Hierarchische Organisation des Atemzentrums
Das Atemzentrum ist nach einem strikten Prinzip aufgebaut: Je höher ein Hirnabschnitt liegt, desto komplexer ist seine Verbindung mit der äußeren Atmung. Übergeordnete Strukturen beeinflussen die untergeordneten und gewährleisten so die Anpassungsfähigkeit der Atmung.
- Großhirnrinde (insbesondere präfrontale Areale): Übt die oberste Kontrolle aus. Sie reguliert die Atmung entsprechend der Verhaltensaktivität und sozial bedeutsamen Reaktionen.
- Kleinhirn: „synchronisiert“ die Atembewegungen mit der motorischen Aktivität.
- Hypothalamus und Formatio reticularis: Integrieren die Atmung in emotionale und vegetative Reaktionen.
- Pons: Enthält zwei wichtige Zentren. Im oberen Teil befindet sich das pneumotaktische Zentrum, das die Atmung steuert und den Übergang von der Inspiration zur Exspiration reguliert. Im unteren Teil liegt das apneustische Zentrum, welches die Inspiration stimuliert.
- Medulla oblongata (bulbäres Zentrum): Dient als Hauptgenerator des Atemrhythmus. Hier sind inspiratorische und exspiratorische Neurone lokalisiert (Schlüsselansammlungen sind der Nucleus tractus solitarius und der Nucleus retroambiguus).
- Rückenmark (motorische Zentren): Das ausführende Glied. Die zervikalen Segmente ($C_3-C_5$) innervieren das Diaphragma über den N. phrenicus. Die thorakalen Segmente ($Th_1$ und abwärts) steuern die Interkostalmuskulatur.
Einfluss von Durchtrennungen auf die Atmung (Lumsden-Versuche)
Im Jahr 1924 wies der Physiologe Lumsden die Rollenverteilung im Atemzentrum nach, indem er Tranisektionen (Durchtrennungen) des Hirns auf verschiedenen Ebenen durchführte:
- Oberster Rand des Mittelhirns: Die Atmung bleibt regelmäßig und gleichmäßig. Dies beweist, dass Großhirn und Zwischenhirn den Prozess lediglich modulieren, aber für den Grundrhythmus nicht kritisch sind.
- Oberster Rand der Pons: Das pneumotaktische Zentrum bleibt intakt, die Atmung bleibt erhalten. Greift die Durchtrennung jedoch so in die Pons ein, dass das apneustische Zentrum dominiert, wird die Atmung rhythmisch, allerdings mit langen Pausen und einer Atemanhalten in der Exspiration.
- Oberster Rand der Medulla oblongata: Die Atmung bleibt erhalten (das Zentrum ist autonom), aber das Muster ändert sich drastisch. Es tritt Gasping auf — eine krampfartige Atmung des isolierten bulbären Zentrums.
- Oberster Rand des Rückenmarks (C1): Es tritt ein vollständiger Atemstillstand (Apnoe) ein. Das bulbäre Atemzentrum wird von den spinalen Motoneuronen getrennt, Impulse erreichen die Muskeln nicht mehr.
- Zwischen zervikalen und thorakalen Segmenten: Die Interkostalmuskulatur fällt aus, aber die Zwerchfellatmung bleibt erhalten, da die Verbindung des Hirnstamms mit den Kernen des N. phrenicus ($C_3-C_5$) nicht gestört ist.
Automatie und Klassifikation der Atemneurone
Die Neurone des bulbären Zentrums arbeiten rhythmisch. Ihre Aktivität ist streng an die Phasen des Atemzyklus (Inspiration oder Exspiration) gekoppelt und äußert sich in einer Frequenzerhöhung der Impulse. Die Atemneurone sind über direkte und indirekte Rückkopplungen, aktivierende Wechselwirkungen und reziproke Hemmung zu einem Netzwerk verschaltet.
Klassifikation der Neurone nach Aktivitätszeitpunkt:
- „Frühe“ Neurone: Werden zu Beginn der Inspirations- oder Exspirationsphase aktiviert.
- „Späte“ Neurone: Schalten sich am Ende der Phase zu (z. B. liegt der Aktivitätsgipfel der späten inspiratorischen Neurone kurz vor der Exspiration).
- „Vollständige“ Neurone: Sind während des gesamten Inspirations- oder Exspirationsaktes aktiv.
- Übergangsneurone (inspiratorisch-exspiratorische und exspiratorisch-inspiratorische): Werden am Übergang der Phasen aktiviert und sorgen für einen glatten Zykluswechsel.
- Hintergrundneurone („kontinuierliche“ Neurone): Weisen eine tonische Aktivität auf und arbeiten unabhängig von der aktuellen Atemphase ohne Pausen.
Kurz gefasst: Antworten auf Fragen zum Thema
In welche wesentlichen funktionellen Gruppen (Komplexe) werden die Neurone des bulbären Atemzentrums unterteilt?
Die Neurone des bulbären Atemzentrums werden in zwei anatomische Hauptgruppen unterteilt und zudem nach den Phasen des Atemzyklus klassifiziert.
- Dorsale Gruppe – besteht zu 90 % aus Inspirationsneuronen.
- Ventrale Gruppe — enthält die Mehrheit der exspiratorischen Neurone, die in der Nähe des Nucleus ambiguus liegen.
Nach dem Aktivierungszeitpunkt unterscheidet man:
- Frühe und späte inspiratorische und exspiratorische Neurone.
- Vollständige inspiratorische und exspiratorische Neurone.
- Inspiratorisch-exspiratorische und exspiratorisch-inspiratorische (Übergangsneurone an den Phasengrenzen).
- Hintergrundneurone (kontinuierliche Neurone) — weisen eine konstante tonische Aktivität auf.
Welche Rezeptoren vermitteln die afferente Impulsliebung zum Atemzentrum?
Die afferente Impulsliebung zum Atemzentrum wird durch periphere Rezeptoren vermittelt: Mechanorezeptoren der Atemwege/Lunge und periphere Chemorezeptoren.
- Mechanorezeptoren der Lunge und der Atemwege reagieren auf die Dehnung des Lungengewebes; langsam adaptierende Dehnungsrezeptoren sind in der glatten Muskulatur von Trachea und Bronchien lokalisiert und werden bei der Inspiration aktiviert. Impulse von den Dehnungsrezeptoren ziehen über afferente Fasern des N. vagus zu den Atemneuronen.
- Periphere Chemorezeptoren befinden sich in den Glomera carotica im Bereich der Karotisbifurkation und im Aortenbogen bzw. in den Glomera aortica. Sie reagieren auf Veränderungen der Blutgaszusammensetzung: $O_2$, $CO_2$, pH; in Quellen werden zudem $H^+$, $pCO_2$ und ein Absinken des $pO_2$ genannt.
- Die zentralen Chemorezeptoren der Medulla oblongata gehören zu den direkten humoralen Einflüssen auf das Atemzentrum und nicht zur afferenten Impulsliebung von peripheren Rezeptoren.
Worin besteht der Hering-Breuer-Reflex und wie beeinflusst er das Atemzentrum?
Der Hering-Breuer-Reflex besteht in der reflexartigen Hemmung der Inspiration bei Dehnung der Lunge.
Eine künstliche Blähung der Lunge erregt die Dehnungsrezeptoren, von denen afferente Impulse über Fasern des N. vagus (N. vagus) zu den Atemneuronen geleitet werden. Dies führt zu einer Hemmung der Inspiration und dem Umschalten auf die Exspiration. Eine abrupte Verringerung des Lungenvolumens hemmt im Gegensatz dazu die Exspiration und aktiviert die Inspiration. Dieser Reflex steuert Tiefe und Frequenz der Atmung über einen Rückkopplungsmechanismus und schützt die Lunge bei forcierter Atmung vor Überdehnung.
Welche humoralen Faktoren haben den größten Einfluss auf die Aktivität des Atemzentrums?
Den größten humoralen Einfluss auf die Aktivität des Atemzentrums haben Kohlendioxid, Wasserstoffionen und Sauerstoff.
- Kohlendioxid — ist der Hauptstimulator der Aktivität des Atemzentrums und passiert leicht die Blut-Hirn-Schranke.
- Wasserstoffionen — entstehen lokal in der interstitiellen Flüssigkeit des Hirnstamms aus Kohlendioxid und dienen als eigentlicher wirksamer Faktor, der die zentralen Chemorezeptoren erregt.
- Sauerstoff — sein Mangel (Hypoxie) im Blut wird von peripheren Chemorezeptoren wahrgenommen und stimuliert das Atemzentrum, wodurch die Lungen ventilation zunimmt.
Die Hierarchie der Hirnstammzentren lässt sich von oben nach unten leicht merken: Pneumotaktisches Zentrum (Pons) → Apneustisches Zentrum (untere Pons) → Bulbäres Zentrum (Medulla oblongata, Basis).
Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen
Wo befindet sich der Hauptgenerator des Atemrhythmus?
Der primäre Rhythmusgenerator ist in der Medulla oblongata (bulbäres Zentrum) lokalisiert. Schlüssestrukturen sind hier der Nucleus tractus solitarius und der Nucleus retroambiguus.
Was geschieht bei einer Rückenmarksverletzung auf Höhe der oberen Zervikalsegmente (C1)?
Es tritt ein vollständiger Atemstillstand (Apnoe) ein. Das Atemzentrum des Hirnstamms verliert die Verbindung zu allen ausführenden Motoneuronen des Diaphragmas und der Interkostalmuskulatur.
Welche Funktion hat das pneumotaxische Zentrum?
Das pneumotaktische Zentrum befindet sich in der Pons und ist für die rechtzeitige Umschaltung der Atemphasen — den Wechsel von Inspiration zu Exspiration — verantwortlich.
Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt
- Mechanismen der reziproken Hemmung zwischen inspiratorischen und exspiratorischen Neuronen
- Die Rolle des Nucleus tractus solitarius bei der Regulation der Atmung
- Einfluss des Hypothalamus auf die Atmung bei verschiedenen emotionalen Reaktionen
- Das Muster des Gaspings und der krampfartigen Atmung beim isolierten bulbären Zentrum
Arbeiten Sie das Thema komplett im Kurs «Physiologie» durch
Hier ist die Zusammenfassung. Im Kurs finden Sie alles, was in Vorlesung und Prüfung gefragt wird.
- Vollständiges Skript zum Thema „Atemzentrum“ und weitere 4.128 Seiten des Fachgebiets
- Aufgaben und Tests nach jedem Thema – wie beim Kolloquium
- Der KI-Tutor beantwortet Ihre Fragen zum Thema jederzeit
- 114 Videolektionen zum Fach
Weitere Themen im Bereich „Atmung“
Kostenlose Video-Tutorials: PhysiologieKurze Lektionen mit Zusammenfassungen — ohne Registrierung.
Das Material wurde von Dozenten von WhiteCoat Pro nach dem Lehrplan medizinischer Hochschulen erstellt. Es hat Bildungscharakter.