Cơ chế hô hấp trong khi vận động

Trong thời gian vận động nặng, O2 tiêu thụ và khí CO2 có thể tăng lên gấp 20 lần. Tuy nhiên, ở những người vận động khỏe mạnh, thông khí phế nang thường tăng theo sự mức tăng sự trao đổi oxy. Các thông số PO2, PCO2, và pH vẫn giữ ở mức bình thường.

Phân tích nguyên nhân gây ra sự gia tăng thông khí trong quá trình vận động, một trong những nguyên nhân gây tăng thông khí là do tăng CO2 máu và hydrogen ions, cộng với sự giảm O2 máu. Tuy nhiên, khi đó PCO2, pH, và PO2 cho thấy không có sự thay đổi đáng kể trong khi tập luyện, vì vậy không giá trị nào trong số chúng trở lên bất thường đủ để kích thích hô hấp như trong hiện tượng quan sát được khi vận động nặng. Vậy nguyên nhân nào gây ra sự tăng thông khí trong vận động nặng?

Hình. Ảnh hưởng của tập thể dục đến mức tiêu thụ oxy và tốc độ thở

Phải có ít nhất một nguyên nhân dẫn đến hiện tượng đó. Não, khi truyền các xung động tới cơ vận động, được cho là truyền các xung song song vào thân não tại cùng mọt thời gian để kích thích các trung tâm hô hấp. Hành động này tương tự với sự kích thích các trung tâm vận mạch của thân não trong khi lao động gây ra một sự tăng đồng thời huyết áp động mạch.

Trên thực tế, khi một người bắt đầu lao động, phần lớn của sự tăng thông khí tăng nhanh khi mới bắt đầu tập, trước khi các chất hóa học trong máu có thời gian để làm thay đổi. Có khả năng là hầu hết sự gia tăng hô hấp từ các tín hiệu thần kinh được truyền trực tiếp vào trung tâm hô hấp tại cùng thời điểm mà các tín hiệu đi tới cơ gây co cơ.

Mối tương quan giữa các yếu tố hóa học và các yếu tố thần kinh trong việc kiểm soát hô hấp trong khi vận động

Khi một người lao động, các tín hiệu thần kinh trực tiếp kích thích trung tâm hô hấp để kích thích cung cấp O2 thêm cần thiết để tập thể dục và giải phòng CO2. Đôi khi, các tín hiệu điều khiển hô hấp thần kinh hoặc là mạnh quá hoặc là quá yếu. Các yếu tố hóa học sau đó đóng một vai trò quan trọng trong việc mang điều chỉnh hô hấp cuối cùng cần thiết để giữ nồng độ O2, CO2, và ion H+ trong các chất dịch của cơ thể càng bình thường càng tốt.

Hình. Thay đổi về thông khí phế nang (đường cong dưới) và PCO2 động mạch (đường cong trên) trong thời gian tập thể dục 1 phút và cả sau khi kết thúc tập luyện.

Đường cong ở dưới cho thất sự thay đổi trong thông khí ở phổi trong một khoảng thời gian 1 phút lao động, và những đường cong ở trên cho thấy sự thay đổi PCO2 động mạch. Lưu ý tằng lúc bắt đầu tập, thông khí phế nang tăng lên nhanh không cùng với sự tăng PCO2 động mạch. Trong thực tế, sự giai tăng thông khí này đủ lớn để bước đầu làm giảm PCO2 động mạch xuống thấp hơn bình thường, như thể hiện trong hình. Lý do được cho rằng do sự tích tự CO2 trong máu làm cho não bị kích thích hô hấp lúc bắt đầu lao động, gây tăng thông khí phổi thậm chí trước khi cần thiết. Tuy nhiên, trong khoảng 30-40 s, lượng CO2 giải phóng vào trong máu từ các cơ hoạt động phù hợp với mức độ tăng thông khí, và sự tăng PCO2 động mạch cơ bản được trở lại bình thường ngay cả khi tiếp tục lao động, như cuối giai đoạn 1 phút tập thể dục.

Hình. Hiệu quả gần đúng của tập thể dục tối đa ở một vận động viên để thay đổi đường cong đáp ứng thông khí PCO2 phế nang lên mức cao hơn nhiều so với bình thường. Sự thay đổi, được cho là do các yếu tố thần kinh gây ra, gần như chính xác là lượng thích hợp để duy trì PCO2 trong động mạch ở mức bình thường là 40mmHg cả ở trạng thái nghỉ và khi vận động nặng.

Đường cong ở dưới của hình cho thấp tác động của mực PCO2 động mạch khác nhau tới htoong khí phế nang khi cơ thể ở trạng thái nghỉ ngơi, tức là không hoạt động. Các đường cong ở trên cho thấy sự thay đổi gần đúng của đường cong thông khí gây ra bởi kích thích thần kinh từ trung tâm hô hấp, xảy ra trong khi lao động nặng. Các điểm ghi trên hai đường cong thể hiện PCO2 động mạch 2 đầu ở trạng thái nghỉ và sau đó ở trạng thái lao động. Lưu ý trong cả hai trường hợp đó PCO2 luôn ở mức bình thường là 40 mm Hg. Nói cách khác, các yếu tố thần kinh làm thay đổi đường cong đi lên khoảng 20 lần, vì vậy thông khí phổi gần như phù hợp với lượng CO2 giải phóng, do đó giữ PCO2 ở mức bình thường. Trong khi lao động, PCO2 động mạch không thay đổi với giá trị bình thường là 40  mmHg, nó có tác dụng kích thích thêm thông khí phổi tại một giá trih PCO2 lớn hơn 40 mm Hg và làm giảm kích thích khi giá trị PCO2 thấp hơn 40 mm Hg.

Hệ thần kinh điều khiển thông khí trong khi vận động có thể một phần là đáp ứng theo phản xạ

Nhiều thí nghiệm cho thấy rằng khả năng của não để làm thay đổi đường cong phản xạ trong khi lao động, có ít nhất một phần theo phản xạ. Đó là, với những giai đoạn lặp đi lặp lại của quá trình lao động, não dần dần trở nên có hoạt động tốt hơn trong việc cung cấp các tín hiệu thích hợp cần thiết để giữ PCO2 máu ở mức ổn định. Ngoài ra, có lý do để tin tưởng rằng ngay cả vỏ não cũng có liên quan đến phản xạ này vì các thí nghiệm chặn chỉ ở vỏ não cũng gây chặn lại các phản xạ.