista deve conoscere bene la fisiologia della respirazione per poter capire la fisiopatologia e la patologia a cui un oggetto anestetizzato può andare incontro. Per cui cerchiamo di vedere qual è la quota di shunt, cioè il flusso di sangue che va a percorrere una strada alternativa, che non è quella di passaggio attraverso la parte ventilata del polmone, ma quella quota che può magari passare attraverso il polmone, però passa o attraverso zone perifasiche(?) o attraverso zone comunque non ventilate. Maggiore è la quota di shunt, più pesanti saranno le conseguenze in termini di ossigenazione di sangue arterioso e di ipercapnia. E allora vediamo un pochino di capire questo problema:

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V −V s

C c ' O2

•

V arterioso •

V venoso

C a O2 •

V arterioso

qui avete uno schema in cui è presente l’alveolo e questo è il flusso di sangue che arriva al polmone. Il flusso di sangue naturalmente è la gettata cardiaca (GC). Quindi c’è un flusso di sangue che entra, gettata cardiaca, e un flusso di sangue che esce. Una parte del flusso di sangue passa attraverso la zone alveolare, cioè passa attraverso la zona ventilata. Una parte invece bypassa la zona ventilata e passa attraverso la zona di shunt.

1

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Per cui definiremo flusso di shunt ( V s )quella quota della gettata cardiaca che non viene ventilata, •

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che compone lo shunt, mentre invece definiremo flusso meno flusso di shunt ( V − V s ) quella parte che invece passa dalla zona ventilata. La concentrazione di ossigeno nel sangue venoso misto in arrivo la chiamiamo C v O2 (C v medio O2)v medio perché sangue venoso misto, mentre qui abbiamo un concentrazione arteriosa di O2 ( C a O2 )che è la concentrazione che risulta dalla mescolanza tra la concentrazione di ossigeno nella zona dello shunt e la concentrazione di ossigeno nel sangue che passa dai capillari. E infatti vedete che c’è un’ulteriore definizione di concentrazione di O2 che passa dai capillari ( C c ' O2 ), perché ovviamente questa concentrazione che passa dai capillari è uguale alla concentrazione arteriosa se il flusso di shunt è uguale a zero, ma può essere diversa a seconda di quant’è il flusso di shunt. Allora quello che si va a calcolare, quello che ci interessa è la quantità di ossigeno trasportato a •

livello arterioso in un minuto, cioè questo valore, Qa O2 , rappresenta il flusso di ossigeno a livello arterioso e cioè la quantità di ossigeno che passa e che esce dal polmone. E’ un flusso di ossigeno. (1)

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Q a O 2 = (Q − Q s )O 2 + Q s O 2 Per la legge della diluizione vi ricordate che la quantità di un soluto trasportata nel tempo è uguale al flusso del liquido in cui il soluto è disperso per la concentrazione del soluto nel liquido. (2)

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V ∗ C a O2 = (V − V s ) ∗ C c ' O2 + V s ∗ C v O2

Allora avete capito il primo passaggio? L’unica cosa che c’è da capire è la legge della diluizione! Allora se io voglio sapere quant’è la quantità di ossigeno trasportata nel tempo fuori dal polmone a livello arterioso, questa sarà data da due quote: la quota di ossigeno che arriva dalla parte ventilata del polmone meno la quota di ossigeno che arriva dalla zona non ventilata, quindi quella che arriva dalla zona dello shunt più quella che arriva dalla zona non shuntata, che perciò è normale: (3)

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V ∗ C a O2 = V ∗ C c ' O2 − V s ∗ C c ' O2 + V s ∗ C v O 2 •

allora(2), in base alla legge della diluizione possiamo scrivere che Q a O2 è uguale al flusso, che è la gittata cardiaca, per la concentrazione arteriosa di O2 ( Ca O2 ) e questa sarà data dal flusso di sangue •

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che passa attraverso il polmone ventilato (V − V s ) per la concentrazione di O2 che esce dai capillari ( Cc 'O2 ) perché cos’ abbiamo definito la concentrazione di ossigeno alla fine della zona di polmone •

ventilata, più questa quota qui ( V s ∗ C O2 ), che è la quota di ossigeno che esce dallo zona dello v shunt, è data dal flusso di sangue che attraversa lo shunt per la concentrazione di ossigeno nel sangue venoso misto. Perché nel sangue venoso misto? Perché lo shunt, non essendo esposto all’alveolo si mantiene con la stessa concentrazione che aveva il sangue ingresso. La concentrazione di sangue in ingresso nello shunt, come quella del sangue in ingresso nei capillari, è la concentrazione venosa di O2. Nei capillari alveolari la concentrazione cambia e aumenta, ed arriva ad essere quella capillare, mentre nello shunt no, perché non c’è nessuno scambio che faccia cambiare la concentrazione di O2 in questo di flusso di sangue dello shunt. Quindi la concentrazione del sangue anche in uscita dallo shunt è quella venosa. Allora adesso la riga sotto(3) non è altro che l’espressione dell’equazione prima, la risoluzione di •

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questo prodotto: (V − V s ) ∗ Cc 'O2 che appunto mi darà : V ∗ C c 'O2 − V s ∗ C c ' O2 , è l’esplicitazione dell’espressione precedente! Ora, raccogliendo in funzione del flusso dello shunt e del flusso totale ottengo: 2

(4)

•

•

− V s ∗ (C c ' O2 − C v O2 ) = − V ∗ (C c ' O2 − C a O2 )

e alla fine si arriva a questa espressione: •

(5)

Vs •

=

Cc 'O2 − Ca O2 Cc 'O2 − Cv O2

V che vi dice che il flusso dello shunt diviso il flusso totale, e cioè la percentuale di sangue che passa dallo shunt, è uguale alla concentrazione nel capillare meno la concentrazione arteriosa ( C c ' O2 è maggiore di C a O2 oppure è uguale nel caso in cui lo shunt sia uguale a zero) diviso la concentrazione nel capillare meno la concentrazione venosa media. Allora la differenza tra la concentrazione nel capillare e quella arteriosa è minore della differenza tra la concentrazione nel capillare e la concentrazione venosa, quindi questo rapporto è quasi sempre inferiore a 1. sarebbe uguale a 1 solo nel caso in cui non ci fosse flusso di sangue attraverso la zona ventilata del polmone, cosa che ovviamente non succede mai. •

Quindi questo rapporto

Vs

E’ SEMPRE INFERIORE A 1. • V • Tanto più piccolo è questo rapporto, tanto più favorevole è la situazione, perché se V s diventa •

piccolo rispetto a V , vuol dire che il rapporto di shunt è minore e vuol dire che sarà maggiore la quota di sangue che passa attraverso la parte ventilata del polmone e quindi vuo, dire che la concentrazione arteriosa di O2 rifletterà più da vicino la concentrazione capillare. Verosimilmente se il flusso attraverso lo shunt fosse uguale a zero, C c ' O2 sarebbe uguale a C a O2 . Sappiamo però che non è vero, già ieri dicevamo che c’è una piccola quota di shunt che passa attraverso il circolo bronchiale e le vene di Tebesio, quindi in realtà la concentrazione arteriosa di O2 non è mai esattamente identica alla concentrazione di O2 che esce dal circolo capillare, è un pochino più bassa. Però diventa sempre più bassa se il flusso di sangue che passa attraverso lo shunt aumenta e può aumentare fino a livelli effettivamente patologici. Ora possiamo fare un’estrapolazione in più, perché andare a misurare la concentrazione di O2 nel sangue risulta essere difficile, perciò è più comodo fare un prelievo di sangue e andare a misurare la pressione parziale. Allora come si fa? mlO2 C c ' O2 = [ Hb] ∗ 1,34 + αO2 ∗ PAO2 (6) grHb Legato ad Hb disciolto Innanzi tutto, l’O2 presente nel sangue in che forma è presente? Una parte è legata all’emoglobina, una parte è liberamente disciolta. La parte legata all’emoglobina sarà la quota che si lega ad ogni grammo di emoglobina, che è 1,34 ml di ossigeno per grammo di emoglobina, per la concentrazione di emoglobina, che è quello che è scritto qui(6). Possiamo scrivere questa espressione perché sappiamo che a livello alveolare (stiamo parlando del capillare, quindi siamo a livello alveolare!), l’emoglobina è quasi completamente satura, quindi possiamo scrivere che la concentrazione capillare di O2 sarà data dalla quota legata all’emoglobina (prima parte equazione 6) più la parte liberamente disciolta, che sarà uguale alla αO2 , che è il coefficiente di solubilità per l’O2, per la pressione alveolare dell’ossigeno, perché mi aspetto che la pressione alveolare dell’ O2 sia uguale, all’equilibrio, alla pressione che c’è nel capillare. Allo stesso modo posso fare un calcolo di quant’è la concentrazione arteriosa di ossigeno. mlO2 C a O2 = [ Hb] ∗ 1,34 + αO2 ∗ PaO2 (7) grHb

3

La quota legata all’emoglobina sarà sempre uguale, perché siccome la curva di dissociazione del sangue per l’ossigeno ha la forma che ha, passando dal capillare al sangue arterioso, anche se la pressione parziale scende un pochino, però siamo sempre nella zona piatta della curva di dissociazione, quindi possiamo assumere che anche se ci sono delle piccole differenze tra capillare e sangue arterioso medio, la concentrazione di O2 legata all’emoglobina sia ancora uguale a quella che c’è nei capillari. Non potremmo dirlo se ci trovassimo a livello venoso, ovviamente. La quota disciolta sarà invece data da αO2 , che è sempre quello, per la pressione parziale di O2 nel sangue arterioso, e possiamo aspettarci che la pressione parziale di O2 nel sangue arterioso sia un pochino più bassa di quella che c’è nel sangue alveolare, cioè nel capillare a contatto con l’alveolo. Quindi, vedete qui(5) c’è una differenza tra la concentrazione di O2 nel capillare e quella arteriosa e tra la concentrazione di O2 capillare e quella venosa. Possiamo scrivere queste concentrazioni riferendoci alla nuova espressione delle concentrazioni: C c ' O2 − C a O2 = αO2 ∗ ( PAO2 − PaO2 ) (8) quindi possiamo scrivere che la differenza tra la concentrazione capillare e arteriosa è uguale alla differenza tra questi due elementi[(6)e(7)], ma in questi due elementi la quota legata all’emoglobina è la stessa, quindi la differenza delle concentrazioni possiamo vederla come differenza delle quantità presenti sotto forma di gas disciolto(8). E quindi sarà uguale ad alfa O2 per PAlveolare O2 meno Parteriosa di O2. La differenza tra capillare e vena la possiamo vedere adesso come: C c ' O2 − C v O2 = C c ' O2 − C a O2 + C a O2 − C v O2 (9) vedete che ho complicato l’equazione perché ho aggiunto e sottratto ai due termini a sinistra ( C c ' O2 − C v O2 ) Ca O2 . Vedete che è la stessa cosa? La parte sinistra e la parte destra sono uguali, a meno di questo Ca O2 che prima ho sottratto e poi ho aggiunto. Sottraendo la Ca O2 da Cc 'O2 , posso esprimere questo termine in questo modo: (10) C c ' O2 − C v O2 = αO2 ∗ ( PAO2 − PaO2 ) + C a O2 − C v O2 quindi invece di Cc 'O2 − Ca O2 posso scrivere l’espressione (8) che ho appena ricavato. Allora, adesso ho due nuove espressioni: una (la 8) per il numeratore dell’espressione (5), e una (la10) per il denominatore. Quindi otterrò: •

(11)

Vs •

V

=

αO2 ∗ ( PAO2 − PaO2 ) C c ' O2 − C a O2 = C c ' O2 − C v O2 αO2 ∗ ( PAO2 − PaO2 ) + C a O2 − C v O2

in pratica viene riscritta l’equazione (5) esprimendo le concentrazioni con le nuove espressioni che abbiamo ricavato adesso, in funzione della differenza di pressione parziale. Vedete che al denominatore compare questo termine: Ca O2 − Cv O2 , che è la differenza di concentrazione di O2 tra il lato arterioso e il lato venoso. Questa è la differenza artero venosa di O2. Rimaneggiando la (11) si arriva all’espressione della pressione alveolare di O2 in funzione di una serie di parametri: •

(12)

PAO2 =

•

•

αO2 ∗ PAO2 ∗ (V − V s ) − V s ∗ (C a O2 − C v O2 ) •

•

αO2 ∗ (V − V s ) e quindi ci sta ad indicare come il flusso di shunt, che compare due volte al numeratore e una al denominatore, sia estremamente importante nel condizionare poi la pressione parziale che si ha a livello alveolare ma soprattutto a livello arterioso. Quindi la quota di shunt pesa in maniera rilevante sulla pressione alveolare di O2. CONSUMO DI OSSIGENO 4

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(1) O2 portato dal sangue arterioso ai tessuti: Q a O2 = C a O2 ∗ GC •

(2) O2 che torna al cuore col sangue venoso: Q v O2 = C O2 ∗ GC v •

•

•

(3) V O 2 = Q a O2 − Q v O2 = GC ∗ C a O2 − C O2 v •

(4) V O 2 = GC ∗ C a O2 − C O2 v

LEGGE DI FICK

allora, queste relazioni vi spiegano come mai la legge di Fick tira in ballo il consumo di ossigeno. Vi ricordate quando abbiamo parlato a proposito del sistema circolatorio della legge di Fick? Abbiamo fatto questa connessione che vi sarà sembrata un po’ strana tra la legge di Fick che va a stimare, a calcolare la gettata cardiaca, che è un parametro cardiocircolatorio, è la misura di un flusso di sangue, e il consumo di ossigeno, che è un parametro un po’ strano se si parla di sistema cardio circolatorio. E vi avevo detto che la legge di Fick, parlandone da un punto di vista cardio circolatorio, ci dice che la gettata cardiaca è uguale al consumo di ossigeno diviso la differenza •

V O2 artero venosa di O2 : GC = ∆(a − v)O2 Detta così l’avete presa per vera,ma adesso che abbiamo fatto altri passaggi si può cercare di capire •

come mai ci si avvale del V O2 e della differenza artero venosa di O2 per andare a calcolare la gettata cardiaca. Allora è sempre il solito problema: Q = V ∗ C la quantità è uguale al volume per la concentrazione. Q V = ∗C E se dividiamo da entrambe le parti per il tempo: t t Otterremo che la quantità nel tempo, cioè il flusso di sostanza, è uguale al flusso, cioè volume fratto tempo, per la concentrazione. •

•

Quindi: Q = V ∗ C Si utilizza questa relazione, che è la legge della diluizione, applicata all’ossigeno, perché l’ossigeno viene trasportato attraverso un flusso di liquido, cioè il sangue, e abbiamo a livello arterioso e a livello venoso, e cioè all’inizio e alla fine del nostro circuito, una differente concentrazione di ossigeno ma uno stesso flusso di sangue. E allora noi possiamo dire che quello che noi chiamiamo consumo di ossigeno e che siamo abituati •

a definire V O2 , non è un flusso di liquido, ma è il flusso di un soluto che è l’ossigeno (anche si in •

molti libri troverete scritto che V è il flusso di un liquido, non né così, è il flusso di un soluto). •

Allora sarebbe più giusto, invece che chiamarlo V O2 , segnarlo come la quantità di O2 che viene trasportata nel tempo a livello arterioso (1) meno la quantità di O2 che ci ritroviamo nel tempo a livello venoso (2), perché è questo che è il consumo di ossigeno(3). All’uscita dal cuore sinistro io ho una quantità di ossigeno e alla fine del circolo, al rientro nel cuore destro io ho una quantità minore di ossigeno. Quindi il consumo di ossigeno è la differenza tra la quantità di ossigeno trasportata a livello arterioso e quella trasportata a livello venoso. La differenza è la quantità di ossigeno consumata dal tessuto. E allora se è una differenza di quantità nel tempo sarà lecito scrivere, come abbiamo fatto prima, che la quantità di O2 trasportata a livello arterioso è la gettata cardiaca per la concentrazione arteriosa di O2 (1), la quantità che ci ritroviamo a livello venoso nel tempo è la gettata cardiaca per •

la concentrazione venosa di O2 (2), e allora possiamo infine scrivere che questo V O2 , che sappiamo 5

essere una differenza di quantità di O2 e non un flusso di liquido, sarà uguale alla gettata cardiaca per la differenza artero venosa: •

V O2 = GC ∗ ∆(a − v )O2 che è un altro modo di vedere l’equazione (4). Ed ecco da dove deriva la legge di Fick: semplicemente da una esplicitazione della legge della diluizione applicata al consumo di ossigeno. Così come vale per l’O2 questa equazione vale per la CO2 : (5)

•

•

V CO2 = Q v CO2 − Qa CO2 = GC ∗ (C v CO2 − C a CO2 )

è la stessa cosa, però in realtà la legge di Fick è applicata all’O2 perché è l’O2 il parametro importante anche dal punto di vista funzionale: non è importante misurare il consumo di CO2, perchè va eliminata, è importante misurare il consumo di O2 perché poi da li si potranno anche fare dei calcoli di tipo metabolico. Sapere quanto ossigeno si consuma è molto più indicativo per esempio anche in termini di dispendio energetico, di consumo calorico, di quanto non sia invece la produzione di CO2. quindi è per questo che la legge che viene usata in particolare è questa, però potrebbe essere applicata anche alla CO2. Non è applicabile all’azoto. O meglio, è applicabile all’azoto: (6)

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V N 2 = GC ∗ ∆(a − v) N 2 il problema è che la concentrazione arteriosa e quella venosa di azoto sono uguali, perché l’azoto non viene né assorbito né prodotto. Quindi questo(6) è legittimo scriverlo, però è anche legittimo dire che questo parametro qui è uguale a zero. E quindi il flusso di azoto in termini di consumo e/o produzione non ha senso perché è uguale a zero. Invece il consumo di ossigeno a riposo vi ricordo che è 250ml al minuto, così come la CO2 prodotta è un po’ di meno, circa 200ml al minuto. La CO2 ovviamente viene prodotta e l’ossigeno ovviamente consumato. •

V O2 = 250 ml

min

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V CO2 = 200 ml

min

CONTROLLO NERVOSO DELLA RESPIRAZIONE Passiamo adesso all’ultima parte del sistema respiratorio andando a vedere come si effettua il controllo nervoso e non della respirazione. Innervazione afferente ed efferente del sistema respiratorio

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Efferenze Muscoli inspiratori

Afferenze polmonari

A differenza del sistema circolatorio, il sistema ventilatorio, respiratorio, può essere controllato anche tramite una componente volontaria. Il controllo del sistema respiratorio è un capitolo estremamente difficile, molto controverso, molto aperto per cui i vari libri riportano molte informazioni su questo capitolo che talvolta possono sembrare un po’ differenti da un libro all’altro, io vi mostro dei capisaldi che si conoscono, l’importante è che capiate il controllo generale, è uno degli ambiti più controversi della fisiologia respiratoria. E’ difficile perché ci sono molti fattori che condizionano la ventilazione. Innanzi tutto c’è una COMPONENTE AUTOMATICA, come nel sistema circolatorio. Così come nel cuore c’è una componente di attivazione automatica del miocardio ad opera del miocardio differenziato, anche nel sistema respiratorio c’è una componente automatica che impone quella che si chiama ritmogenesi respirazione. Vedrete che ci sono dei nuclei localizzati a livello bulbo-pontino i quali scaricano ad intermittenza andando a comandare i muscoli inspiratori. Quindi c’è un sottofondo di automatismo: noi respiriamo tranquillamente senza bisogno di pensare alla respirazione, si va avanti a respirare autonomamente. Quindi questa è già una componente di per se complessa. Su questa componente di automatismo vanno ad interagire molte informazioni, che sono informazioni provenienti: - dal polmone - dalla corteccia - dai muscoli o dalle articolazioni Vi è poi una componente estremamente importante di controllo che viene chiamato CONTROLLO CHIMICO. Il controllo chimico, che è forse il più importante dei controlli, anche se dato che sono importanti tutti è difficile dire quale sia il più importante, si basa sul fatto che la respirazione viene modulata in relazione alle pressioni parziali di ossigeno e di CO2 nel sangue. Quindi abbiamo: - un controllo NERVOSO puro - un controllo CHIMICO che però tra loro si integrano e in più abbiamo la capacità di interferire con questo controllo automatico, che non dipende dal nostro controllo perchè non possiamo sapere quant’è la pressione parziale di O2 e CO2 nel sangue, quindi quello è un controllo diciamo automatico, ma in più noi possiamo modificare la respirazione in tanti modi tramite l’intervento della corteccia motoria, 7

quindi tramite un intervento volontario, per esempio mentre parlo la respirazione è modificata perché l’aria viene emessa in modo funzionale alla parola. Non abbiamo mai parlato del linguaggio perché non c’è il tempo di farlo, ma ovviamente la parola è l’espressione di una serie di movimenti delle corde vocali che vengono comandate da una serie di aree (che come sapete sono l’aera di Wernike e del Broca e l’area motoria del linguaggio, che si trova in quella del Wernike, nella corteccia parieto-temporale anteriore) e questo tipo di movimento volontario delle corde vocali induce una modificazione della respirazione, dell’aspetto vetilatorio. Se mi metto a cantare la respirazione cambia rispetto a quando parlo. I cantanti che lavorano molto con il diaframma nell’emissione della voce in maniera stabile, anche loro modificano durante i vocalizzi la respirazione, così come possiamo modificarla ogni qual volta vogliamo fare un iperventilazione. Un subacqueo che iperventila prima di immergersi, volontariamente fa delle iperventilazioni molto marcate. Oppure possiamo trattenere il fiato per un po’. Quindi vedete come su una ritmogenesi automatica e su un controllo anch’esso automatico delle funzioni respiratorie legato alle pressioni parziali di O2 e CO2 può anche intervenire un controllo volontario che è limitato ma che può esserci. Quindi capite che il tutto si configura in una maniera molto complessa. Il fine ultimo di questa interazione così complessa è quello di mantenere comunque il più possibile la pressione parziale di O2 e CO2 costanti. Allora, vediamo un po’ cosa ci dice questa figura(fig.pag6) Ci fa vedere un po’ delle strutture che riguardano le afferenze e le efferenze. Allora, intanto il controllo centrale si affida a dei nuclei che sono posti a livello del ponte e del bulbo. Poi ci sono delle afferenze e delle efferenze che mettono in relazione il nevrasse con i muscoli inspiratori compreso il diaframma, questo qui è il nervo frenico che parte dalla colonna a livello cervicale in posizione C3-C5, decorre molto vicino al nervo vago e va a finire ad innervare il diaframma. il nervo frenico è un nervo unicamente MOTORE. Le afferenze sono di vario tipo. Qui sono indicate principalmente le afferenze polmonari, ci sono vari tipi di afferenze polmonari, infatti abbiamo almeno tre tipi di recettori polmonari, questi recettori polmonari convergono verso afferenze polmonari che decorrono in particolar modo nel nervo vago. Quindi tutte le afferenze che provengono dal polmone decorrono lungo il vago e, passando attraverso il ganglio nodoso e giugulare, vanno a finire a livello bulbare. Quindi abbiamo delle vie afferenti che decorrono lungo il nervo vago delle vie efferenti che decorrono o lungo il freno lungo i nervi motori degli intercostali. Queste vie vengono integrate a livello del bulbo-ponte e poi della corteccia per quanto riguarda le azioni volontarie.

Vediamo quali sono le aree cerebrali coinvolte nel controllo della ventilazione:

8

pneumotassico

Neuroni pontini

Nuclei bulbari

Insp+esp

sono molte come vedete. E i vari studiosi hanno interpretato tutti questi centri in molti modi diversi e troverete anche dei nomi diversi. Ci sono fondamentalmente tre gruppi neuronali: • NUCLEI BULBARI: sono i nuclei dove va a finire la afferenza proveniente dal vago e da dove partono le efferenze dirette ai nuclei motori degli intercostali. Si parla di nucleo respiratorio dorsale e di un nucleo respiratorio ventrale, rispettivamente inspiratorio ed espiratorio. • Al di sopra di questa componente dei nuclei bulbari abbiamo un complesso di nuclei molto complicato che fa parte dei cosiddetti NEURONI PONTINI di cui i più importantio sono il complesso Botzinger e pre-Botzinger. Sono coì importanti, soprattutto il pre-Boetzinger, perché è qui che è stato individuato il luogo della ritmogenesi automatica respiratoria. Cioè è qui, a livello di questo nucleo, dove sono stati individuati i neuroni dotati di una ritmogenesi spontanea, come se fosse il nodo seno-atriale nel cuore. Il polmone non ha un nodo-senoatriale, non ha localmente un gruppo neuronale che impartisce l’ordine respiratorio. Questi nuclei non sono localizzati nel polmone, ma sono localizzati a livello pontino e sono stati individuati in questo complesso pre-Boetzinger, alcuni lo estendono anche al Boetzinger. Comunque in questa zona ci sono questi neuroni che sono neuroni inspiratori. Qui a sinistra vedete come sono disposti in sezione traversa. • Al di sopra dei neuroni pontini vi sono poi altri nuclei che fanno parte di quello che è stato definito GRUPPO RESPIRATORIO PONTINO. Su alcuni libri questo gruppo respiratorio pontino lo troverete sotto forma di centro pneumotassico. Ora, c’è una gerarchia tra questi nuclei: qui (neuroni pontini) nasce la ritmogenesi respiratoria. La ritmogenesi respiratoria influisce su ciò che i nuclei bulbari ispiratori ed espiratori convergono e a sua volta questo complesso di ritmogenesi automatica è coordinato, regolato dal centro pneumotassico. E’ una situazione abbastanza complessa. Prima di vedere come questi centri coordinano l’attività inspiratoria ed espiratoria, vediamo di capire quali sono le afferenze che provengono dal polmone, che sono le afferenze più importanti:

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Aff. vie superiori

Aff polmonari

1. rec. polm. di stiramento a lento adattamento (Hering-Breuer) 2. rec. polm. polimodali a rapido adattamento (mucosa bronchiale) 3. terminazioni vagali amieliniche (recettori J, juxtacapillari)

ce ne sono anche altre provenienti da altri distretti, sia superiori che più periferici, ma sicuramente le afferenze più importanti sono quelle che arrivano dal sistema respiratorio stesso. Abbiamo delle afferenze dalle vie aeree superiori. Queste afferenze arrivano per esempio con il nervo laringeo superiore o con il nervo laringeo ricorrente, con alcuni rami aortici e queste afferenze che provengono dalle vie aeree superiori sono afferenze che informano i centri sovrassiali del controllo respiratorio su alcuni possibili stati di irritazione, per esempio la tosse, lo starnuto, sono dei riflessi che sono mediati da delle sollecitazioni di tipo irritativi che provengono dalle afferenze delle vie aeree superiori. Quindi queste afferenze danno una risposta che è una risposta, se volete, espiratoria violenta(tosse, starnuto) la cui funzione è quella di espellere dalle vie aeree superiori ogni corpo estraneo che possa interagire con l’attività respiratoria o che possa causare un eventuale danno alle strutture respiratorie.quindi queste sono delle affernze di significato DIFENSIVO. Invece le afferenze polmonari sono più complicate che hanno un chiaro segno di REGOLAZIONE della respirazione normale. Sono 3 tipi di afferenze: 1- Afferenze dai recettori polmonari di stiramento a lento adattamento. Sono responsabili di un riflesso importante: riflesso di Hering-Breuer spirogramma

Fibra efferente

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il riflesso di Hering-Breuer è un riflesso che non è presente nell’uomo sveglio ma è presente nell’uomo e nell’animale anestetizzati e che può essere presente in alcuni casi anche nei bambini neonati. E’un riflesso per cui se alla fine di una inspirazione si occludono le vie aeree, come vedete qui(freccia rossa), quello che succede è che viene inibita l’attività del frenico. L’attività elettromiografica del frenico è l’attività che determina la contrazione del diaframma. Allora quando si vuole andare a studiare l’attività inspiratoria, siccome il diaframma è il maggior muscolo inspiratore, è molto comodo andare a studiare l’attività del frenico piuttosto che andare a studiare l’attività di tutti i nuclei motori dei nervi dei muscoli intercostali che sono tanti e hanno un significato respiratorio più piccolo, si va a misurare invece l’attività del diaframma. E il riflesso di Hering-Breuer dice che se io quando sono alla fine di una inspirazione normale occludo le vie aeree, viene impedita anche l’attività del nervo frenico. Che cosa vuol dire? Che bloccare le vie aeree ad un volume elevato, blocca un’ulteriore inspirazione. Cioè che cosa vuol dire? Che questi recettori a lento adattamento sono recettori che informano il sistema nervoso centrale del volume polmonare. Quando il volume polmonare è elevato, il sistema nervoso lo sa, sa che stiamo arrivando verso la fine della inspirazione. Tanto è vero che se io lo blocco qua, alla fine della inspirazione, viene inibita l’attività del diaframma, cioè a volumi elevati il diaframma non si contrae più, cioè non si inspira ulteriormente essendo arrivati alla fine della inspirazione. Questo è il riflesso di HerigBreuer ed è legato ai recettori a lento adattamento. Sforzo inspiratorio a vie aeree chiuse

Questa grafico è una cosa simile. Se noi cerchiamo di fare uno sforzo inspiratorio a vie aeree chiuse cosa succede? Allora, la traccia sopra è la condizione di controllo, quella sotto invece il volume (occluso) e questa invece è la scarica efferente sul frenico. Se io inspiro normalmente, nella condizione di controllo, inspiro ed espiro. Vedete che all’inspirazione e all’espirazione corrisponde un’attività efferente del frenico. Quindi inspiro e aumenta l’attività del frenico, espiro e l’attività del frenico diminuisce perché viene inibito. Se io però chiedo di fare uno sforzo inspiratorio a vie aeree chiuse, cosa succede? Che il polmone non si espande perché le vie aeree sono chiuse . se il polmone non si espande, non si sollecitano quelli che sono i recettori di volume a lento adattamento, che sono quelli di cui stiamo parlando. Quindi vedete che se io chiedo ad un soggetto di ispirare intanto che è occluso, vedete che la scarica del frenico continua? Perché i sistemi di controllo bulbari non ricevono l’informazione dell’espansione polmonare. Quindi loro non sanno che il polmone si sta espandendo ed in effetti il polmone non si sta espandendo. Quindi i recettori polimodali di volume a lento adattamento non scaricano, non informano i centri superiori che perciò,

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sapendo di non aver ancora raggiunto il volume inspiratorio massimo, continuano a scaricare. Qui smetteranno di scaricare non perché ad un certo punto si decidono di non scaricare, ma perché se voi chiedete ad un soggetto di fare uno sforzo inspiratorio a vie aeree chiuse, quello lì con le vie aeree chiuse continua ad ispirare e intanto gli aumenta la pressione parziale della CO2. Quello che decide del termine dell’inspirazione quindi non è il fatto che ad un certo punto l’attività efferente frenica viene interrotta, ma il fatto che l’aumento della pressione parziale di CO2 è uno stimolo molto più potente che interrompe la fase inspiratoria per espirare ed indurre un’ulteriore inspirazione. Questi sono due aspetti diversi dello stesso comportamento dei recettori a lento adattamento. 2- Questi invece sono dei recettori polmonari polimodali a rapido adattamento che sono sì nel polmone, ma sono situati nella mucosa bronchiali. Mentre i recettori polmonari di stiramento sono localizzati nei setti polmonari e quindi rilevano bene lo stiramento del polmone durante la inspirazione, i recettori polmonari polimodali a rapido adattamento sono situati nella parete della mucosa bronchiale. E quindi rilevano l’allargamento delle vie aeree inferiori durante l’inspirazione. 3- Infine c’è un terzo tipo di recettore. Sono tutti formati da terminazioni libere, anche i primi due, sono terminazioni libere, non c’è un corpo recettoriale particolare. Questi sono chiamati recettori J o Juxtacapillari. I J-receptors sono dei recettori formati da terminazioni vagali amieliniche, quindi a lenta conduzione, che sono chiamati anche juxtacapillari perché sono situati attorno ai capillari polmonari e rilevano alcune condizioni patologiche, per esempio un edema polmonare. Rilevano modificazioni dello stato dell’interstizio polmonare. Quindi per esempio nel caso di edema polmonare, un aumento del volume, un aumento della pressione interstiziale capillare stimola questi recettori amielinici vagali, queste terminazioni vagali e informa le vie aeree superiori di questa sofferenza del tessuto.e quindi c’è una risposta polmonare legata non soltanto alla condizione della pressione parziale di O2 e CO2, che comunque si modifica in corso di edema, ma anche una risposta dovuta alla sofferenza del parenchima polmonare. Quindi vedete che già anche nel solo sistema respiratorio le afferenze sono di molti tipi, perché abbiamo afferenze che informano del volume polmonare, tramite i recettori polmonari di stiramento a lento adattamento, recettori che informano sullo stato delle mucose, che sono questi a rapido adattamento chiamati anche recettori di irritazione, e poi abbiamo questi J-receptors o Juxtacapillari che risentono della modificazione del parenchima polmonare. In più abbiamo delle afferenze provenienti dalle vie aeree superiori. Queste afferenze arrivano ai centri bulbo pontini dove abbiamo il vero e proprio nucleo di controllo della ventilazione.

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Questa qui è un’immagine che troverete sul libro del professor Baldissera. Questa figura è un po’ diversa da quella che abbiamo visto prima. Prima era indicato questo gruppo respiratorio pontino che viene definito pneumotasssico, ci sono dei neuroni pontini e dei neuroni bulbari. Qui invece abbiamo il centro pneumotassico, i neuroni pontini che vengono associati con il nome di centro apneustico, veniva chiamato così, e adesso si è persa un po’ questa abitudine, perchè la lesione dei vaghi e la stimolazione contemporanea di questo centro apneustico causa l’apnea e quindi viene chiamato per questo motivo apneustico, perché dalla stimolazione di questi centri viene condizionata l’insorgenza di apnea. E poi abbiamo invece sotto i neuroni bulbari. Questa figura è abbastanza indicativa perché vi dice che a seconda di come venga sezionato il tronco encefalo possiamo avere delle risposte diverse. Non solo a seconda di come venga sezionato, ma anche a seconda dio quale sia l’interazione tra le afferenze vagali e questi centri. Per cui qui a destra vediamo che cosa succede se facciamo delle sezioni a vari livelli mantenendo i vaghi intatti o sezionando il vago. Voi immaginate che qui (nervo X) ci sia il vago che sale. Se il vago è intatto e se faccio una sezione sopra il centro pneumotassico, cioè al di sopra dei centri che vengono considerati respiratori che cosa vedo? Che non c’è nessun effetto (traccia nella prima riga a sinistra). Il soggetto continua a respirare normalmente. Se però vado a sezionare i vaghi (traccia nella prima riga a destra), vedete che compare un respiro con frequenza minore e volume maggiore. Perché? Perché i vaghi portano al centro pneumotassico una informazione che riguarda il volume inspiratorio. Se io taglio il vago, i centri pneumotassici, che pure sono intatti quindi la respirazione viene mantenuta integra, e anche tutti i centri sottostanti al centro pneumotassico vengono privati dell’informazione che il vago porta riguardo al volume polmonare. Quindi il centro pneumotassico e i centri sottostanti non sanno più che il polmone ha raggiunto il suo volume massimo e quindi tendono a comandare un andamento respiratorio che, non tenendo conto del raggiungimento del massimo volume inspiratorio, va un po’ oltre. Quindi anche con i centri pneumotassici, pontini e bulbari intatti, c’è un’informazione molto importante portata dal vago che modula i centri automatici del controllo bulbare in relazione a qual è il volume polmonare effettivamente raggiunto. Se andiamo un pochino sotto e facciamo una sezione medio pontina e tagliamo via il centro pneumotassico dai centri sottostanti, mantenendo quindi i neuroni pontini del controllo automatico ma escludendo i sovrapontini pneumotassici,e abbiamo i vaghi intatti, vediamo che cominciamo a perdere un pochino di controllo (traccia seconda riga a sinistra), perché vedete che abbiamo un po’ di inspirazione è aumentata. Quindi il vago ancora informa il centro automatico, però abbiamo perso un minimo controllo dal centro pneumotassico. Quindi cosa farà il centro pneumotassico su questi centri? Inibisce la inspirazione. Vedete che se io rimuovo il centro pneumotassico, anche con

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i vaghi intatti l’inspirazione aumenta. Quindi ho tolto una attività inibitoria sulla inspirazione. Quindi il centro pneumotassico e i suoi nuclei inibiscono un po’ l’inspirazione. Se però a questo punto non tengo i vaghi interi ma li taglio(traccia seconda riga a destra) ottengo una completa inibizione della espirazione, perché vedete che l’inspirazione si protrae e rimane tale, ho quella che si chiama apneusi o apnea. Quindi vedete che sia le afferenze vagali che le afferenze provenienti dal centro pneumotassico agiscono sui nuclei pontini automatici, quelli in cui sorge l’attività inspiratoria automatica, decretando la fine della inspirazione. Sono entrambe delle informazioni di tipo inibitorio sulla attività inspiratoria. Quindi il neurone inspiratorio automatico genera un pattner inspirazione di elevata inspirazione: teoricamente inspireremmo sempre con un processo di apneusi. Le afferenze dalla periferia o dal centro pneumotassico tagliano l’inspirazione e la tagliano tanto di più o tanto di meno a seconda di quali siano i volumi polmonari raggiunti. Se io inspiro già al massimo, l’inspirazione sarà inibita di molto, perché già arrivo al massimo. Ora se io taglio al disotto del centro apneustico, o con un termine più moderno al di sotto dei nuclei pontini, e lascio soltanto i neuroni bulbari cosa succede? Un disastro! Vedete che c’è ancora un’attività inspiratoria, ma assolutamente disorganizzata. Questo ci dice che anche a livello del bulbo ci sono dei neuroni che sono capaci di dare una certa ritmogenesi, di prevedere un’insorgenza respiratoria, però sono dei nuclei che intanto non sono informati dalle afferenze vagali,il vago non arriva ad informare qui, perché vedete che l’informazione non cambia molto quando taglio i vaghi, è semplicemente la presenza di alcuni neuroni dissociati non sottostanti al controllo sovrassiale in maniera organizzata. Sono un po’delle ventilazioni sporadiche. Questo vi capire come mai ogni farmaco che interagisca con il sistema nervoso centrale a livello bulbari può avere dei gravi effetti respiratori, per esempio molte droghe sapete che causano dei gravi difetti respiratori, ma anche molti farmaci, come i barbiturici, causano dei gravi difetti respiratori perché agiscono in un ambito che può andare ad interessare anche i nuclei respiratori del centro respiratorio. Ecco qui si ha una descrizione un po’ più precisa di quello che è il controllo effettuato sul volume inspiratorio. Ruolo delle afferenze vagali nella durata dell’inspirazione

vedete che è sempre molto accentuata l’importanza dell’attività inspiratoria. L’espirazione invece è sempre passiva e diventa attiva soltanto in alcuni casi. Se facciamo una vagotomia, l’abbiamo visto prima, l’inspirazione è portata al suo estremo, si raggiunge un volume inspiratorio massimo definito dalle caratteristiche del centro respiratorio automatico; mentre il volume polmonare può essere controllato in maniera variabile a seconda dell’attività delle afferenze vagali. Se la durata dell’inspirazione è elevata e si raggiunge un volume 14

polmonare elevato allora ci sarà un impulso inibitorio sul volume, su un ulteriore aumento del volume e viceversa. Tanto maggiore è la durata dell’inspirazione, tanto minore sarà il volume raggiunto, a meno che non si parli di vagotomia. E’ un controllo reciproco sulla durata dell’inspirazione rispetto al volume polmonare. Nella respirazione normale non c’è soltanto una ventilazione ciclica ma c’è ogni tanto, ad intervalli molto regolari, un “sospirone”. Il sospiro è molto importante e ci sono dei neuroni preposti al controllo proprio della attività inspiratoria nel sospiro. Perché è importante il sospiro? Si sospira anche fisiologicamente e il sospiro non è nient’altro che una periodica inspirazione elevata, più profonda rispetto al normale. sospiro

Queste sono delle registrazioni elettroimiografiche su varie strutture, per esempio genio-glosso, diaframma e altri muscoli accessori della respirazione. Vedete che in tutti si manifesta un coinvolgimento. Il diaframma per esempio è molto coinvolto dal “respirone” così come lo sono anche il crico-aritenoideo, che è un muscolo accessorio, e il muscolo dell’ala del naso, che è un muscolo terribilmente accessorio, però vedete che c’è un’attività attiva in tutta questa muscolatura. Questo ci dice che il sospiro è molto importante ai fini ventilatori. Vi posso dire che se ventilate un animale, per esempio un ratto,ad un volume e ad una frequenza che è esattamente quella che il ratto ha normalmente, ventilato con un ventilatore(ma anche un paziente normale ventilato passivamente), siccome il ventilatore non ha modo di fare il “respirone” in modo automatico, voi ventilate il ratto o il paziente per ore o giorni sempre allo stesso volume e sempre alla stessa frequenza. Bene il vostro ratto e il vostro paziente andranno incontro ad un edema interstiziale progressivo, basta la mancanza del sospiro per causare il fenomeno atelettasico e per determinare l’insorgenza di edema che tende a peggiorare tanto più i pazienti vengono ventilati. Quindi il sospiro è un importantissimo atto periodico che serve a riespandere il polmone periodicamente. Perché ha bisogno di essere riespanso così tanto? Perché a causa della sua natura elastica e a causa della tensione superficiale il polmone tende a collassare e a causa di un fenomeno che si chiama stress/strain e che abbiamo visto anche a proposito del muscolo, una struttura elastica che viene distesa, restituisce poi una forza o una pressione un po’ minore. Quindi il polmone anche se continua ad essere espanso normalmente tende pianino pianino a collassare, anche senza che ci sia un pneumotorace, è proprio una dimensione della restituzione di energia elastica. E’ un fenomeno legato alla isteresi polmonare. Quindi pianino pianino tende a collassare quindi diminuisce progressivamente il volume polmonare. Come si fa ad evitare che si vengano a creare delle zone atelettasiche? Facile! Si fa un bel sospiro, si riespande bene tutto il polmone, ri-insufflando tutte quelle potenziali zone atelettasiche si riprende a ventilare ancora un po’ per 5, 6, 8 minuti e poi si fa un altro sospiro. Tutto questo è controllato dai centri inspiratori, quelli che regolano l’automatismo di cui abbiamo già parlato. 15

Oltre a questi elementi così importanti ci sono anche delle altre affrenze, che sono indicate in questo schema, che è estremamente sintetico, però è giusto per farvi un quadro generale: i dettagli li abbiamo già visti prima e li troverete sui libri, ma non in tutti i libri troverete una figura così che comprende tutte le possibili afferenze. .

allora, finora abbiamo visto queste: le afferenze vagali e i recettori di deflazione, che poi sono i recettori a lento adattamento, i recettori polimodali e i J recepotors. Quindi abbiamo visto questo aspetto, abbiamo visto anche le vie afferenti dalle vie aeree superiori che causano la tosse, lo starnuto, la deglutizione e a anche lo sbadiglio, sono tutti fenomeni associati agli atti respiratori che vengono modulati dalle afferenze delle vie superiori. Poi però sempre nella stessa zona arrivano afferenze propriocettive. Cosa sono? Sono afferenze che arrivano dai muscoli e dalle articolazioni. Queste afferenze hanno un duplice effetto: possono andare ad informare il sistema libico e procurarci una sensazione di dolore, per esempio se camminiamo e ci facciamo male ad un ginocchio abbiamo contemporaneamente una afferenza di tipo dolorifico, ma anche afferenze di tipo motorio che regolano la risposta ventilatoria in relazione al tipo di attività motoria che stiamo conducendo. Se ci mettiamo a correre le afferenze dal muscolo o dal ginocchio aumentano, sono di altro tipo, le articolazioni sono sottoposte a stress meccanici più elevati. Il sistema di controllo ne viene informato e questo consente che ci sia un adeguamento quasi immediato dell’attività respiratoria all’attività motoria. La stessa cosa succede anche nel sistema cardio-vascolare, l’abbiamo visto. Poi abbiamo delle afferenze che arrivano dalla corteccia. Dalla corteccia cerebrale ci sono vari tipi di informazioni che arrivano, quindi veri tipi di controllo. Una è quella proveniente dalla corteccia motoria e questa è quella che per esempio viene coinvolta se decidiamo di iperventilare o di trattenere il fiato. Questo è un tipo di informazione di controllo volontario che arriva dalla corteccia motoria primaria. Possono esserci però delle altre informazioni che arrivano dalla corteccia, per esempio può esserci un’iperventilazione indotta da uno stimolo dolorifico. Noi possiamo avere un dolore articolare che ci fa trattenere il fiato. Questo è un esempio di interazione tra il sistema libico e il sistema di controllo respiratorio. Così come possiamo avere delle influenze a livello ipotalamico, è un po’ la stessa associazione a livello ipotalamico e a livello libico. Quindi vedete quante informazioni. Tutte queste informazioni possono essere definite informazioni non-chimiche o di tipo puramente nervoso, se preferite. Perché poi c’è invece una grossa classe di informazioni che sono molto importanti e che si riferiscono a quello che si chiama controllo chimico della ventilazione. 16

Quello che abbiamo visto fin’ora è un controllo nervoso della ventilazione. Ora cerchiamo di capire come si attua il controllo chimico della ventilazione. CONTROLLO CHIMICO DELLA RESPIRAZIONE Il controllo chimico si basa sulla presenza di due gruppi di recettori. I recettori in questione vengono definiti chemocettori perchè vanno a rilevare un parametro chimico. I parametri recepiti da questi recettori sono tre: la pressione parziale di ossigeno, la pressione parziale di CO2 e, associato alla pressione parziale di CO2, c’è anche il pH. La grossa distinzione fra i 2 gruppi di chemocettori non è solo anatomica ma anche di funzione. Abbiamo i chemocettori periferici e i chemocettori centrali. Cominciamo con i chemocettori periferici. I chemocettori periferici sono chemocettori che sono situati nei glomi carotidei. Vi ricordate quando abbiamo parlato di controllo del circolo? Abbiamo parlato di recettori di tensione che sono localizzati a livello dell’arco aortico e dei seni aortici e avevamo visto il decorso delle vie afferenti lungo il vago e il glosso-faringeo. Bene, in quella stessa zona, lo vedete qui: questa è la carotide comune e questa la biforcazione delle carotidi, qui c’è il glomo carotideo.

E’ una struttura presente a ridosso della branca interna della carotide e il glomo carotideo, ingrandito qui a destra nella figura, è un insieme di cellule gnomiche che risentono pesantemente della pressione parziale di ossigeno. Il glomo si interfaccia con l’interno della carotide, è bagnato dal plasma e quindi risente della pressione parziale di ossigeno, di CO2 e del pH del plasma che passa qui, nella carotide interna, cioè appena dopo l’uscita dal ventricolo sinistro. Quindi sente la pressione parziale di O2, CO2 e pH del sangue arterioso, prima che vada a ripartirsi in tutte le altre varie arterie. Il glomo ha la capacità di rilevare tutti e tre i parametri di interesse, ma è specializzato nel rilevare la pressione parziale dell’ossigeno. Infatti è la struttura che ha il maggior consumo di ossigeno che si conosca, di tutte le cellule dell’organismo. Ha un consumo di ossigeno spaventoso. E quindi le sue cellule sono estremamente sensibili alle modificazioni della quantità di ossigeno trasportato, perché avendo loro così tanto bisogno di ossigeno, appena la pressione parziale diminuisce, subito ne risentono. Quindi i glomi risentono della pressione parziale di ossigeno e convogliano le afferenze, sempre tramite il vago, ai centri respiratori che abbiamo visto. Il punto finale di arrivo di queste afferenze è lo stesso delle altre del vago. E’ un’afferenza in più che modula la scarica afferente del vago sui nuclei automatici del controllo. Quindi c’è una sommazione di questi segnali rispetto agli altri. Questi segnali però sono molto forti, per cui il centro respiratorio è molto sensibile a questi segnali, soprattutto perché oltre a questo segnale proveniente dal vago, che modula quelli già in arrivo dal vago che hanno un significato di tipo meccanico, questi qui, la PCO2 e pH possono anche essere rilevati a livello dei chemocettori centrali.

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Vediamo come si attua il controllo in arrivo dai glomi, e quindi riferito o alla PO2 o alla PCO2 o al pH, sulla scarica neuronale integrata che va ad informare i centri nervosi, e quindi su come verrà controllata la ventilazione.

Cominciamo dalla PO2 (grafico più in alto). Allora, questo qui è un esperimento che è stato fatto con una PaCO2 di 34(traccia sopra), è un po’ bassina però si avvicina alla PaCO2 del sangue arterioso, che dovrebbe essere intorno ai 40. L’importante però, e che mi interessa abbiate ben chiaro, è questo andamento: allora, se la PaO2 arteriosa è normale, cioè 100, vedete che c’è una scarica un po’ bassina. La scarica di questi glomi e quindi l’informazione che verrà inviata ai centri nervosi sopraassiali, rimane molto bassa, praticamente non c’è, non cambia rispetto al controllo, fino a che non si arriva ad una PO2 arteriosa di circa 60mmHg. Questo dovrebbe sorprendervi un po’ perché questa figura ci dice che se noi saliamo in quota, la PaO2 non si manifesta come uno stimolo all’iperventilazione in maniera considerevole fintanto che non saliamo davvero e la PaO2 diventa 60. E’ vero che c’è un leggero aumento di questa scarica, ma vedete che la scarica comincia ad elevarsi molto soltanto quando la PaO2 diminuisce in maniera considerevole. Quindi anche nei glomi la diminuzione della pressione parziale di ossigeno è uno stimolo marcato, evidente, solamente quando raggiunge valori molto bassi. Questo vale sia in condizioni fisiologiche, cioè nell’andare in alta quota, sia in caso di patologia: l’edema causa una diminuzione della pressione parziale di O2 che però viene rilevata solo quando comincia ad essere una diminuzione consistente. Quindi la PaO2 di per sé è uno stimolo ventilatorio importante quando comincia ad essere veramente bassa, intorno ai 50-60 mmHg. Vedete che se diminuisce ulteriormente la PaCO2, fino a 24(primo grafico, traccia sotto) e questo lo otteniamo in condizioni di iperventilazione, anche se diminuisce la pressione parziale di O2, la scarica dei recettori aumenta in maniera poco 18

considerevole, perché sto già iperventilando. Quindi c’è una stretta integrazione tra il segnale dato dalla PCO2 e quello dato dalla PO2, si autoregolano a vicenda. Vediamo la PCO2 (secondo grafico). La PCO2 ha un comportamento molto dissimile dalla PO2. la curva con i “pallini” neri è ottenuta con un pH normale di 7,4. immaginiamo di avere una PCO2 normale, di 40, avrò una risposta di circa 100. se io cambio da 40 a 46, vedete come aumenta molto l’attività dei recettori? Quindi i glomi sono molto più sensibili, così come lo saranno i centri nervosi centrali, alla variazione di PCO2 arteriosa, rispetto a quanto non lo siano rispetto alla variazione di PO2 arteriosa. Qui la relazione tra scarica neuronale e PaCO2 è quasi lineare:aumenta la PaCO2 e aumenta subito anche la scarica neuronale. Non è così per l’O2. Per il pH si verifica un po’ la stessa cosa di quello che si verifica per la PCO2. il pH dipende dalla PCO2, lo vedremo quando parleremo di controllo del pH. Quindi mi aspetto una variazione simile: vedete che all’aumentare dell’acidità del sangue, quando il pH arterioso diminuisce per esempio da 7,4 a 7,3, l’attività neuronale varia parecchio, a 7,4 siamo intorno ai 40, a 7,3 intorno ai 100: più del doppio! Quindi il pH è un fortissimo stimolo alla variazione i ventilazione. E vedrete che la modificazione della ventilazione è uno dei metodi che l’organismo adotta per regolare il Ph dei liquidi organici. Chemocettori centrali

A ridosso del pavimento del quarto ventricolo, quindi in zona bulbo pontina, vicino ai centri respiratori, ci sono dei neuroni che sono bagnati dal liquor contenuto nel quarto ventricolo, quindi risentono della PO2, della PCO2 e del pH presente nel quarto ventricolo e sono chiamati chemocettori centrali. I cemocettori centrali NON ricevono alcun tipo di afferenza dai chemocettori periferici, non c’è relazione, anzi a volte c’è un comportamento paradosso,in cui i chemocettori periferici avvertono i centri respiratori di una condizione e i chemocettori centrali li avvertono di un’altra. Allora, questi chemocettori centrali, a differenza di quanto visto per i glomi carotidei, sono sensibili soltanto alla pressione parziale di CO2 e più nello specifico alla variazione di pH indotta dalla variazione di PCO2. Allora, qui abbiamo uno schema che vi identifica quello che succede:

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qui c’è il sangue(a sinistra), questo è un capillare della zona di fianco a questi centri bulbari, in prossimità del pavimento del quarto ventricolo. Questa (al centro)è la zona bulbare, dove sono situati i centri respiratori, vi dicevo che non distanti dai centri respiratori ci sono questi chemocettori centrali che si trovano in prossimità del quarto ventricolo e sono immersi nel liquido interstiziale bulbare. Il liquido interstiziale bulabare si trova quindi a cuscinetto tra il sangue e il liquor. Voi sapete bene che ciò che passa fuori dal capillare dipende dalle proprietà della barriera ematoencefalica e la barriera ematoencefalica è liberamente permeabile dalla CO2 che essendo liposolubile può liberamente passare dalla barriera ematoencefalica e portarsi nel liquido interstiziale bulbare. La CO2 che si porta nel liquido interstiziale bulbare viene idratata nel liquido, così come è idrata anche nel plasma, e l’idratazione della CO2, l’abbiamo già visto a proposito del globulo rosso, dà luogo formazione di H2CO3, con la liberazione di HCO-3 e di H+. quando parleremo del pH vedremo che ci sono tre importanti tamponi fisiologici nell’organismo: le proteine, il sistema acido carbonico-bicarbonati e il sistema difosfati. Le proteine sono dei tamponi perché sono presenti nel sangue sotto forma di acidi deboli e possono cedere un po’ più di H+ o prendersi un po’ più di H+, a seconda del pH a cui è il plasma. Il sangue che circola nell’encefalo attraverso i vasi encefalici è esattamente identico al sangue che circola altrove e quindi contiene le stesse proteine. Nel sangue non c’è l’anidrasi carbonica, per fortuna, però,anche se non c’è l’anidrasi carbonica ad accelerare la reazione di idratazione della CO2, la CO2 si trova in ambiente acquosa e quindi un po’ H2CO3 si forma sempre e se ne formerà tanto di più quanto più è elevata la pressione parziale della CO2. se siamo nel sangue e la CO2 si idrata e si forma un po’ di H+, le proteine plasmatiche presenti nel plasma tamponano questi H+ e quindi il sangue se ne preoccupa poco, perché quell’H+ viene tamponato e quindi il pH non varia. Però nel liquido interstiziale bulbare e nel liquor la cosa non è uguale. Perché? Perché la barriera ematoencefalica, a differenza della parete dei capillari presenti in altri tessuti, è praticamente impermeabile alle proteine . la barriera ematoencefalica è poco permeabile all’acqua, selettivamente permeabile alla maggior parte dei soluti ed è impermeabile alle proteine, che sono troppo grosse per passare attraverso questa barriera ematoencefalica, e questo ha dei grossi riscontri anche dal punto di vista della chimica, perché per esempio molti farmaci che dovrebbero essere somministrati all’encefalo, tra cui anche la chemioterapia, non possono essere somministrati e non hanno effetto proprio perché essendo in forma proteica non riescono ad attraversare la barriera ematoencefalica. Quindi qui nell’interstizio, e anche nel liquor che è in equilibrio con l’interstizio, il liquor infatti è un estensione dell’interstizio bulbare in cui non abbiamo la matrice, ma la composizione del liquor nel quarto ventricolo ha la stessa composizione del liquido interstiziale cerebrale. In questi due compartimenti le proteine non 20

ci sono, però la CO2 passa tranquillamente attraverso la barriera. Viene a trovarsi di qua in un ambiente dove è presente l’acqua (liquido interstiziale, liquor) e in entrambi i casi andrà incontro ad un processo di idratazione. Quindi sia nell’interstizio che nel liquor si formerà H+ , solo che qui non ci sono le proteine a tamponarlo. Quindi la stessa pressione parziale che non viene riscontrata a livello plasmatici in termini di acidificazione, viene invece risentita molto nel liquor e nel liquido interstiziale cerebrale perché non essendoci le proteine a tamponare l’H+ rimane libero e quindi acidifica. Allora ecco che quel aumento o quella diminuzione, insomma quelle variazioni di PCO2 che vengono risentite già un pochino a livello dei glomi carotidei, qui vengono risentite in maniera specifica, molto precisa e molto selettiva. Quindi questi centri chemocettori centrali sono specializzati nella rilevazione della CO2 e degli H+. c’è anche la possibilità che ci siano delle risposte paradosse. Per esempio: immaginiamo di andare in alta quota, ma molto alta, prendiamo la funivia e andiamo in cima al rifugio Torino. Lì la pressione parziale di O2 è molto bassa, è intorno a quel 50 che potrebbe cominciare a dare luogo ad una risposta ventilatoria, anche se comunque la risposta ventilatoria è progressiva, però comincia ad essere consistente oltre a questo valore. Allora noi andiamo su e siccome la PO2 è diminuita, allora noi cominciamo a iperventilare. L’iperventilazione ci serve perché, da quanto sappiamo sull’equazione dei gas alveolari, se iperventiliamo diminuiamo la pressione parziale di CO2 a livello alveolare e questo migliora la pressione parziale di O2. io non cambio quello che c’è fuori, ma con questo stratagemma riesco a migliorare la pressione di O2. quindi il chemocettore periferico si occupa dell’O2: vede che l’O2 è diminuita e manda il segnale di iperventilare, così si mette a posto. Solo che iperventilando succede che risciacquiamo l’alveolo e risciacquando l’alveolo diminuisce la pressione parziale di CO2 nell’alveolo, che è quello che voglio, ma se diminuisce la pressione parziale di CO2 nell’alveolo, verrà eliminata più CO2 dal sangue venoso che passa per quel alveolo. Quindi diminuisce la pressione parziale di CO2 nel sangue arterioso. E quindi al cervello arriverà meno CO2, ne arriva un po’ meno. Se ne arriva di meno, si produrranno meno H+ e quindi il pH aumenta, cioè vado incontro ad un alcalosi, che viene subito rilevata dai chemocettori centrali. Questi qui non sanno cosa stanno facendo i chemocettori periferici, sono bagnati da un liquor che è diventato alcalino rispetto al pH 7,4 e quindi “credono” che si stia iperventilando troppo. E quindi c’è un conflitto di interessi perché qui, a livello centrale, siccome vedono un’alcalosi, avrebbero voglia di diminuire la ventilazione in modo da riportare il pH ad un valore un po’ più acido, che è quello normale. Quelli là, a livello periferico, che si occupano invece dell’ossigeno, vorrebbero continuare a iperventilare per migliorare la PO2 alveolare. E’ un caso normale in cui c’è un risultato paradosso, in cui la stessa causa, la diminuzione della pressione parziale di PO2, causa sui chemocettori centrali e periferici una risposta contraria. La risposta verrà trattata a tavolino, nel senso che l’alcalosi verrà poi ridotta tramite intervento renale, e quindi i chemocettori centrali verranno accontentati e verrà continuata l’iperventilazione per cercare di dare un contentino anche ai poveri recettori periferici, che in fondo il loro lavoro l’hanno fatto. Non è una controversia che si risolve tra i due, ma ci vuole l’intervento di un altro.

Questo è semplicemente un po’ la stessa osa che abbiamo già visto, ma con altri dati: Risposta ventilatoria all’ipossia

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qui c’è l’andamento della pressione parziale dell’O 2 nei vari compartimenti, questa figura l’abbiamo già vista quando abbiamo visto la cascata dell’ossigeno, ve l’ho messa solo per ricordarvi l’andamento, e questa qui è quella che abbiamo visto prima. Qui (destra) vedete la PCO2 più vicina alla normalità è 43.7. A questa PCO2, se diminuiamo la pressione parziale di ossigeno vedete che la scarica aumenta gradualmente ma si impenna in realtà soltanto al di sotto di un valore di 60 o giù di lì. Se siamo in una condizione di PCO2 aumentata, quindi se abbiamo una ipercapnia, allora quello che succede è che la risposta in termini di ventilazione è molto più elevata, qui non c’è l’output integrato, questa è la ventilazione in toto, quindi c’è la risposta che tiene conto sia dei chemocettori centrali che di quelli periferici. Se io ho una PCO2 elevata io già iperventilo anche con una pressione parziale di O2 normale e la risposta sarà ulteriormente sensibilmente aumentata nel caso in cui io vado in condizione ipossica. Quindi vedete che integrazione sottile c’è tra i due. Queste sono delle figure che vi dicono com’è la risposta ventilatoria all’ipercapnia

questo è l’aumento della PCO2 (grafico a sinistra). Questi sono valori di PO2, la PO2 alveolare normale è di circa 110, ed è una somma di due gruppi di dati, comunque questo qui è il valore più normale. Andando verso sinistra ci sono degli esperimenti fatti con una PO2 di 47, che è molto bassa o addirittura di 37, fatti proprio in alta quota o in alta quota simulata. Se siamo nel normale vedete che la ventilazione risente moltissimo della variazione di PCO2 perché vedete che bastano piccole variazioni della PCO2 per aumentare molto la ventilazione. Nel caso in cui si abbassi la PO2, abbiamo la risposta ventilatoria anche per pressioni parziali di PCO2 molto più basse. Questo a destra è un grafico un po’ complicato. Dovete associare A con A’ e B con B’. B’ e A’ sono l’andamento della PaCO2. qui sotto c’è l’andamento della PaO2. questa figura ci dice come variano la ventilazione, la PaCO2 e la PaO2 in due condizioni diverse: la condizione A è la condizione in cui si è dato modo alla PaCO2 di modificarsi. Cioè, noi portiamo il nostro soggetto dalla PaO2 di 120 progressivamente a PaO2 22

inferiori, andiamo a vedere come varia la ventilazione e vi aspettate che diminuendo la PaO2 la ventilazione aumenti. Se il soggetto ventila normalmente, la ventilazione aumenta e che cosa vi aspettate che faccia la pressione parziale di CO2? Diminuisce e infatti vedete che la PaCO2 normalmente è 40 e tende a diminuire. L’altro gruppo di due relazioni (B e B’) si riferiscono allo stesso esperimento in cui però il soggetto può iperventilare ma gli viene erogata una miscela gassosa in modo tale che gli venga diminuita la PaO2 ma tenendo costante la PaCO2. Cioè si impedisce al soggetto di abbassare la sua PaCO2. che cosa succede alla ventilazione?vedete che la ventilazione in questo caso aumenta molto di più, quindi se la PaCO2 viene mantenuta costante a fronte di un abbassamento della PaO2, la ventilazione aumenta molto di più perché se non diminuisce la PaCO2 non migliora la PaO2 alveolare. Lo scopo della ventilazione quando diminuisce la PaO2 è quello di sfruttare l’equazione dei gas alveolari per migliorare la PO2 arteriosa. Se questo non succede perché io blocco la PaCO2 e impedisco alla equazione dei gas alveolari di fare il suo lavoro, cioè di migliorare la PaO2 diminuendo la PaCO2 il sistema respiratorio avverte questa situazione come un impedimento a migliorare la PaO2 e cercherà di iperventilare al massimo per migliorare quello che dovrebbe migliorare. Questo vi da semplicemente una idea della complessità di questo parametro. Questa immagine, l’ultima, è molto banale:

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vi dice che la ventilazione aumenta in relazione a vari parametri. Quando varia il V O2 aumentando, aumenta la ventilazione. Ma se aumenta la ventilazione che cosa avete? Avete che aumentando il •

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V O2 aumenta il V CO2 , aumenta il lattato se siamo in una condizione di raggiungimento della soglia anaerobica, da qui in poi (freccia nera, grafico a destra) vedete che il flusso di CO2 aumenta molto, aumenta il lattato, in concomitanza con l’aumento di questi due, diminuisce il pH e però l’aumento associato di ventilazione induce una diminuzione della PaCO2 e quindi un miglioramento della PaO2.

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