解剖生理学II

安静時に。 呼吸器系は、脳の呼吸中枢によって調節され、一定のリズムでその機能を発揮しています。 このペースで換気が行われると、体のすべての組織に十分な酸素が供給される。

過呼吸

過呼吸は、運動または疾病、特に呼吸器または消化管を標的とする疾病で見られるような酸素需要の増加を満たすために、換気の深さと速度が増加することである。 これは血中酸素や二酸化炭素の濃度を大きく変化させるものではなく、単に細胞の要求を満たすために換気の深さと速度を増加させるだけである。 これに対して過呼吸は、細胞の酸素需要とは無関係に換気量が増加し、血中二酸化炭素濃度が異常に低くなり、血液pHが高く（アルカリ性）なる。

興味深いことに、運動は人が考えるほど過呼吸を引き起こさない。 運動中に働く筋肉は酸素の需要を増加させ、換気の増加を刺激する。 しかし、運動中の過呼吸は、筋肉内の酸素レベルの低下が起こる前に起こるようである。 したがって、過呼吸は、酸素濃度の低下の代わりに、あるいはそれに加えて、他のメカニズムによって引き起こされる必要がある。 運動時過呼吸の背後にある正確なメカニズムはよく分かっておらず、いくつかの仮説はやや議論の余地がある。 しかし、低酸素、高炭酸ガス、および低pHレベルに加え、神経系と脳の呼吸中枢に関連する因子が複雑に絡み合っているようである

まず、運動または他の形態の肉体労働に参加することを意識的に決定すると、心理的刺激となり、脳の呼吸中枢が換気を促進するきっかけとなる可能性がある。 さらに、身体活動に関与する筋肉群を神経支配する運動ニューロンの活性化を通じて、脳の呼吸中枢が刺激されることもある。 最後に、運動は、筋肉、関節、腱に存在し、動きや伸縮を感知する受容体である固有受容器を刺激する。固有受容器は、脳の呼吸中枢を刺激することもある。 これらの神経因子は、運動開始直後に観察される急激な換気量の増加と一致する。 呼吸中枢は運動中、心理、運動ニューロン、自己受容器の入力によって刺激されるので、これらの神経刺激がなくなる運動終了直後にも換気の急激な減少があるという事実は、これらが換気の変化の引き金に関与しているという考えをさらに裏付けるものである。 大気中の気体に対する酸素の割合は21％のままであるが、その分圧は減少する（表1参照）。 その結果、高所では低所よりも気圧が低くなるため、体が同じレベルの酸素飽和度を得ることが難しくなる。 実際、海抜高度でのヘモグロビン飽和度に比べ、高高度ではヘモグロビン飽和度が低くなっている。 例えば、海抜19,000フィートではヘモグロビン飽和度は約67％ですが、海抜では約98％に達します。

思い出していただきたいのは、呼吸膜を越えて肺毛細管の血液にどれだけのガスが入っていけるか、分圧は非常に重要であることだ。 酸素分圧が低いということは、肺胞と血液の間の分圧差が小さいということですから、呼吸膜を通過する酸素の量は少なくなります。 その結果、ヘモグロビンと結合する酸素分子が少なくなる。 にもかかわらず、高地での安静時には、体の組織は十分な量の酸素を受け取ることができる。 これは、大きく分けて2つのメカニズムによるものです。 まず、血液から組織に入る酸素分子の数は、海抜高度と高高度でほぼ等しくなっています。 海抜高度ではヘモグロビンの飽和度は高いが、実際に組織内に放出される酸素分子は4分の1に過ぎない。 高地では、より多くの割合の酸素分子が組織内に放出される。 次に、高地では赤血球からBPGが大量に産生され、ヘモグロビンからの酸素の解離が促進される。 スキーやハイキングなどの肉体労働は、高地では血液中の酸素貯蔵量が少なくなるため、高山病になる可能性がある。 海抜高度では、静脈血に大量の酸素が蓄えられており（静脈血は「脱酸素」と考えられていますが）、運動時にはそこから筋肉が取り出されます。 高地では酸素飽和度が低いため、この静脈血の予備量が少なく、血中酸素濃度が低いという病的な症状が現れます。 高地では、普段より多めに水を飲むことが大切だと聞いたことがあるかもしれません。 これは、酸素濃度の低下に対抗するために、高地では排尿が増えるからです。 体液を排出することで、血漿濃度は下がりますが、赤血球の総数が減るわけではありません。

急性高山病（AMS）、または高山病は、高地での酸素分圧が低いために、急性の高地への曝露によって生じる症状である。 AMSは通常、海抜2400メートル（8000フィート）で発症することがあります。 AMSは、血中酸素濃度が低いために、体が低い酸素分圧に急性に適応することが困難となるために起こります。 重症の場合、肺水腫や脳浮腫を引き起こすこともあります。 AMSの症状としては、吐き気、嘔吐、倦怠感、ふらつき、眠気、意識の混濁、脈拍の増加、鼻血などがあります。 AMSの治療法は低高度への下降のみですが、薬物治療や酸素補給により症状が改善されることもあります。 AMSは、ゆっくりと目的の高度まで上昇し、体を順応させるとともに、適切な水分補給を維持することで予防することができます。 順応とは、高地に慢性的にさらされることにより、呼吸器系が適応していく過程のことです。 一定期間、低い酸素分圧に適応するように体が調整されます。 高地では酸素分圧が低いため、血液中のヘモグロビンの酸素飽和度が低くなります。 それに伴い、組織内の酸素濃度も低くなる。 その結果、腎臓が刺激されてエリスロポエチン（EPO）というホルモンが産生され、赤血球の産生が促され、高地に長期間いる個体では循環赤血球の数が多くなる。 赤血球が増えれば、利用可能な酸素を運搬するのに役立つヘモグロビンの量も増える。 ヘモグロビンの飽和度は低くても、ヘモグロビンの数は増えるので、血液中の酸素量も増えます。

Chapter Review

通常、脳の呼吸中枢は一貫したリズミカルな呼吸サイクルを維持しています。 しかし、場合によっては、十分な酸素を体に供給するために、呼吸器系は状況の変化に適応しなければならない。 例えば、運動をすると換気量が増え、高地に慢性的にいると循環している赤血球の数が多くなる。 換気の速度と深さが増加する過呼吸は、心理的刺激、骨格筋の運動ニューロン活性化、筋肉、関節、腱の固有受容体の活性化という3つの神経メカニズムの機能であると考えられている。

一方、高地に急接近した場合、特に肉体労働時には、血中および組織の酸素濃度が低下することがある。 これは、高地の気圧が海抜高度より低いため、空気中の酸素分圧が低くなることに起因する。 これにより、頭痛、方向感覚の喪失、疲労、吐き気、ふらつきなどの症状を伴う急性高山病（AMS）と呼ばれる状態になることがある。 長い時間をかけて、人の体は高地に順応していきますが、これは順応と呼ばれるプロセスです。 順応の過程で、組織の酸素濃度が低くなると、腎臓は赤血球の産生を刺激するエリスロポエチンというホルモンを大量に産生するようになる。 赤血球の循環量が増加すると、ヘモグロビンの量が増え、より多くの酸素を供給できるようになり、AMSの症状が予防できます。

Self Check

前のセクションで取り上げたトピックをどれくらい理解しているか、以下の質問に答えてください。