Hengityksen säätelyn periaatteet

Hengenahdistustuntemuksen synty on erittäin monimutkainen hermostollinen tapahtuma, johon vaikuttavat myös emotionaaliset tekijät. Hengenahdistus aistitaan aivokuoressa ja keskiaivojen alueella, limbisessä järjestelmässä.

Näiden mekanismien ymmärtämiseksi on syytä ensin tarkastella hieman hengityksen normaalia fysiologista säätelyä.

Hengitys levossa on automaattista ja tiedostamatonta. Sen syvyyttä ja rytmiä säätelee ydinjatkeessa sijaitseva hengityskeskus.

Kuvassa on esitetty tärkeimmät hengitystä säätelevät tekijät.

Hengitystapahtumasta ja hengityksen aineenvaihdunnallisesta lopputuloksesta tulee keskushermoston eri osiin runsaasti tietoa. Keskushermosto, erityisesti ydinjatkeen hengityskeskus, saa tietoa veren happi- ja hiilidioksidipitoisuudesta ja veren happamuudesta suurten valtimoiden tyvessä olevien aistinkerästen ja ydinjatkeessa olevien hermopäätteiden kautta (CO₂- ja O₂ -pitoisuudet sekä pH).

Mikäli veren CO₂-pitoisuus pyrkii nousemaan, CO₂-molekyylit suoraan kiihdyttävät ydinjatkeen hengityskeskuksen toimintaa, jolloin keuhkotuuletus kasvaa ja hiilidioksidi alkaa poistua uloshengityksen kautta tehokkaammin. Myös valtimoveren happipitoisuuden lasku kiihdyttää keuhkotuuletusta kaulavaltimoiden tyvessä olevien happipitoisuutta aistivien tuntopäätteiden avulla. Näin elimistö pyrkii palauttamaan normaalin tilanteen.

Hengityksen mekaanisesta liikkeestä tulee tieto hengityskeskuksiin hengitysteiden, keuhkokudoksen ja rintakehän hermopäätteiden kautta: keuhkokudoksen venytystä aistivista hermopäätteistä, keuhkoputkien ärsytystä aistivista hermopäätteistä, keuhkorakkuloiden ja keuhkokapillaarien viereisten parasympaattisten hermopäätteiden kautta sekä keuhkojen ja rintakehän liikkeitä aistivien lihassukkula-aistin ja nivelaistin kautta.

Ydinjatkeen hengityskeskukseen tulee viestitystä myös kehon lämpötilasta; sen kohoaminen esimerkiksi fyysisen rasituksen aikana pyrkii kiihdyttämään hengitystä.

Tunnetilat vaikuttavat hengitykseen aivojen keskialueiden limbisestä järjestelmästä tulevien hermoimpulssien kautta. Psyykkinen kiihtymys nopeuttaa hengitystä.

Liikeaivokuorelta lähtevät hermoimpulssit tuovat tahdonalaiset hengityksen käskysignaalit hengityskeskukseen. Ydinjatkeen hengityskeskuksesta lähtee hengityslihasten mekaanista liikettä viime kädessä toteuttava käskyrata.

Normaali hengityksen rytmi ja säätely on tahdosta riippumatonta, automaattista. Hengityksen tarkoituksena on pitää valtimoveressä koko ajan ja kaikissa olosuhteissa normaali happi- ja hiilidioksidipitoisuus ja happamuus.

Kun energia-aineenvaihdunta kiihtyy rasituksen aikana, keuhkojen täytyy lisätä keuhkorakkuloiden tuuletusta riittävän happimäärän kuljettamiseksi keuhkoista valtimoverenkiertoon. Samalla aineenvaihdunnan lopputuotteena syntyvän hiilidioksidin poistuminen laskimoverenkierrosta tehostuu (vrt. kuva Kaavamainen piirros keuhkoverenkierrosta ja systeemisestä verenkierrosta).

Malli hengenahdistuksen aistimisen mekanismeista

Kuvassa on esitetty yksinkertaistetussa muodossa malli hengenahdistuksen aistimisen mekanismista. Motoriset hermoimpulssit, jotka lähtevät hengityskeskuksesta ydinjatkeen alueelta sekä liikeaivokuoresta, käskyttävät hengityslihaksia liikuttamaan rintakehää ja muuttamaan rintaontelossa olevien keuhkojen tilavuutta. Sisäänhengityksen aikana rintaontelo ja keuhkot laajenevat ja ilmaa virtaa paine-eron myötä keuhkoihin. Uloshengitys tapahtuu levossa terveillä henkilöillä passiivisesti keuhkojen ja rintakehän kimmoisuuden pyrkiessä pienentämään keuhkojen ja rintaontelon tilavuutta.

Motoriset signaalit edustavat hengitysponnistelua eli hengitystyötä. Edellä kuvatuista hermopäätteistä aivoihin tulee tietoa siitä, kuinka paljon rintakehä ja keuhkot todellisuudessa liikkuvat ja kuinka paljon hengityskaasut (happi ja hiilidioksidi) veressä muuttuvat (sensoriset signaalit). Nämä signaalit edustavat toteutunutta hengitystä.

Jos hengitystyö eli hengitysponnistelu kasvaa suuremmaksi kuin toteutunut keuhkotuuletus, tämä aistitaan aivoissa hengenahdistuksena tai hengästymisenä. Tätä epäsuhtaa kutsutaan myös neuroventilatoriseksi dissosiaatioksi tai hengenahdistuksen keuhkomekaaniseksi determinantiksi. Oleellista on, että hengitykseen käytetty lihasponnistelu suurenee suhteessa saavutettuun keuhkojen tuuletukseen.

Fyysisen rasituksen kasvaessa myös hengitystyö kasvaa, koska keuhkojen tuuletus (l/min) vilkastuu lisääntyneen hapen tarpeen tyydyttämiseksi. Kun happea käyttävä energiatuotanto lihaksissa ei enää riitä, osa energiasta tuotetaan anaerobisesti, ilman happea. Tällöin kudoksiin ja vereen alkaa kertyä maitohappoa, joka kiihdyttää keuhkojen tuuletusta entistä enemmän veren pH:n puskurijärjestelmässä syntyvän hiilidioksidin kautta. Anaerobisen kynnyksen saavuttamisen mekanismeista ja vaikutuksista kerrotaan seuraavassa kappaleessa tarkemmin.

Monissa keuhko- ja sydänsairauksissa sekä liikalihavuudessa, erityisesti vyötärölihavuudessa hengitystyö kasvaa rasituksessa nopeasti poikkeavan suureksi.

Kuvassa on esimerkkejä hengityslihasten hapenkulutuksen kasvusta keuhkotuuletuksen vilkastuessa. Mittaukset on tehty fyysisen rasituksen aikana henkilöillä, joilla on vaikea keuhkoahtaumatauti, sydämen vajaatoiminta tai lihavuus sekä terveillä henkilöllä. Hengityslihasten hapenkulutuksen kasvu kuvastaa hengitystyön kasvua. Kaikkien kuvan potilaiden hengityslihakset kuluttivat 2–5 kertaa enemmän happea kuin terveen henkilön hengityslihakset. Kuvan potilailla hengittämiseen rasituksen aikana kului noin 20 % koko elimistön hapenottokyvystä, mikä syö muihin lihaksiin tarjolla olevan hapen määrää. Ulkoisen työn aineenvaihdunnallinen hyötysuhde on näillä potilailla voimakkaasti pienentynyt.

Kuvasta nähdään, miten polkupyöräergometrilla tehdyissä rasituskokeissa hengenahdistusoire Borgin asteikolla mitattuna kasvoi nopeasti vaikeaa keuhkoahtaumatautia (COPD) sairastavalla, lihavalla (painoindeksi yli 35 kg/m²) ja keskivaikeaa sydämen vajaatoimintaa sairastavalla verrattuna terveeseen normaalikuntoiseen henkilöön työkuormituksen kasvaessa. Sairaiden henkilöiden maksimaalinen suorituskyky työtehona (wateissa) mitattuna oli myös erittäin matala, alle 50 % normaalista. Sairaiden henkilöiden hengenahdistuksen aste oli myös maksimirasituksessa suurempi (Borgin asteikolla 5,5–7,0) kuin terveen henkilön (4,0). Vertaamalla kuvia ja voidaan päätellä, että rasitushengenahdistuksen voimakkuus liittyy selvästi hengityslihasten hapenkulutukseen ja siten hengitystyön voimakkuuteen.