呼吸はどのように制御されているのか

呼吸の制御は、延髄と橋にある呼吸中枢が中心となり、神経系・循環器系・肺・横隔膜など全身と連携して行われます。

局所的制御

各組織への酸素供給と二酸化炭素の除去は、主に局所レベルで調整されます。例えば、腕や足が活発になると、細胞間の酸素濃度が低下し二酸化炭素が増加します。この変化により、対象組織への酸素供給が増え、二酸化炭素の除去が促進されます。また、局所の小動脈や毛細血管の平滑筋が弛緩し、血流が増加します。

不随意制御

肺や呼吸道からの感覚情報に基づき、脳の不随意中枢が呼吸筋の活動と換気量を調整します。これにより、呼吸の深さと頻度が自動的に変化し、適切なガス交換が保たれます。

随意制御

大脳皮質の活動が呼吸中枢（延髄・橋）や脊髄の運動ニューロンに影響を与えることで、呼吸を意識的に制御できます。例えば、深呼吸や歌う際の呼吸は随意制御の例です。

延髄の呼吸中枢

延髄には背側呼吸群（DRG）と腹側呼吸群（VRG）があります。DRGは横隔膜と肋間筋を制御し、すべての呼吸サイクルで活動します。VRGは強制呼吸時に主に働き、呼吸リズムの基本パターンはDRGとVRGの相互作用によって形成されます。これらは自動的にリズムを生むペースメーカー細胞により調整されます。

外的要因

中枢神経系刺激薬（アンフェタミンやカフェイン）で呼吸数が増加し、抑制薬（バルビツール酸やオピエート）で減少します。

橋の呼吸中枢

橋には無呼吸中心（apneustic）と呼吸調節中心（pneumotaxic）の2つの核があります。静かな呼吸時、無呼吸中心は吸気の強さを2秒間増加させ、続いて呼吸調節中心がその活動を抑制します。強制呼吸時には、無呼吸中心が迷走神経からの肺膨張情報に応答します。また、視床下部や大脳皮質からの入力により、呼吸数と深さが調整されます。

呼吸反射

化学受容体は二酸化炭素、酸素、pH（酸性・アルカリ性）に敏感で、これらの変化や血圧、肺容積、鼻腔・喉頭・気管支の刺激、痛みや体温変化などの情報が呼吸中枢に伝えられ、呼吸パターンが修正されます。