Sách dịch: CÁC NGUYÊN LÝ Y HỌC HÔ HẤP, ẤN BẢN THỨ 8
Dịch và chú giải: Ts.Bs. Lê Nhật Huy, Ths.Bs. Lê Đình Sáng

CHƯƠNG 17. CÁC KHÍA CẠNH GIẢI PHẪU VÀ SINH LÝ CỦA TƯƠNG TÁC THẦN KINH, CƠ VÀ THÀNH NGỰC VỚI PHỔI

Anatomic and physiologic aspects of neural, muscular, and chest wall interactions with the lungs
Steven E. Weinberger MD, MACP, FRCP, Barbara A. Cockrill MD and Jess Mandel MD, MACP, FRCP
Principles of Pulmonary Medicine, 17, 215-222

MỤC LỤC CHƯƠNG

Sự di chuyển của dòng khí vào và ra khỏi phổi đòi hỏi hoạt động của một hệ thống bơm có khả năng tạo ra áp lực âm trong lồng ngực, làm phổi giãn nở và khởi phát dòng khí trong mỗi lần hít vào, trong khi đó thở ra phần lớn là một quá trình thụ động trong hầu hết các hoàn cảnh. Hoạt động bơm theo chu kỳ này được đảm nhận bởi các cơ hô hấp, bao gồm cơ hoành, hoạt động phối hợp với thành ngực. Tuy nhiên, bản thân các cơ này không có hoạt động nhịp nhàng nội tại như cơ tim; chúng phải được điều khiển bởi các xung động nhịp nhàng từ một “trung tâm điều khiển”. Chương này tập trung vào các đặc điểm giải phẫu và sinh lý của hệ thống điều khiển và các cơ hô hấp để cung cấp nền tảng cho các thảo luận trong Chương 18 và 19. Các chương đó sẽ thảo luận về các rối loạn ảnh hưởng đến việc kiểm soát hô hấp, hệ cơ hô hấp và thành ngực. Mặc dù phần lớn sinh lý học và nhiều vấn đề lâm sàng được thảo luận ở đây và trong hai chương tiếp theo không liên quan trực tiếp đến phổi, chúng lại gắn bó chặt chẽ với chức năng và rối loạn chức năng hô hấp đến mức việc xem xét chúng trong một giáo trình về bệnh phổi là hoàn toàn phù hợp.

KIỂM SOÁT HÔ HẤP

Mặc dù quá trình thở là một hoạt động nhịp nhàng bình thường diễn ra không cần ý thức, nó liên quan đến một cơ chế kiểm soát phức tạp ở cấp độ hệ thần kinh trung ương (CNS). CNS truyền tín hiệu đến các cơ hô hấp, khởi phát động tác hít vào khoảng 12 đến 20 lần mỗi phút trong điều kiện bình thường. Đáng chú ý là hệ thống kiểm soát này thường có khả năng đáp ứng với các nhu cầu đa dạng của cá nhân, tăng thông khí một cách thích hợp trong khi tập thể dục và duy trì các thông số khí máu động mạch trong một phạm vi hẹp. Phần này bắt đầu bằng việc mô tả tổ chức cấu trúc của hệ thống kiểm soát thần kinh đối với thông khí và tiếp tục xem xét cách các kích thích khác nhau có thể tương tác và điều chỉnh đầu ra của trung tâm điều khiển hô hấp. Các cách định lượng đầu ra của trung tâm điều khiển và cách các kỹ thuật này đã được chứng minh là hữu ích trong việc đánh giá bệnh nhân với nhiều rối loạn lâm sàng khác nhau cũng sẽ được thảo luận ngắn gọn.

Tổ chức của hệ thống kiểm soát hô hấp

Tổ chức cơ bản của hệ thống kiểm soát hô hấp được thể hiện trong Hình 17.1. Yếu tố cốt lõi của hệ thống này là “trung tâm phát nhịp” của CNS. Các tín hiệu xuất phát từ trung tâm phát nhịp đi xuống tủy sống đến các cơ hô hấp khác nhau. Các cơ hít vào, trong đó quan trọng nhất là cơ hoành, đáp ứng với các tín hiệu này bằng cách co lại và khởi phát động tác hít vào. Quá trình này sẽ được mô tả chi tiết hơn ở phần “Các cơ hô hấp”.

Hình 17.1. Sơ đồ minh họa tổ chức của hệ thống kiểm soát hô hấp. Các đường đứt nét thể hiện các vòng phản hồi ngược ảnh hưởng đến trung tâm phát nhịp hô hấp. CNS, hệ thần kinh trung ương.

Do sự co của các cơ hít vào, cơ hoành hạ xuống, thành ngực giãn nở và không khí đi theo một gradient áp suất từ miệng qua cây khí phế quản đến các khoang phế nang. Sự trao đổi khí ở nhu mô xa cho phép oxy di chuyển vào máu và giải phóng CO2​ từ máu vào khí trong phế nang.

Mặc dù chuỗi sự kiện này nghe có vẻ tương đối đơn giản, nó được điều chỉnh bởi một hệ thống phản hồi ngược tinh vi và phức tạp nhằm điều chỉnh đầu ra của trung tâm phát nhịp để đạt được hiệu quả mong muốn. Nếu đáp ứng của các cơ hô hấp với tín hiệu của trung tâm phát nhịp là không đủ, được đánh giá bởi một loạt các “phản xạ” hô hấp, trung tâm phát nhịp sẽ tăng cường đầu ra của mình để bù đắp cho sự thiếu hụt hiệu quả dự kiến. Nếu các biến số khí máu động mạch đi chệch khỏi giá trị thích hợp, thông tin đầu vào từ các thụ thể hóa học (chemosensors) đối với pH, O2​ và CO2​ đến trung tâm phát nhịp hô hấp sẽ bị thay đổi, cuối cùng ảnh hưởng đến đầu ra của nó. Ngoài ra, thông tin đầu vào từ các vùng khác của CNS, đặc biệt là vỏ não và cầu não, có thể điều chỉnh đầu ra ròng của trung tâm phát nhịp.

Trung tâm phát nhịp hô hấp

Xét đến tầm quan trọng của trung tâm phát nhịp hô hấp trong sơ đồ kiểm soát hô hấp này, cấu trúc giải phẫu và phương thức hoạt động của nó sẽ được mô tả ở đây. Phần lớn công trình làm rõ vị trí của trung tâm phát nhịp hô hấp liên quan đến các thí nghiệm trên động vật với các lát cắt ở các cấp độ khác nhau của CNS và đánh giá ảnh hưởng của chúng đối với thông khí. Bởi vì lát cắt giữa não và thân não không làm thay đổi đáng kể thông khí, trung tâm phát nhịp dường như nằm ở đâu đó ở cấp độ thân não hoặc thấp hơn và không cần tương tác với các trung tâm vỏ não cao hơn. Khi thực hiện các lát cắt ở các điểm khác nhau trong thân não, kiểu thở bị thay đổi đáng kể, nhưng thông khí không bị loại bỏ. Chỉ khi một lát cắt được thực hiện giữa hành não và tủy sống thì thông khí mới ngừng lại, cho thấy rằng trung tâm phát nhịp hô hấp nằm trong hành não. Ở người và các động vật có vú khác, tập hợp các nơron ở vùng bụng-bên của hành não được cho là thiết yếu cho việc tạo ra kiểu thở được gọi là phức hợp pre-Bötzinger.

Một trung tâm phát nhịp hô hấp trung ương trong hành não kiểm soát hoạt động của các cơ hô hấp. Mặc dù trung tâm hô hấp (hay trung tâm phát nhịp) đã được đề cập như một vùng duy nhất, có nhiều hơn một mạng lưới nơron trong hành não tham gia vào việc khởi phát và phối hợp hoạt động hô hấp. Theo một mô hình phổ biến, một nhóm nơron chịu trách nhiệm khởi phát động tác hít vào và điều chỉnh tốc độ của nó dựa trên cường độ hoạt động của nơron; một nhóm nơron khác kiểm soát việc “ngắt” động tác hít vào và do đó quyết định thời điểm bắt đầu thở ra.

Do đó, có hai khía cạnh của việc kiểm soát thông khí: (1) mức độ thúc đẩy hít vào hay hoạt động hít vào trung ương (điều chỉnh tốc độ dòng khí hít vào), và (2) cơ chế định thời (kiểm soát việc kết thúc động tác hít vào). Hai yếu tố quyết định này hoạt động phối hợp để thiết lập tần số thở và thể tích khí lưu thông, và do đó là thông khí phút và kiểu thở cụ thể.

Thông tin đầu vào từ các vùng khác của hệ thần kinh trung ương

Mặc dù trung tâm hô hấp ở hành não không cần thêm thông tin đầu vào để điều khiển thông khí, nó vẫn nhận được các thông tin khác góp phần tạo ra một kiểu thở đều đặn và kiểm soát thông khí chính xác hơn. Ví dụ, thông tin đầu vào từ cầu não dường như cần thiết cho một kiểu thở phối hợp, bình thường. Khi ảnh hưởng của cầu não bị mất, các bất thường trong kiểu thở sẽ xảy ra.

Ngoài các con đường liên quan đến việc kiểm soát thông khí “tự động” hay không tự chủ, vỏ não còn thực hiện một sự kiểm soát có ý thức hay tự chủ đối với thông khí. Sự chi phối của vỏ não đối với kiểm soát tự động có thể được thấy qua việc nín thở hoặc tăng thông khí tự ý. Tính hữu dụng của nó thể hiện rõ ràng trong nhu cầu kiểm soát hơi thở một cách tự chủ của một người trong các hoạt động như nói, ăn và bơi. Điều thú vị là, việc kiểm soát thông khí tự động có thể bị rối loạn trong khi kiểm soát có ý thức vẫn còn nguyên vẹn. Trong những trường hợp này, khi thức, vỏ não thực hiện đủ sự kiểm soát tự chủ đối với thông khí để duy trì các giá trị khí máu động mạch bình thường. Trong những khoảng thời gian bệnh nhân phụ thuộc vào kiểm soát thông khí tự động (ví dụ, trong khi ngủ), tình trạng giảm thông khí hoặc ngưng thở rõ rệt có thể xảy ra. Tình trạng hiếm gặp này, được gọi là hội chứng giảm thông khí trung ương bẩm sinh, còn được biết đến với tên gọi lời nguyền Ondine, theo một câu chuyện thần thoại trong đó người cầu hôn con gái của thần Neptune bị nguyền rủa sẽ mất kiểm soát tự động đối với tất cả các chức năng cơ thể khi anh ta ngủ thiếp đi. Các khiếm khuyết trong gen PHOX2b được xác định trên nhiễm sắc thể 4p12 đã được tìm thấy trong hầu hết các trường hợp. PHOX2b mã hóa một vùng bảo tồn cao cho các yếu tố phiên mã quan trọng trong sự phát triển của thần kinh. Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế bệnh sinh của tình trạng này chắc chắn sẽ dẫn đến sự hiểu biết tốt hơn về các cơ chế kiểm soát thông khí bình thường.

Hóa thụ thể (Chemoreceptors)

Duy trì các thông số khí máu động mạch bình thường là mục tiêu cuối cùng của việc kiểm soát thông khí, và một vòng phản hồi ngược quan trọng sẽ điều chỉnh đầu ra của trung tâm hô hấp nếu các thông số này không được duy trì (xem Hình 17.1). Sự gia tăng PCO2​ (tăng CO2​ máu) và sự suy giảm PO2​ (giảm oxy máu) đều sẽ kích thích thông khí. Trong mỗi trường hợp, một hoặc nhiều hóa thụ thể sẽ phát hiện những thay đổi trong PCO2​ hoặc PO2​ và theo đó thay đổi thông tin đầu vào của chúng đến trung tâm hô hấp hành não.

Những thay đổi trong PCO2​ chủ yếu được cảm nhận tại một hóa thụ thể trung ương ở hành não. Thụ thể chính điều chỉnh CO2​ nằm gần nhưng tách biệt với trung tâm hô hấp hành não trên bề mặt bụng-bên của hành não và được gọi là hóa thụ thể trung ương. Hóa thụ thể trung ương không đáp ứng trực tiếp với PCO2​ trong máu mà với pH của dịch ngoại bào (ECF) xung quanh hóa thụ thể. Độ pH, đến lượt nó, được quyết định bởi nồng độ của ion hydro (H+) và bicarbonate (HCO3​−), cũng như PCO2​ trong ECF (xem Phụ lục C để thảo luận thêm). Thành phần của dịch não tủy (CSF) và ECF của não bị ảnh hưởng bởi các đặc tính thấm của hàng rào máu-não: CO2​ khuếch tán tự do, trong khi sự di chuyển của H+ hoặc HCO3​− từ máu vào ECF của não bị hạn chế. Do đó, nồng độ CO2​ trong máu ảnh hưởng gián tiếp đến hóa thụ thể trung ương bằng cách ảnh hưởng đến thành phần của ECF. Vòng phản hồi ngược cho những thay đổi trong PCO2​ có thể được tóm tắt như sau:

Tăng PCO2​ máu động mạch → Tăng PCO2​ ECF não → Giảm pH ECF não → Giảm pH tại hóa thụ thể trung ương → Kích thích hóa thụ thể trung ương → Kích thích trung tâm hô hấp hành não → Tăng thông khí → Giảm PCO2​ máu động mạch