Центр управления дыханием — это совокупность нейронов, распределённых в несколько ядер.

Ключевыми являются центры вдоха и выдоха. Как и другие центры, они находятся в стволе головного мозга.

За вдох и выдох отвечают специализированные нейроны:

• Инспираторные нейроны — вдох.
• Экспираторные нейроны — выдох.

Дыхательный центр обладает врождённой автоматической ритмичностью, благодаря этому мы можем дышать без участия сознания, даже во сне.

Нейроны запускающие ритмические вдохи называются — водители дыхательного ритма (пейсмейкеры). Они дают регулярные импульсы, сокращающие диафрагму и межреберные мышцы.

Как и с другими мышцами, импульс сначала спускается на нижний мотонейрон в спинной мозг, и уже мотонейроны спинного мозга запускают мышечные сокращения.

Как чередуются вдох и выдох: во время вдоха инспираторные нейроны активны и одновременно по коллатералям возбуждают тормозные нейроны, которые постепенно накапливают возбуждение.​

Когда тормозные нейроны достигают порога, они подавляют инспираторные нейроны — вдох прекращается, и наступает пассивный выдох. Затем торможение снимается, инспираторные нейроны снова активируются, цикл повторяется.

Норма для взрослого человека, в спокойном состоянии, 16-20 вдохов в минуту в бодрствовании, и 12-14 вдохов во время сна.

Дыханием управляют скелетные мышцы, поэтому мы можем его сознательно контролировать — углубляя, задерживая, ускоряя.

В этом случае на дыхательные центры влияет кора головного мозга.

Но этот контроль ограничен. При длительной задержке дыхания наступает кислородный голод, который запускает практически непреодолимый рефлекс вдоха — психология не может победить физиологию.

Со стороны головного мозга, на центры дыхания также может воздействовать гипоталамус.

С одной стороны, его активируют стресс, страх и боль, вызывая учащение и углубление дыхания. Это эволюционный механизм подготовки организма к действиям (борьба или бегство).

Чрезмерной активация этих реакций может привести к одышке или даже к паническому дыханию.

С другой стороны, гипоталамус активируют сигналы об изменении температуры:

• Повышение температуры (лихорадка, гипертермия) увеличивает метаболизм, требуя большей вентиляции.
• Снижение температуры (гипотермия) снижает потребность в вентиляции.

Дыхание имеет прямую связь с движением.
При запуске двигательной коры, по специальным нейронным путям, автоматически стимулируются и дыхательные центры. Это позволяет усиливать дыхание синхронно (или даже чуть опережая мышечный старт) с запуском движений.

Эта так называемая «центральная команда», вместе с движением усиливает как дыхание, так и сердечный ритм, заранее готовя организм к увеличенному потреблению кислорода.

Далее в коррекцию дыхания включаются и проприорецепторы, посылающие сигналы в дыхательный центр, способствуют немедленному увеличению вентиляции еще до того, как накопится CO₂ или разовьётся гипоксия.

Такой контроль движения над дыханием наглядно демонстрируется множеством экспериментов.

Например, когда испытуемые начинали бег с заданной постоянной скоростью, их легочная вентиляция немедленно увеличивалась пропорционально скорости бега.

Однако, когда испытуемые начинали бег с меньшей скоростью, но с повышенной нагрузкой (соответствующей нагрузке при более быстром беге) их вентиляция сначала увеличивалась меньше, в соответствии с более низкой скоростью. Но затем постепенно возрастала, чтобы удовлетворить фактическую потребность в кислороде.

Сначала — реакция в соответствии с темпом движений. Затем — корректировка под действительную нагрузку.

Хеморецепторы — это специализированные нервные клетки, которые непрерывно "мониторят" изменения концентрации кислорода (O₂), углекислого газа (CO₂) и ионов водорода (pH) в крови и спинномозговой жидкости.

Они передают эту информацию в дыхательный центр, который затем регулирует частоту и глубину дыхания.

Система эволюционно «настроена» на защиту от гипоксии. Даже небольшое снижение кислорода воспринимается как угроза и вызывает компенсаторное углубление дыхания.

Но важно и ↓pH, поскольку нарушение кислотно-щелочного баланса нарушает нормальную работу системы. Поэтому дыхание реагирует и на повышение концентрации CO₂, и на прямое снижение pH.

Существует два основных типа хеморецепторов:

1. Периферические хеморецепторы — обеспечивают срочную реакцию и играют основную роль при физической нагрузке.

Расположены в дуге аорты (аортальные тельца) и на шее, у разветвления сонных артерий (каротидные тельца). Последние более чувствительны и играют доминирующую роль в контроле дыхания.

Они реагируют на все три параметра (изменение O₂, CO₂ и pH), но особенно остро — на дефицит кислорода и на значительное изменение pH.

2. Центральные хеморецепторы — обеспечивают медленную долгосрочную регуляцию, играют основную роль в покое.

Расположены на вентральной поверхности продолговатого мозга и в ликворе головного мозга.

В них есть только "датчики" изменения pH, но реагируют они не на pH крови, а на pH ликвора, который зависит от повышения концентрации CO₂.

Это опосредованная реакция на CO₂, связанная с особенностями гематоэнцефалического барьера. Через него свободно проходит CO₂, но не H⁺. Проникший CO₂ трансформируется и постепенно снижает pH ликвора.

CO₂ (кровь) → CO₂ (ликвор) → H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃⁻ → ↓ pH


Распределение функций между рецепторами обеспечивает двухуровневый контроль: быстрое реагирование на острые изменения (периферические) и стабилизация дыхания при хронических изменениях (центральные).

В стенке альвеол и дыхательных путях находятся механорецепторы, которые реагируют на растяжение лёгочной ткани.

Разные группы механорецепторов реагируют как на быстрое (рапидные), так и на постоянное (тонические) растяжение, вместе осуществляя тонкую регуляцию.

Инфляционный рефлекс (Геринга-Брейера):
При чрезмерном растяжении лёгких механорецепторы посылают сигналы подавляющие вдох и стимулирующие выдох.

Это защитный рефлекс, который автоматически предотвращает опасное переполнение лёгких воздухом, особенно при глубоком дыхании или физической нагрузке. Тем самым, предотвращая разрыв альвеол.

Дефляционный рефлекс:
При чрезмерном спадении (коллапсе) альвеол происходит стимуляция вдоха. Так предотвращается полное спадение и поддерживается оптимальный уровень дыхательной площади лёгких.

Дыхательный центр работает как интегратор, объединяя все поступающие сигналы:

1. Базовый ритм генерируется дыхательным центром в продолговатом мозге.
2. Кора головного мозга может осознанно менять дыхание.
3. Гипоталамус модулирует дыхание в зависимости от эмоционального состояния и температуры.
4. Моторная кора запускает коррекцию дыхания под планируемые движения.
5. Проприорецепторы корректируют дыхание под фактическое движение.
6. Хеморецепторы постоянно мониторят уровни O₂, CO₂ и pH.
7. Механорецепторы следят за объёмом и скоростью вдоха, предотвращая перерастяжение и спадание.

В результате такой сложной интеграции дыхание автоматически подстраивается под потребности организма, при этом, при необходимости, оставаясь под сознательным контролем.