Physiology · 3.4

呼吸中枢の局在と機能。呼吸の神経性・化学性調節。

Localization and function of the respiratory control centers. Neural and chemical control of the respiration.

応用トピック: 睡眠時無呼吸の症状、原因、診断呼吸困難の鑑別診断乳幼児突然死症候群呼吸困難酸素療法閉塞性睡眠時無呼吸・中枢性無呼吸・肥満低換気症候群治療の原則
症状: 呼吸抑制
検査値: 高CO2血症

🧠 呼吸中枢respiratory center呼吸中枢（respiratory center）respiratory center（呼吸中枢）は「延髄がリズムの発生源、橋がそのリズムの微調整fine tuning微調整（fine tuning）fine tuning（微調整）役」という役割分担で理解する。そして呼吸の駆動因子driver駆動因子（driver）driver（駆動因子）は中枢化学受容器central chemoreceptor中枢化学受容器（central chemoreceptor）central chemoreceptor（中枢化学受容器）（central chemoreceptor、CO₂/H⁺、最重要）・末梢化学受容器peripheral chemoreceptor, PCR末梢化学受容器（peripheral chemoreceptor, PCR）peripheral chemoreceptor, PCR（末梢化学受容器）（peripheral chemoreceptor、O₂、バックアップ）・機械受容器mechanoreceptor機械受容器（mechanoreceptor）mechanoreceptor（機械受容器）（mechanoreceptor、過伸展hyperextension過伸展（hyperextension）hyperextension（過伸展）防止）・皮質（cortex、随意）の4系統——「何を測って」「どこで統合され」「どう修飾するか」という共通の枠組みですべてを整理する。

呼吸筋と脊髄損傷

相	筋
吸気	横隔膜（diaphragm、横隔神経phrenic nerve横隔神経（phrenic nerve）phrenic nerve（横隔神経）、C4由来）、外肋間筋external intercostal muscle外肋間筋（external intercostal muscle）external intercostal muscle（外肋間筋）、斜角筋scalene muscles斜角筋（scalene muscles）scalene muscles（斜角筋）（主に運動時）
呼気	安静時は受動的。努力呼気forced expiration努力呼気（forced expiration）forced expiration（努力呼気）時のみ内肋間筋internal intercostal内肋間筋（internal intercostal）internal intercostal（内肋間筋）・腹筋群が働く

⚠️ 骨格筋は神経支配なしに収縮できない。 C4より上位upper上位（upper）upper（上位）の脊髄損傷spinal cord injury, SCI脊髄損傷（spinal cord injury, SCI）spinal cord injury, SCI（脊髄損傷）は延髄呼吸中枢medullary respiratory center延髄呼吸中枢（medullary respiratory center）medullary respiratory center（延髄呼吸中枢）と横隔神経phrenic nerve横隔神経（phrenic nerve）phrenic nerve（横隔神経）の接続を断ち、呼吸停止respiratory arrest呼吸停止（respiratory arrest）respiratory arrest（呼吸停止）（人工呼吸なしでは約5分で死亡）を招く。C4より下位lower下位（lower）lower（下位）の損傷では横隔膜の支配は保たれ、呼吸のみで生存可能viable生存可能（viable）viable（生存可能）——呼吸は体性神経somatic nerve体性神経（somatic nerve）somatic nerve（体性神経）系（自律神経系autonomic nervous system (ANS)自律神経系（autonomic nervous system (ANS)）autonomic nervous system (ANS)（自律神経系）ではない）に支配されるという原則の臨床的帰結。

呼吸中枢の局在

延髄と橋に位置する。

中枢	局在	機能
背側呼吸群dorsal respiratory group背側呼吸群（dorsal respiratory group）dorsal respiratory group（背側呼吸群）	延髄網様体medullary reticular formation延髄網様体（medullary reticular formation）medullary reticular formation（延髄網様体）	吸気出力（pre-Bötzinger複合体が基本リズムを作り、横隔神経phrenic nerve横隔神経（phrenic nerve）phrenic nerve（横隔神経）へ反復性のAP出力を送る）
腹側呼吸群ventral respiratory group腹側呼吸群（ventral respiratory group）ventral respiratory group（腹側呼吸群）	疑核nucleus ambiguus疑核（nucleus ambiguus）nucleus ambiguus（疑核）・後疑核nucleus ambiguus疑核（nucleus ambiguus）nucleus ambiguus（疑核）領域（吻側rostral吻側（rostral）rostral（吻側）にBötzinger複合体・pre-Bötzinger複合体）	呼気（安静時は不活動、努力呼気forced expiration努力呼気（forced expiration）forced expiration（努力呼気）で活性化）
橋呼吸群pontine respiratory group橋呼吸群（pontine respiratory group）pontine respiratory group（橋呼吸群）（pontine respiratory group, PRG、無呼吸中枢pneumotaxic region無呼吸中枢（pneumotaxic region）pneumotaxic region（無呼吸中枢）＋持続性吸息中枢apneustic center持続性吸息中枢（apneustic center）apneustic center（持続性吸息中枢））	橋	リズムの微調整fine tuning微調整（fine tuning）fine tuning（微調整）

flowchart TD
  A["延髄：吸気中枢（pre-Bötzinger複合体）"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='phrenic nerve'>横隔神経</span>を介し反復性AP"| B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='diaphragmatic contraction'>横隔膜収縮</span>=吸気"]
  C["橋：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='apneustic center'>持続性吸息中枢</span>"] -->|"吸気延長信号"| A
  D["橋：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pneumotaxic center'>呼吸調節中枢</span>"] -->|"吸気を打ち切る（switch off）"| A
  E["迷走神経の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='slowly adapting stretch receptor'>肺伸展受容器</span>"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hyperextension'>過伸展</span>を検出→抑制"| C

持続性吸息中枢apneustic center持続性吸息中枢（apneustic center）apneustic center（持続性吸息中枢）： 延髄の背側呼吸中枢respiratory center呼吸中枢（respiratory center）respiratory center（呼吸中枢）へ信号を送り、橋の呼吸調節中枢pneumotaxic center呼吸調節中枢（pneumotaxic center）pneumotaxic center（呼吸調節中枢）による吸気の「スイッチオフ」を遅らせる——呼吸の強度（深さ）を調節。
呼吸調節中枢pneumotaxic center呼吸調節中枢（pneumotaxic center）pneumotaxic center（呼吸調節中枢）： 吸気を打ち切り、1回換気量と呼吸数を制御する。ただしこの中枢がなくても正常な呼吸は持続しうる（必須ではない）。
大脳皮質： 呼吸中枢respiratory center呼吸中枢（respiratory center）respiratory center（呼吸中枢）を一時的に上書きできる（随意的voluntary随意的（voluntary）voluntary（随意的）な過換気hyperventilation過換気（hyperventilation）hyperventilation（過換気）・息止め）。ただし限界に達すると延髄中枢が優位になり、意識消失loss of consciousness意識消失（loss of consciousness）loss of consciousness（意識消失）後に自動呼吸が再開する。

呼吸調節の4系統

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='acceptor / respiratory control'>呼吸調節</span>"]
  A --> B["1. <span class='jp-term jp-term-diagram' title='CCR'>中枢化学受容器</span>：CO2/H+"]
  A --> C["2. <span class='jp-term jp-term-diagram' title='PCR'>末梢化学受容器</span>：O2主体"]
  A --> D["3. <span class='jp-term jp-term-diagram' title='cortical control'>皮質性調節</span>：随意"]
  A --> E["4. <span class='jp-term jp-term-diagram' title='mechanoreceptor'>機械受容器</span>・反射：肺伸展など"]

1. 中枢化学受容器

延髄腹外側部ventrolateral medulla延髄腹外側部（ventrolateral medulla）ventrolateral medulla（延髄腹外側部）に位置し、呼吸中枢respiratory center呼吸中枢（respiratory center）respiratory center（呼吸中枢）のすぐ近傍にある。1mmHgのpCO₂変化で2〜4L/分の換気変化が生じるほど高感度。

💡 CCRが実際に感知するのはH⁺であり、CO₂そのものではない。 血中のH⁺・HCO₃⁻は血液脳関門を通過できないため血液のpHは直接CCRに影響しないが、CO₂は血液脳関門を自由に拡散通過し、脳内の間質液interstitial fluid間質液（interstitial fluid）interstitial fluid（間質液）中で炭酸脱水酵素carbonic anhydrase炭酸脱水酵素（carbonic anhydrase）carbonic anhydrase（炭酸脱水酵素）反応によりH⁺を生じさせる。血中CO₂上昇→脳間質のH⁺上昇（pH低下）→CCR刺激→換気亢進、という間接的な経路。

⚠️ CCRは慢性的chronic慢性的（chronic）chronic（慢性的）なCO₂上昇に強く順応adaptation順応（adaptation）adaptation（順応）する。 慢性呼吸不全chronic respiratory failure慢性呼吸不全（chronic respiratory failure）chronic respiratory failure（慢性呼吸不全）の患者では慢性的chronic慢性的（chronic）chronic（慢性的）な高pCO₂に対しCCRの感受性が低下し、代わりに低pO₂（低酸素性hypoxic / hypoxemic低酸素性（hypoxic / hypoxemic）hypoxic / hypoxemic（低酸素性）駆動, hypoxic drive）が呼吸の主要な駆動力driving force駆動力（driving force）driving force（駆動力）になりうる——このような患者に高濃度酸素を投与すると低酸素性hypoxic / hypoxemic低酸素性（hypoxic / hypoxemic）hypoxic / hypoxemic（低酸素性）駆動が消失し呼吸抑制を招くリスクがある、という臨床的含意につながる。

2. 末梢化学受容器

頸動脈小体carotid body頸動脈小体（carotid body）carotid body（頸動脈小体）・大動脈小体aortic body大動脈小体（aortic body）aortic body（大動脈小体）に位置し、迷走神経（および舌咽神経glossopharyngeal nerve, IX舌咽神経（glossopharyngeal nerve, IX）glossopharyngeal nerve, IX（舌咽神経））を介して脳幹呼吸中枢respiratory center呼吸中枢（respiratory center）respiratory center（呼吸中枢）へ情報を送る。PCRのみが動脈血pO₂に直接応答できる化学受容器chemoreceptor化学受容器（chemoreceptor）chemoreceptor（化学受容器）。 pCO₂上昇、pH低下、[K⁺]上昇にも感受性を持つ。

⭐ pO₂低下による換気刺激は、動脈pO₂が約60mmHg未満に低下して初めて顕著になる。 さらに、換気亢進はCO₂を洗い流しpCO₂を低下させるため、このpCO₂低下自体が換気を抑制するブレーキとして働き、pO₂低下単独の効果を相殺cancellation相殺（cancellation）cancellation（相殺）してしまう——低酸素刺激の効果がpCO₂一定条件下でしか明確に現れない理由。

pCO₂-換気関係へのpHの影響： アシドーシス（pH↓）はpCO₂-換気曲線を左方シフトleft shift左方シフト（left shift）left shift（左方シフト）させる——同じpCO₂でもより高い換気が生じる。つまり酸性血症はpCO₂の換気への効果を増強する。

3. 皮質性調節

皮質から脊髄への経路は延髄呼吸中枢medullary respiratory center延髄呼吸中枢（medullary respiratory center）medullary respiratory center（延髄呼吸中枢）を迂回する。長時間の息止めは最終的に延髄中枢の活動が皮質の抑制を上書きし、強制的に吸気を起こす。運動時、皮質は運動筋への指令と同時に呼吸中枢respiratory center呼吸中枢（respiratory center）respiratory center（呼吸中枢）へも入力を送り、CO₂産生量と肺胞換気量alveolar ventilation, V_A肺胞換気量（alveolar ventilation, V_A）alveolar ventilation, V_A（肺胞換気量）が並行して変化する（ $P_{ACO_2}$ を一定に保つ、3-01-lung-volumes-dead-space-in-the-breathing-apparatus-alveolar-ventilation参照）ことに寄与する。

4. その他の反射性入力

受容器	局在	求心路afferent pathways求心路（afferent pathways）afferent pathways（求心路）	刺激	反応
肺伸展受容器slowly adapting stretch receptor肺伸展受容器（slowly adapting stretch receptor）slowly adapting stretch receptor（肺伸展受容器）	気管支平滑筋bronchial smooth muscle気管支平滑筋（bronchial smooth muscle）bronchial smooth muscle（気管支平滑筋）	迷走神経	伸展	吸気抑制（Hering-Breuer反射）
刺激受容器rapidly adapting irritant receptor刺激受容器（rapidly adapting irritant receptor）rapidly adapting irritant receptor（刺激受容器）	上皮細胞間	迷走神経	化学物質chemical substance化学物質（chemical substance）chemical substance（化学物質）（煙・粉塵dust粉塵（dust）dust（粉塵）・ヒスタミン）	咳嗽、気管支収縮bronchoconstriction気管支収縮（bronchoconstriction）bronchoconstriction（気管支収縮）、過呼吸hyperpnea過呼吸（hyperpnea）hyperpnea（過呼吸）、粘液分泌↑
傍毛細血管受容器juxtacapillary receptor傍毛細血管受容器（juxtacapillary receptor）juxtacapillary receptor（傍毛細血管受容器）（J受容体）	肺毛細血管壁pulmonary capillary wall肺毛細血管壁（pulmonary capillary wall）pulmonary capillary wall（肺毛細血管壁）	迷走神経	肺の過伸展hyperextension過伸展（hyperextension）hyperextension（過伸展）、肺水腫	無呼吸、気管支収縮bronchoconstriction気管支収縮（bronchoconstriction）bronchoconstriction（気管支収縮）、徐脈、血圧上昇elevated blood pressure血圧上昇（elevated blood pressure）elevated blood pressure（血圧上昇）

Hering-Breuer反射： 大きな吸気による肺の過伸展hyperextension過伸展（hyperextension）hyperextension（過伸展）を肺伸展受容器slowly adapting stretch receptor肺伸展受容器（slowly adapting stretch receptor）slowly adapting stretch receptor（肺伸展受容器）が感知し、迷走神経を介して延髄へ信号を送り呼吸数を減少させる——肺の過膨張hyperinflation過膨張（hyperinflation）hyperinflation（過膨張）を防ぐ保護反射。

関節・筋固有受容器proprioceptor固有受容器（proprioceptor）proprioceptor（固有受容器）： 運動に伴う関節運動の増加で活性化し、迷走神経を介さず（体性感覚経路で）呼吸中枢respiratory center呼吸中枢（respiratory center）respiratory center（呼吸中枢）を刺激——運動早期からの換気亢進に寄与。

大脳辺縁系limbic system大脳辺縁系（limbic system）limbic system（大脳辺縁系）・視床下部： 情動状態による呼吸変化（興奮時の呼吸増加）を仲介mediate仲介（mediate）mediate（仲介）。

圧受容器baroreceptor圧受容器（baroreceptor）baroreceptor（圧受容器）： 血圧低下時に活性化し、循環反応だけでなく換気亢進も引き起こす——ただし極端な状況でのみ働く保護的な反射。

⭐ 化学受容器chemoreceptor化学受容器（chemoreceptor）chemoreceptor（化学受容器）と圧受容器baroreceptor圧受容器（baroreceptor）baroreceptor（圧受容器）はいずれも「通常運転」ではなく「保護的（防御的）」な機能として理解する。平時の呼吸リズムは延髄・橋の内因性ネットワークが作り出し、これらの受容器は異常事態（低酸素・低血圧など）への安全弁として働く。

まとめ

呼吸のリズムは延髄（DRG=吸気、VRGのpre-Bötzinger複合体=基本リズム発生源）が作り、橋（持続性吸息中枢apneustic center持続性吸息中枢（apneustic center）apneustic center（持続性吸息中枢）・呼吸調節中枢pneumotaxic center呼吸調節中枢（pneumotaxic center）pneumotaxic center（呼吸調節中枢））が微調整fine tuning微調整（fine tuning）fine tuning（微調整）する。
中枢化学受容器central chemoreceptor中枢化学受容器（central chemoreceptor）central chemoreceptor（中枢化学受容器）はCO₂由来のH⁺（血液脳関門を介した間接経路）に応答し最も感度が高いが、慢性CO₂上昇に順応adaptation順応（adaptation）adaptation（順応）する。
末梢化学受容器peripheral chemoreceptor, PCR末梢化学受容器（peripheral chemoreceptor, PCR）peripheral chemoreceptor, PCR（末梢化学受容器）（頸動脈小体carotid body頸動脈小体（carotid body）carotid body（頸動脈小体）・大動脈小体aortic body大動脈小体（aortic body）aortic body（大動脈小体））は動脈pO₂に直接応答できる唯一の化学受容器chemoreceptor化学受容器（chemoreceptor）chemoreceptor（化学受容器）で、pO₂<60mmHgで顕著に働く。
Hering-Breuer反射（肺伸展受容器slowly adapting stretch receptor肺伸展受容器（slowly adapting stretch receptor）slowly adapting stretch receptor（肺伸展受容器））は過膨張hyperinflation過膨張（hyperinflation）hyperinflation（過膨張）を防ぎ、皮質性調節cortical control皮質性調節（cortical control）cortical control（皮質性調節）は運動時にCO₂産生と換気を並行して増加させる。化学受容器chemoreceptor化学受容器（chemoreceptor）chemoreceptor（化学受容器）・圧受容器baroreceptor圧受容器（baroreceptor）baroreceptor（圧受容器）は主に保護的機能を担う。