摘要
呼吸肌在呼吸感觉的起源中起着重要的作用。解剖膈肌和其他吸气肌的作用的资料很少。本研究旨在确定吸气阻力负荷后膈肌功能障碍对呼吸相关诱发电位的影响,该诱发电位被认为是某些类型呼吸感觉的神经生理学基础。
总共有9名25-50岁的受试者(6名女性)参与了这项研究。在吸气阻力负荷挑战前后,研究了中吸气阻塞后颈部磁刺激(食道和胃部分的亚区)和呼吸相关诱发电位(国际10-20系统中的C3和C4衍生)的经横膈膜压力输出。
在7名受试者中观察到主要的膈肌功能障碍(经膈压从27.25-19.91 cmH平均降低28%20,随食管-胃压比增加)。呼吸相关诱发电位各成分的潜伏期和波幅均未发生变化。
研究结论是,显著的膈肌疲劳并不影响呼吸相关的诱发电位。
这项研究得到了巴黎Universités总理府三年研究合同“Legs Poix”和法国巴黎Développement et l'Organisation de la recherche en Pneumologie协会(ADOREP)的支持。
呼吸感觉通常被认为是由中央呼吸驱动、相应的呼吸肌肉产生的力量和复杂的传入反馈之间的平衡所导致的1.与吸气负荷相关的变化的神经处理过程允许正常人探测它们,识别它们的性质(如。电阻与弹性),估计它们的大小,然后相应地适应它们的存在。相应的感觉提供了一种警报系统,这种缺陷可能是呼吸系统疾病的相关病理生理决定因素(如。某些严重类型的哮喘与吸气负荷的钝感有关2).
有相当多的证据证明了吸气肌肉和胸腔在检测额外吸气负荷中的作用3..呼吸肌肉功能也调节呼吸感觉。吸气力量训练不改变负荷检测,但降低了感知阻力和弹性负荷的幅度4.相反,在全球范围内吸气肌肉的减弱会加重吸气的力度5,6.这与上肢肌肉发生的情况类似,上肢肌肉疲劳的发展会增加对举起物体的感知重量7,并说明了呼吸肌传入在呼吸感觉发生中的作用。另一个说明这一贡献的例子是皮层处理呼吸肌传入的神经生理学证据。肋间的刺激8和膈9,10传入确实唤起了人类的大脑潜能。连续地,横膈膜疲劳已被证明改变猫的膈皮质电位11.然而,在人类中这种变化似乎还没有报道过。
研究呼吸传入的皮层处理的一个简单方法是记录在气道开放处重复吸气阻塞后的大脑活动(呼吸相关诱发电位(RREP)),尽管这种活动的确切来源还不清楚。RREP第一个正分量的振幅随克服阻力性吸气负荷所需的吸气力度而变化12.这与相应的横膈膜压力和主观大小估计有关12,13.因此,呼吸肌传入可能参与了RREP的发生。在这种情况下,观察急性吸气肌功能障碍时RREP体感觉成分的振幅变化,将证实相应的吸气肌信息感觉加工的变化。
膈肌和膈外吸气肌对呼吸感觉的贡献似乎是不同的14,15.本研究旨在通过实验降低隔膜产生压力的能力,同时尽可能保留胸腔肌肉的效果16,介绍了RREP的特点。
材料和方法
主题
在完成法国对人类志愿者进行生物医学研究的法律程序后,9名白人受试者参与了这项研究(6名女性,3名男性;年龄在25 - 50岁;身高159 - 192厘米;体重48 - 100公斤)。他们被详细告知研究的目的和使用的方法,并给予书面同意。在实验前的48小时内,受试者被要求避免睡眠不足,避免任何酒精和精神药物的消费,并在研究当天少吃。
测量数据和程序
呼吸电路
受试者戴着鼻夹,通过一个带法兰的吹口和一个加热的汉斯-鲁道夫气速记录仪(3700系列;Hans Rudolph, Kansas City, MO, USA)连接到±2 cmH2O线性差压传感器(Validyne, Northridge, CA, USA),用于测量通风流量。气速记录仪串联安装在一个非再呼吸二通阀上(2600系列;Hans- rudolf 9340系列闭塞阀和9330系列压缩机;汉斯·鲁道夫)。使用压差传感器(DP 15-32;Validyne)。
腹部位移
用机械应变计(Nihon Kohden, Tokyo, Japan)监测腹围的变化,该应变计连接在脐带水平处的松紧带上。
压力
食管压力(P西文)及胃压(P遗传算法)通过连接两个Validyne MP45线性差压传感器(Validyne, Northridge, CA, USA)的两根球囊导管(薄壁球囊密封在远端侧孔聚乙烯导管上,长度60cm,内径1.7 mm)进行测量。Transdiaphragmatic压力(P迪),通过连接P西文和P遗传算法第三个相同类型的换能器的导管。P迪一直在电脑屏幕上显示给受试者。
表面隔膜肌动电流图
使用贴在皮肤上的一次性银杯电极获得右侧和左侧肋膈肌电活动的表面记录17,以评估膈神经刺激的有效性和重现性18.信号被馈送到放大器(Nihon Kohden),采样率为10 kHz,带宽为20 Hz-5 kHz。
颈磁刺激
根据上述技术进行颈椎磁刺激(CMS)19,20.,使用Magstim 200刺激器(Magstim, Whitland, Dyfed, UK)配备90毫米圆形线圈(峰值磁场2.5特斯拉)。所有的刺激都是在放松呼气结束时进行的,从腹围轨迹判断,以及P西文和P迪痕迹,与声门关闭。从简化的补充曲线(横隔膜准同步动作电位的振幅)验证后,系统地使用刺激器的最大刺激强度与刺激强度),它对应于一个超最大值的反应。只有当CMS对应的肌电反应振幅与先前确定的最大振幅相匹配时,在疲劳前后才保留膈肌抽搐进行分析。由CMS诱导的膈肌抽搐所产生的食管、胃和膈肌压力波动幅度(P,太瓦,Pga, tw,Pdi, tw分别从基线到峰值进行测量。
呼吸相关诱发电位
在头皮C位置放置标准表面电极记录脑电图活动(EEG)ZC3.C4在国际10-20体系的基础上21.C3.和C4参考CZ分别记录左侧和右侧的活动。接地电极放置在左耳垂上。监测电极阻抗并保持在<5 kOhms。脑电图电极被连接到一个标准的放大器系统(Nihon Kohden)。在0.5 - 500hz的带宽上以1khz的速率采样信号。呼吸相关电位由中吸气闭塞引起22.为了确保信号的即时重现性,在每种研究条件下分别对80次闭塞呼吸进行了两次平均测量,并将结果进行了叠加。控制信号是通过平均相同次数的未闭塞呼吸获得的。根据达文波特的平均口腔压力曲线,从吸气开始测量RREP第1阳性(P1)、第1阴性(N1)、第2阳性(P2)和第2阴性(N2)成分的峰值潜伏期et al。23.从基线到峰值测量RREP P1分量的振幅。N1、P2和N2组分的振幅分别从峰值到峰值(P1‐N1、N1‐P2和P2‐N2)进行测量。
最大静态横膈膜压力
最大静态P迪(Pdi,马克斯)是通过要求受试者从功能剩余容量对阻塞的气道进行吸气努力,并以视觉反馈来确定P迪信号。对于操作的类型没有给出任何指示。三次尝试中最好的一次被保留了下来。
隔膜的挑战
为了剧烈地改变隔膜功能,受试者被要求在吸气时对抗吸气阻力P迪总计60%Pdi,马克斯吸气时间达到呼吸周期的50%,并进行强有力的口头指导,直到任务失败为止。本方案是根据内部观察选择的,这些观察表明,在没有吸气负荷经验的受试者中,膈肌的贡献往往会导致吸气肌输出的变化。在作者的经验中,这个结果是不需要标准化的参考文献Pdi,马克斯在加载过程中使用的动作和肌肉补充的模式。作者认为主要的膈肌功能障碍出现时,减少Pdi, tw≥10%,以aP,太瓦:Pga, tw改变或增加16.
实验条件及顺序
受试者坐着(呼吸压力测量和疲劳测试)或半卧着(呼吸相关诱发电位),腹部未捆绑,坐在躺椅上,背部、颈部和头部舒适地支撑。他们被要求放松,但要保持眼睛睁开,以避免入睡或产生缓慢的脑电波的风险。在实验过程中,受试者戴上耳塞和耳机,听自己选择的安静音乐片段,以掩盖实验室的听觉氛围。
在完成实验设置后,收集基线RREPPdi,马克斯是确定。然后收集基线膈肌抽搐,并进行急性负荷手术。任务失败后立即再次采集RREP,之后再次获取膈肌抽搐。
统计分析
数据用平均值±sd表示。由于样本量较小,且避免对RREP特征分布进行假设,故采用非参数方式进行分析。采用Wilcoxon检验吸气负荷对抽动压力的影响。关于区域rep,采取了两个步骤。首先,当给定推导过程中给定分量的观测值在加载前后存在差异时,采用小样本量校正卡方检验,采用二分法检验差异。其次,使用非参数Kruskall-Wallis方差分析比较C3和C4衍生品加载前后各峰的振幅和潜伏期。当I型错误的概率小于5%时,差异被认为是显著的。
结果
隔膜函数
在装载之前,Pdi,马克斯9名受试者的数值范围为50-160 cmH2O(88±35而言不啻2O),Pdi, tw值为27.25±5.52 cmH2O,在正常范围内18.任务失败的时间范围为12-34分钟。在一个主题,Pdi, tw不受程序的影响因此,这个问题被排除在分析之外。在另外一个课题中,Pdi, tw>下降10%,但P,太瓦:Pga, tw也降低了。该患者也被排除在分析之外,因此在7名符合主要膈肌改变预定义标准的受试者中进行分析(P,太瓦:Pga, tw6例增加,1例不变)。平均Pdi, tw负荷后为19.91±6.46 cmH2O,即降低28±13%(图1)⇓) (p=0.018,功率85%,alpha值为0.05)。平均减少的P,太瓦和Pga, tw分别为14±8% (p=0.009)和51±25% (p=0.002)。对膈刺激的肌电反应振幅不受加载方案的影响(见材料和方法)。
呼吸相关诱发电位
平均不闭塞呼吸对应的脑电图信号没有产生任何电位。在基线时,所有受试者均确定了RREP(表1)⇓表2,⇓图2⇓).P1、N1和P2组分均存在于C中3.或C4七例,四例是双侧。6例C3或C4中有N2成分,4例双侧也有。急性负荷后,7例患者C3或C4中也存在P1和N1成分(与基线情况相比,始终是同侧),4例患者为双侧。5例病例中P2和N2成分出现在C3或C4, 4例出现在双侧。疲劳前后构件出现次数差异无统计学意义(卡方检验,见方法)。在7名受试者中,各组件疲劳前后的振幅和潜伏期比较均无显著差异(Kruskall-Wallis检验,见材料与方法)。
讨论
在本研究中,健康受试者吸入阻力性挑战至任务失败时,RREP的特征未受影响。这种刺激导致膈肌刺激所产生的经膈压明显降低(28±13%)。这种复位方式表明主要影响膈肌,而不是膈外吸气肌(尽管在CMS与膈神经电刺激的比较中,不能完全排除一定程度的胸腔肌肉功能障碍)。16.
值得注意的是,负荷对膈肌刺激反应的影响是在收集RREP数据后(即任务失败后约15分钟)评估的。因此,观察到的这些变量缺乏变化不太可能是由于在任务失败和数据收集之间,负荷对吸气肌肉功能的影响减弱。
RREP代表体感诱发电位的呼吸对等物。它们与皮层神经元对机械吸气刺激的反应相对应。它们的第一个积极成分P1被认为反映了传入刺激的皮层到达24.他们的后期成分被认为反映了皮层对传入信息的处理。确定RREP的决定因素是重要的,因为这可以提供一种方法来客观地量化呼吸感觉的某些方面,并为干预后它们的变化分配客观的数值。在这个视图中,P1分量显得尤为重要。其潜伏期与吸气运动驱动的强度有关23.它的振幅随着吸气努力的水平而增加,以克服负荷13.吸气负荷的估计大小与P1的振幅有关12,13.患有哮喘的儿童(与“正常”哮喘儿童和对照组不同)25在美国,有研究表明,RREP可能缺乏P1峰值,这一发现与严重哮喘患者对负荷感知迟钝的特点相吻合2.
呼吸系统中的许多结构理论上可以产生RREP的传入信息,但它们的位置和性质尚不明确。肺移植受者的数据表明迷走神经传入通路并不起重要作用26.相反,位于上气道的声门上受体的作用可能是主要的27,但目前可用的数据留下了下游来源的可能性。这些包括呼吸肌肉。Knafelc和达文波特13确实报告了P1的峰值振幅与克服负荷所需的吸气努力强度相关。从另一个角度来看,黄et al。28研究了健康人吸气肌训练前后的RREP。在这项研究中,吸气肌肉的加强,如确定的增加的受试者的能力发展静态吸气压力,与显著降低的运动驱动呼吸。在全球范围内,该研究没有证据表明RREP在统计上有显著变化。然而,将分析限制在躯体感觉电极上,作者注意到训练后P1分量的振幅显著降低。因此,似乎是剧烈地改变了施加在吸气肌肉上的负荷13或者长期地调整他们的吸气压力28可以至少改变RREP P1峰的特征。不同的吸气肌群(包括横膈膜)是如何导致这些变化的还不清楚。事实上,在Knafelc和Davenport的研究中13,当通过膈压判断吸气力度时,P1振幅和吸气力度之间存在关系,但也存在非特异性食管和口腔压力。黄使用的训练方案et al。28没有强调任何特定的吸气肌群。然而,阐明来自膈肌和其他吸气肌的传入物各自的贡献是具有病理生理学相关性的,因为当膈外吸气肌而不是膈肌主要参与负荷反应时,与负荷相关的呼吸困难感觉是不同的14,15.这可能会影响影响不同吸气肌群的疾病中呼吸困难的决定因素。
在本研究中,改变膈肌产生吸气压力的能力并没有导致RREP各成分的特征发生显著变化。在呼吸肌肉对RREP实际贡献的假设中,这并不排除横膈膜作为感觉信息源,但表明感觉处理不仅仅来自横膈膜,还涉及几个吸气肌肉群。这一结果与呼吸肌肉功能和呼吸感觉相关的各种数据是一致的。确实,局部弯曲引起的全吸气肌功能障碍或疲劳6以及重复最大限度的静态吸气后的疲惫5导致对吸气负荷的高估。相反,在吸气肌群单独改变的情况下,呼吸感觉似乎保留了下来。布拉德利et al。29,通过类似于本研究使用的负荷方案,使膈肌肌电信号的频率内容的高低比率发生变化,报告说吸气力的感觉与膈肌疲劳无关。拟合et al。15报告认为吸气力度施加于负荷的大小与施加于横膈膜上的重点无关。弗兰克尔et al。30.描述了一例因膈肌萎缩而保留吸气颈肌肉的四肢瘫痪患者,其吸气负荷的感知和大小估计均正常。相反,Sinderbyet al。31建立了呼吸努力感觉和膈肌电活动频率含量之间的联系,但他们的负荷协议可能导致了全局性吸气疲劳。
在上述各段中,假设吸气肌传入直接导致了RREP的起源,因此诱导主要的隔膜功能障碍不足以抑制这一贡献。另外,在空载条件下测量的气道闭塞相关诱发电位的产生可能与吸气肌的力量无关。通过研究分级吸气阻力(而不是完全闭塞)在吸气疲劳前后引起的P1振幅的变化,可以验证这一假设。值得注意的是,当前研究的结果不排除RREP的修改,因为它们是在加载挑战本身而不是在任务失败后测量的。事实上,膈肌疲劳激活了源自呼吸肌肉的IV型传入32,这可以解释在猫中所描述的与膈疲劳相关的皮质电位变化11.最后,呼吸肌传入对RREP的贡献(从肋间和膈诱发电位来源来看,这是一种可能)。8- - - - - -10要么不存在,要么极其微小。为了支持后一种观点,用喉罩绕过大部分上气道会显著降低RREP各部分的振幅27.
部分原因是,由于研究对象的规模相对较小,需要进一步的研究来澄清目前研究中提出的几个问题。在相同的主题中,同时将RREP的演变与各种类型的干预后的负荷检测和估计联系起来尤其有用。然而,研究结果支持了文献中明显的观点,即膈肌功能的急性下降不足以改变吸气负荷的感觉处理。因此,来自横膈膜的传入物和来自其他吸气肌肉的传入物之间可能存在冗余,这将呼吸感觉视为警报系统,可以达到安全目的(这类似于横膈膜疲劳不会阻止吸气肌肉系统作为一个整体对高碳酸血症作出充分反应的概念33).这可能对理解不同类型呼吸系统疾病中呼吸困难的机制有意义。
致谢
作者非常感谢M‐H。Becquemin, L. Chalumeau-Lemoine, L. Mangin, M‐S。Merino-Andreu和J. Gonzalez同意作为研究对象。
- 收到了2003年3月4日。
- 接受2003年6月16日。
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