Transcript Le Contrôle de la Ventilation

Laboratoire d’Investigation
du Contrôle de la Respiration
des Anoures
Le Contrôle de la Ventilation
Anja RANOHAVIMPARANY
[email protected]
ER10 UPMC,
Université ParisVI Pierre et Marie Curie, Paris, France
0
La ventilation et sa commande
Débit
0
0.5 L/S
Commande centrale
de la ventilation
Contraction phasique des
muscles respiratoires
1
Les structures ACTIVES = Les muscles
Muscles Inspiratoires
Muscles Expiratoires
Sterno-cleido-mastoïdiens
Scalènes
Intercostaux Externes
Parasternal
Diaphragme
Intercostaux Internes
Abdo. Oblique Externe
Abdo. Oblique interne
Abdo. Transverse
Abdo. Grand Droit
2
Les muscles des voies aériennes supérieures
3
Muscles Dilatateurs des
voies aériennes
supérieures
Pression inspiratoire
Négative
Les muscles dilatateurs
évitent le collapsus
inspiratoire des voies
aériennes supérieures.
Leur contraction doit
donc être finement
coordonnée avec celle
des muscles
inspiratoires thoraciques
(diaphragme,
intercostaux, etc…)
3
Les muscles respiratoires
• Les muscles respiratoires du tronc (diaphragme,
scalènes, intercostaux, abdominaux, etc…)
• Les muscles des voies aériennes supérieures
Intervention de la commande ventilatoire
4
Le cycle ventilatoire
Débit
0
0.5 L/S
VT : volume courant
TI : durée de l’inspiration
TE : durée de l’expiration
TTOT : durée du cycle ventilatoire
= période de la ventilation
=1/Fréquence ventilatoire
VT x F = VT/TTOT = V’E
5
Organisation temporelle de la commande
Homme
Chat
emg diaphragmatique
volume courant
Nerf phrénique
(inspiration)
VT
Constricteur des cordes
vocales (freinage
expiratoire)
temps
Nerf destiné aux
abdominaux
(expiration)
Bianchi et al., 1995
Ti
TE
TTOT
6
Organisation temporelle de la commande
Expiration
Temps
Activité
Phrénique
Volume
Courant
Inspiration
Expiration
Inspiration
Phase PostInspiratoire
7
Activité des Muscles
Dilatateurs des Voies
Aériennes Supérieures
Organisation spatio-temporelle de la commande
Activité
Phrénique
Temps
Expiration
Inspiration
Phase PostInspiratoire
8
Source de la commande de la ventilation
tronc cérébral
Une section du
tronc cérébral
abolit la
ventilation
9
Neurones respiratoires du tronc cérébral
Vue de dessus
Vue de profil
10
La commande automatique de la ventilation
Respiration
normale
La commande automatique de la ventilation
Respiration
normale
Respiration
irrégulière ++
La commande automatique de la ventilation
Respiration
normale
Respiration
irrégulière ++
Apnée
Neurones respiratoires du tronc cérébral
Volts
Neurone
inspiratoire
Potentiel de
Membrane
Décharge phrénique
(inspiration)
Potentiel de
Membrane
Décharge phrénique
(inspiration)
Neurone
Expiratoire
14
Bianchi et al., 1995
Différents types de neurones…
en fonction de la phase du cycle ventilatoire
Décharge du nerf phrénique
Hilaire et Pasaro, 2003, identification chez le chat
15
Modèles animaux
16
Modèle de tronc cérébral isolé superfusé
Modèle in vitro validé par établissement de relation entre le signal neurologique et l’activité
ventilatoire
17
18
Modèle de tronc cérébral isolé superfusé
Jeffrey et al, 1990
19
20
Gdovin et al., Respir Physiol 1998
21
Origine du rythme ventilatoire automatique
1ère Hypothèse :
Inhibition synaptique réciproque
Nécessite des ions Cl-
22
Origine du rythme ventilatoire automatique
2ème Hypothèse :
Présence de neurones se
dépolarisant automatiquement =
neurones pace maker
23
Origine du rythme ventilatoire automatique
Nerf phrénique (racine C4)
Tronc cérébral isolé de
rat nouveau-né
Liquide céphalorachidien artificiel sans
Cl24
25
26
Neurones pace-maker
Un milieu pauvre en Ca2+ et riche en Mg2+
empêche les synapses de fonctionner
Un neurone qui continue de décharger dans un tel
milieu est un neurone pace-maker puisqu’il est
capable de fonctionner sans recevoir d’information
d’autres neurones
27
REGIONS DU TC LIEES A LA RESPIRATION
28
Neurones pace-maker
complexe pré-Bötzinger
(générateur rythmique)
position caudale/noyau rétro-facial
position ventrale/noyau ambigu
en regard de l’émergence des
racines du XII
Smith et al, 1991
29
Localisation du complexe pré-Bötzinger
Noyau rétro-trapézoïde
Complexe de Bötzinger
Complexe pré-Bötzinger
Groupe respiratoire ventral
Noyau du tractus solitaire
30
Identification des neurones pré-Bötzinger
Expriment des récepteurs pour :
• Substance P (récepteur NK1)
• Somatostatine
• Opioïdes (récepteur µ)

Abolition de la ventilation
Gray et al, 1999
31
Groupe respiratoire para-facial
Un deuxième groupe de neurones pace-maker décharge
avant le complexe pré-Bötzinger
Rats nouveau-nés
32
Onimaru et Homma, 2003
Le groupe respiratoire para-facial gouverne l’Expiration
Animal « entier » décérébré
Activité inspiratoire
(génio-glosse)
Activité expiratoire
(abdominal)
Débit
Rats nouveau-nés
33
Janczewski et Feldman, 2006
Le groupe respiratoire para-facial gouverne l’Expiration
Section entre le groupe
respiratoire para-facial (pFRG) et
le complexe pré-Bötzinger
Persistance de l’activité inspiratoire
Disparition de l’activité expiratoire
Débit
VT
Janczewski et Feldman, 2006
34
L’expiration n’est pas abolie par les opioïdes
Effet du Fentanyl chez le rat nouveau-né, in vivo
Janczewski et al., 2002
35
L’expiration n’est pas abolie par les opioïdes
36
Expiration active (EA) induite chez le rat adulte
Respiration passive
EA
Deshinibition de l’EA par
des antagonistes du GABA et
par photostimulation (au
laser) du RTN/pFRG.
Le
rythmogenicité
du
RTN/pFRG presisterai à
l’âge adulte mais elle serait
supprimée par une inhibition
post synaptique.
Pagliardini et al., 2011
37
Expiration active (EA) induite chez le rat adulte
Des stimulation brèves du RTN/pFRG induisent le « reset » du
rythme: il existe un couplage de l’EA et de l’inspiration
Pagliardini et al., 2011
38
Interacations neuronales inspiratoires et pré-inspiratoires
Janczewski et al., 2002
39
Interactions des réseaux inspiratoires et pré-inspiratoires
Feldman et al., 2003
40
L’oscillateur parafacial embryonnaire: e-pF
E 14.5
Thoby Brisson et al., 2009
41
L’oscillateur parafacial embryonnaire: e-pF
E 15.5
42
Thoby Brisson et al., 2009
Conservation phylogénétique
du patron ventilatoire
43
44
Deux types de ventilation
Ventilation Branchiale
Ventilation Pulmonaire
45
46
47
Neurogramme Ventilatoire
du Chat
Cycle ventilatoire de la
grenouille
48
Wilson et al., 2000
49
Conservation Phylogénétique des Patrons Ventilatoires
Wilson et al., 2000
50
Origine du
générateur de la
ventilation
pulmonaire
51
Influences supra-pontiques et
corticales
52
Commandes de la ventilation humaine
une commande automatique
(tronc cérébral)
une commande corticale
(suprapontine et volontaire)
53
Le cortex cérébral face à une contrainte respiratoire
mécanique
• une charge inspiratoire évoque
un potentiel EEG précédant
l’inspiration
EEG
EMG
Pression
potentiel prémoteur
témoin très probable de
l’activation de l’aire motrice
supplémentaire
Raux M, J Physiol 2007 54
Raux M, Anesthesiology 2007
Le cortex cérébral face à une contrainte respiratoire
mécanique
55
Raux M, J Physiol 2007
Mécanismes corticaux de la compensation de charge inspiratoire
l’imagerie fonctionnelle précise les structures corticales
impliquées dans la compensation de charge
-12
-8
-4
0
4
8
-log(p)
12
16
56
Influences supra-pontiques et corticales
• Contrôle volontaire de la ventilation : apnée,
parole, chant…
• Contrôle comportemental:
rire, pleurs….
• Compensation des charges ventilatoires
mécaniques : résistances…
• Action excitatrice sur la ventilation à l’éveil
• Sensations respiratoires
57
Régulation neurovégétative de
la ventilation
58
59
Chémosensibilité centrale: réponse au CO2
réponse linéaire
60
Chémorécepteurs Centraux : situés dans le tronc cérébral
Sensibles à l’hypercapnie,
c’est à dire à une
augmentation de la PaCO2
A la surface ventrale du
bulbe rachidien
61
Régions chémosensibles du tronc cérébral du rat
Identification par micro-injections acides
• Noyau du tractus solitaire
• Noyau rétro-trapèzoïde
• Raphé bulbaire
Identification de neurones chémosensibles
• Bulbe rostro-ventro-latéral
• Locus coeruleus
62
Rôle du Noyau Retro-Trapezoïde : souris mutantes
63
Dubreuil et al, PNAS, 2008
Syndrome d’ondine
• Prévalence: 1 naissance sur 200.000 : maladie rare
• Génotype: mutation du gène PHOX2B : expansion d’alanines (5-9 résidus)
• Phénotypes:
Réponse au CO2 chez l’homme
Normal
Ondine
hypoventilation sévère et
mortelle pendant le
sommeil
Assistance respiratoire totale
par masque ou trachéotomie
réduction/absence totale de
réponse ventilatoire à
l’hypercapnie
64
Identification des neurones chémosensibles
65
Identification des neurones chémosensibles
66
Localisation des structures : Rythmogéniques (vert et
bleu) et Chémossensibles (orange)
Feldman et al., 2003
67
Sensibilité au CO2
70% de la réponse ventilatoire à
l’hypercapnie est due aux
chémorécepteurs centraux
68
Chémosensibilité périphérique: sensibilité à l’hypoxémie
100% de la réponse à
l’hypoxémie est située au
niveau de la crosse
aortique et du glomus
carotidien (cellules
glomiques de type I)
Les corpuscules carotidiens sont innervés par le nerf glosso-pharyngien.
Les corpuscules aortiques sont innervés par le nerf vague.
69
Sensibilité à l’hypoxémie
réponse hyperbolique
70
Sensibilité à l’hypoxémie
71
Stimulation d’afférences nerveuses
72
Réflexe de Hering-Breuer
Les afférences sont véhiculées par le nerf vague (X)
Il est induit par une augmentation de volume pulmonaire (mécanorécepteurs)
Il se traduit par un ralentissement de la fréquence respiratoire : l’inflation pulmonaire
prolonge l’expiration
73
Système dynamique et
ventilation
74
Systèmes dynamiques et ventilation
débit ventilatoire
chez l’homme, la dynamique du débit
ventilatoire est variable et complexe,
de type chaotique :
- Dépendant d’un processus déterministe
- Non linéaire
-Sensible aux conditions initiales
-Complexe
-Imprédictible à long terme
Wysocki M, Respir Physiol Neurobiol, 2006
stationnaire
point fixe
périodique
cycle limite
quasipériodique
Complexe
(chaotique)
tore
Attracteur
étrange
Fiamma MN, Am J Physiol, 2007
Fiamma MN, Respir Physiol Neurobiol, 2007
75
La trajectoire du débit ventilatoire d’allure Chaotique,
chez l’homme (au sens de la théorie du Chaos)
hypercapnie
hypocapnie
normocapnie
Fiamma et al.,
76 2007
La trajectoire du débit ventilatoire d’allure Chaotique,
chez l’homme (au sens de la théorie du Chaos)
patient tétraplégique ventilé par
stimulation phrénique implantée
sujet sain
77
Source de la complexité ventilatoire de type chaotique
La ventilation dépend d’au moins deux oscillateurs bulbaires en interaction :
Parafacial
Respiratory
group
1. le groupe respiratoire para-facial
(expiration)
2. le complexe Pré-Bötzinger
(inspiration),
Feldman et al.
Annu Rev Neurosci 2003
Le couplage de deux oscillateurs,
même périodiques, peut induire
une dynamique chaotique
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Source de la complexité ventilatoire de type chaotique
La source de l ’ allure chaotique de la
ventilation résiderait dans la commande
ventilatoire automatique située dans le
tronc cérébral
Mangin et al. Respir Physiol Neurobiol 2008
Fortrat et al., Biol Cybern1997
Yeragani et al. Neuropsychobiol 2002
Samara et al. Physiol Neurobiol, 2009
Del Negro et al. J Biophys 2002
Samara et al. En cours de79révision
Exploration de la
Commande Ventilatoire
Chez l’Homme
80
Chaîne de commande de la ventilation
Racines Nerveuses
Nerfs Moteurs
Muscles Respiratoires
Cage Thoracique
Parenchyme Pulmonaire
et Bronches
81
Le spirogramme
82
Spirogramme
83
Le cycle ventilatoire
Tortora et Grabowski aux éditions ERPI
84
Test au CO2
85
Test au CO2
86
Test au CO2
87
Pression d’occlusion
88
Courbe débit-volume
89
Courbe débit-volume
Volume
90
Courbe débit-volume
91
FIN…
92