Atemzentrum und chemische Atemregulation
Wo das Atemzentrum liegt, welche Blutwerte es regelt, wie periphere Chemosensoren messen und welche Reize die Atmung antreiben.
Das Wichtigste in Kürze
- Die chemische Atemregulation ist ein Regelkreis: Chemosensoren melden arterielle Blutwerte an das Atemzentrum, das die Ventilation anpasst.
- Das Atemzentrum mit den rhythmusgenerierenden Neuronen liegt in der Medulla oblongata, der Hypothalamus ist an der reflektorischen Atmung nicht beteiligt.
- Regelgrößen sind arterieller \(P_{\ce{CO2}}\), \(P_{\ce{O2}}\) und pH, der Blutdruck gehört nicht dazu.
- Glomuszellen im Glomus caroticum und in den Glomera aortica messen \(P_{\ce{O2}}\), \(\ce{CO2}\) und pH, aber nicht den Hämoglobingehalt.
- Ein \(\ce{CO2}\)-Anstieg ist der stärkste Atemantrieb, ein \(\ce{O2}\)-Abfall wirkt vor allem unter etwa 60 mmHg, erhöhter Sauerstoff stimuliert nicht.
Worum es geht
Die Atmung passt sich ständig dem Bedarf an, ohne dass man daran denkt. Gesteuert wird sie vom Hirnstamm, der dafür Messwerte aus dem Blut nutzt. Dieses Wissen braucht man in der Pharmazie etwa, um zu verstehen, warum Opioide und Sedativa die Atmung dämpfen.
Atmung als Regelkreis
Die Atmung braucht zweierlei: einen Takt und eine Anpassung an den Bedarf. Den Takt erzeugen Nervenzellen im Hirnstamm selbst, man spricht von Rhythmogenese. Die Anpassung gelingt über einen Regelkreis, ähnlich wie ein Thermostat die Raumtemperatur hält.
Die Regelgröße ist der Wert, der konstant bleiben soll. Ein Sensor misst ihn und meldet Abweichungen. Das Atemzentrum vergleicht und steuert die Atemmuskulatur. Die veränderte Ventilation wirkt dann auf die Blutgase zurück.
Atemzentrum
Die Neuronengruppen, die den Atemrhythmus generieren und die Atmung steuern, liegen in der Medulla oblongata, dem verlängerten Mark. Zur Lage im Gehirn siehe Gliederung des Gehirns.
Das Atemzentrum ist die Gesamtheit der respiratorischen Neuronengruppen in der Medulla oblongata. Sie erzeugen den Wechsel von Ein- und Ausatmung und verarbeiten die Meldungen der Chemosensoren.
Der Hypothalamus regelt zwar Temperatur, Hunger und Hormone. An der reflektorischen Ein- und Ausatmung ist er aber nicht beteiligt. Wie die Muskeln die Einatmung ausführen, beschreibt die Atemmechanik.
Chemische Regelgrößen
Die chemische Atmungskontrolle hält drei arterielle Werte konstant: den \(P_{\ce{CO2}}\), den \(P_{\ce{O2}}\) und den pH-Wert des Blutes. Was ein Partialdruck ist, erklärt der Gasaustausch in der Lunge.
Diese Werte messen Chemosensoren, also Sinneszellen für chemische Reize. Zentrale Chemosensoren sitzen in der Medulla selbst und reagieren vor allem auf \(\ce{CO2}\) und \(\ce{H+}\). Periphere Chemosensoren liegen an großen Arterien.
Der Blutdruck gehört nicht zu den Regelgrößen der Atmung. Ihn erfassen Barorezeptoren, also Dehnungssensoren der Gefäßwand, im Dienst der Blutdruckregulation.
Periphere Chemosensoren
Die peripheren Chemosensoren liegen in herznahen Arterien: das Glomus caroticum an der Karotisgabelung und die Glomera aortica am Aortenbogen. Dort messen sie frisches arterielles Blut. In herznahen Venen gibt es keine Chemosensoren für die Atmung. Ihre Signale laufen über den N. glossopharyngeus und den N. vagus zur Medulla.
Die eigentlichen Messzellen heißen Glomuszellen. Sie registrieren den Sauerstoffpartialdruck, den \(\ce{CO2}\)-Gehalt und den pH-Wert des Blutes. Bei Sauerstoffmangel läuft ihre Signalkette so ab:
- Hypoxie: Ein sinkender \(P_{\ce{O2}}\) schließt \(\ce{K+}\)-Kanäle.
- Depolarisation: Die Zelle wird positiver und öffnet spannungsabhängige \(\ce{Ca^2+}\)-Kanäle.
- Transmitter: Einströmendes \(\ce{Ca^2+}\) löst die Exozytose von ATP und Dopamin aus.
- Meldung: Die afferente Nervenfaser leitet das Signal zum Atemzentrum.
Anders als man vermuten könnte, messen Glomuszellen nicht den Hämoglobingehalt. Sie erfassen den gelösten Sauerstoff, also den Partialdruck. Auch die Glucosekonzentration des Blutes zählt nicht zu ihren Messgrößen der Atemregulation.
Atemantriebe
Ein Atemantrieb ist ein Reiz, der die Ventilation steigert. Der stärkste ist ein Anstieg des \(P_{\ce{CO2}}\). Schon wenig über 40 mmHg nimmt das Atemminutenvolumen steil und fast linear zu. Auch ein erhöhter \(\ce{CO2}\)-Gehalt mit sinkendem pH treibt die Atmung an.
Ein Abfall des \(P_{\ce{O2}}\) steigert die Atmung ebenfalls. Die Kurve bleibt aber lange flach und steigt erst unterhalb von etwa 60 mmHg steil an.
Viel \(\ce{CO2}\) und wenig \(\ce{O2}\) treiben die Atmung an. Ein erhöhter Sauerstoffgehalt im Blut stimuliert sie nicht.
Quiz
Aussage 1
Ein sinkender arterieller \(P_{\ce{O2}}\) steigert die Ventilation erst unterhalb von etwa 60 mmHg deutlich.
Die Atemantwort auf \(\ce{O2}\)-Mangel verläuft lange flach und steigt erst unter etwa 60 mmHg steil an.
Aussage 2
Periphere Chemosensoren liegen an der Karotisgabelung und am Aortenbogen, also in herznahen Arterien.
Glomus caroticum und Glomera aortica messen arterielles Blut. In herznahen Venen sitzen keine Chemosensoren der Atmung.
Aussage 3
Die Neurone, die den Atemrhythmus erzeugen, liegen im Hypothalamus.
Die rhythmusgenerierenden Neurone liegen in der Medulla oblongata. Der Hypothalamus ist an der reflektorischen Ein- und Ausatmung nicht beteiligt.
Aussage 4
Ein Blutdruckabfall wird von den Chemosensoren der Atmung registriert und steigert so direkt die Ventilation.
Chemosensoren reagieren auf arteriellen \(P_{\ce{CO2}}\), \(P_{\ce{O2}}\) und pH. Den Blutdruck erfassen Barorezeptoren.
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