Кажется очевидным, что мы дышим, чтобы получать кислород. Однако исследования показывают: одним из важнейших сигналов, управляющих дыханием, служит концентрация углекислого газа. Мозг непрерывно отслеживает её изменения, а специальные нервные клетки способны изменить ритм дыхания ещё до того, как человек заметит проблему.
У дыхания есть скрытая задача
Каждую минуту организм производит углекислый газ (CO₂). Он образуется в процессе обмена веществ и удаляется через лёгкие.
Но CO₂ влияет не только на состав выдыхаемого воздуха. Его концентрация связана с кислотностью крови и тканей, а даже небольшие изменения кислотности способны воздействовать на работу клеток.
Кислотность принято измерять показателем pH: чем он ниже, тем кислее среда.
В 2015 году нейрофизиологи Патрис Гийене и Дуглас Бейлисс из Университета Виргинии опубликовали в журнале Neuron обзор исследований механизмов управления дыханием.
Они показали, что мозг располагает специальными системами, которые обнаруживают изменения содержания CO₂ и корректируют вентиляцию лёгких.
Получается, дыхание необходимо не только для получения кислорода. Оно постоянно помогает поддерживать химическое равновесие организма.
В мозге обнаружили чувствительные датчики
Как мозг понимает, что дыхание нужно усилить?
Один из ключевых механизмов называется хеморецепцией, то есть способностью клеток обнаруживать изменения химического состава окружающей среды.
Особое место в этом процессе занимает ретротрапециевидное ядро, или RTN. Это небольшая группа нейронов в стволе мозга.
У крыс исследователи насчитывают примерно 2000 таких нервных клеток, у мышей около 800.
Несмотря на относительно небольшое количество, эти нейроны играют важную роль в регуляции дыхания.
Когда содержание CO₂ повышается, кислотность окружающей среды изменяется. Нейроны RTN реагируют на эти изменения и активируют нервные цепи, управляющие дыханием.
В экспериментальных исследованиях стимуляция этих клеток увеличивала частоту и глубину дыхания.
А подавление их активности приводило к противоположному эффекту.
Два молекулярных датчика, от которых зависит дыхательная реакция
Учёные обнаружили в нейронах RTN два особенно важных белка: TASK-2 и GPR4.
Они участвуют в распознавании изменений кислотности.
TASK-2 представляет собой ионный канал, то есть белковую структуру, регулирующую движение заряженных частиц через клеточную мембрану.
GPR4 является рецептором, реагирующим на повышение концентрации ионов водорода, связанное с увеличением кислотности.
В экспериментах на мышах удаление генов, отвечающих за эти белки, резко ослабляло дыхательную реакцию на повышение CO₂.
Когда оба механизма нарушались одновременно, реакция практически исчезала.
Особенно показательным оказался эксперимент с восстановлением GPR4 в определённых нейронах: дыхательная реакция на CO₂ возвращалась.
Эти результаты позволили исследователям связать способность мозга обнаруживать изменения кислотности с конкретными молекулярными механизмами.
Почему повышение CO₂ может разбудить человека
Дыхательная регуляция тесно связана с состоянием бодрствования.
Небольшие колебания концентрации CO₂ обычно остаются незаметными.
Но значительное повышение его уровня способно вызвать ощущение нехватки воздуха, сильное желание вдохнуть, тревогу и пробуждение ото сна.
Исследователи рассматривают такое пробуждение как защитный механизм.
Например, если дыхательные пути оказываются перекрыты во время сна, повышение CO₂ может активировать нервные системы, которые способствуют пробуждению и изменению положения тела.
Однако этот механизм работает не у всех одинаково.
Авторы обзора описывают врождённый синдром центральной гиповентиляции, при котором нарушена автоматическая регуляция дыхания.
У пациентов с этим состоянием дыхательная реакция на повышение CO₂ резко снижена или отсутствует. При этом они могут не испытывать обычных неприятных ощущений, связанных с его повышенной концентрацией.
Этот факт особенно важен: он показывает, насколько тесно химическое восприятие CO₂ связано с осознанием необходимости дышать.
Почему при физической нагрузке дыхание ускоряется заранее
Есть ещё одна загадка.
Во время физической нагрузки мышцы производят больше CO₂. Казалось бы, его концентрация в крови должна заметно повышаться, а уже затем мозг должен ускорять дыхание.
Но при лёгкой и умеренной аэробной нагрузке уровень CO₂ в артериальной крови обычно остаётся относительно стабильным.
Как организм успевает приспособиться?
Авторы описывают два дополнительных механизма.
Первый называется центральной командой. Нервные структуры, участвующие в управлении движением, одновременно воздействуют на системы дыхания.
Второй связан с сигналами от работающих мышц, которые передают информацию в центральную нервную систему.
Вместе эти механизмы позволяют увеличить вентиляцию лёгких в соответствии с возросшими потребностями организма.
При этом точное устройство соответствующих нервных цепей остаётся предметом исследований.
Что меняет это открытие
Дыхание кажется простым процессом, но за каждым вдохом стоит сложная система взаимодействующих механизмов.
Мозг получает информацию о концентрации углекислого газа, кислотности внутренней среды, уровне кислорода и активности мышц.
На основании этих сигналов нервная система регулирует частоту и глубину дыхания.
Особенно удивительно, что столь важная реакция зависит в том числе от небольших групп специализированных нервных клеток и конкретных молекулярных рецепторов.
Главный вывод исследования: мозг постоянно регулирует дыхание так, чтобы сохранять химическое равновесие организма, даже когда мы совершенно не думаем о своих вдохах и выдохах.
Именно поэтому дыхание представляет собой гораздо более сложный процесс, чем привычный обмен кислорода на углекислый газ.
Научный источник
Guyenet P. G., Bayliss D. A. (2015).
Название: Neural Control of Breathing and CO₂ Homeostasis («Нервная регуляция дыхания и поддержание равновесия углекислого газа»).
Журнал: Neuron, 87(5), 946–961.
Дата публикации: 2 сентября 2015 года.
Тип публикации: научный обзор исследований механизмов нервной регуляции дыхания.
DOI: 10.1016/j.neuron.2015.08.001
