Cardio-Respiratory Coupling

Abstract

• 이 챕터는 Cardio-Respiratory Coupling (CRC)에 대한 개념을 다루고 있음
  • CRC: 심장박동이 호흡 패턴에 영향을 미치는 현상
• CRC는 호흡이 심박수와 혈압에 미치는 영향을 넘어서, 자율 신경계와 호흡 조절 시스템 간의 상호작용을 반영
• 연구에서는 쥐를 대상으로 산소 부족 상태(sustained/intermittent hypoxia)를 조건화했을 때의 결과를 보여줌
  • 간헐적 저산소 상태는 자율 신경계와 호흡 간의 결합을 강화
  • 지속적 저산소는 결합 패턴을 변화시킴
• CRC의 주요 기능은 가스 교환 효율성에 미미한 영향을 주지만, 패턴의 변동성을 유지하기 위해 약하게 결합된 진동기 기능을한다고 주장
  원문: "we propose that cardiorespiratory control system may act as weakly coupled oscillator to maintain rhythms within a bounded variability"

1. 심호흡 결합(CRC)의 개념

• 자율 신경계와 호흡 조절 시스템 간의 상호작용이 있음
• 호흡은 심박수와 혈압에 즉각적으로 영향을 주는 반면, 자율 신경계는 호흡 패턴을 조절하는 역할
• CRC는 호흡이 자율 신경계에 미치는 영향 외에도, 자율 신경계가 호흡 패턴에 영향을 미치는 양방향 상호작용을 반영
• CRC는 호흡이 심박수와 혈압에 미치는 영향은 널리 알려져 있지만, 혈압이 호흡에 미치는 영향인 CVC(Cardio-Ventilatory Coupling) 은 최근에서야 주목받기 시작
• CVC는 조용한 수면이나 마취 상태에서 더 잘 나타나는 약한 결합
• 바로수용체 트리거 가설에 따르면, 혈압의 변동이 호흡의 영감을 유발할 수 있음.
• 자율 신경계와 호흡 리듬 간의 상호작용은 여러 요인에 따라 그 결합의 크기가 달라지며, 이는 신경 네트워크 내에서 복잡한 패턴 형성에 기여함.

2. HRV: Heart Rate Variability

• HRV는 자율 신경계의 균형을 측정하는 중요한 도구임.
• HRV는 주로 호흡 주파수에 의해 조절되며, RSA(respiratory sinus arrhythmia)와 밀접한 관련이 있음.
• HRV는 심호흡 결합을 분석하는 지표로 사용될 수 있음.

3. 심호흡 결합의 생리학적 역할

• 심호흡 결합(CRC)의 생리학적 목적은 여전히 불명확함.
• CRC가 호흡 시 폐관류와 환기를 맞춰 가스 교환 효율성을 높인다는 가설이 제기됨.
• 실험에서 RSA이 가스 교환 효율성에 영향을 미친다는 결과가 도출됨.
• RSA를 재현할 때 dead space이 10% 감소하고, fraction of intrapulmonary shunt는 51% 감소함. 반면 RSA를 반대로 적용하면  dead space과 fraction of intrapulmonary shunt 가 각각 증가함.
• 하지만 이 효과는 약하며, 최적화 모델링 연구에 따르면 가스 교환 효율성에서 약 3%의 개선만 확인됨.
• 이 3% 개선이 실제로 중요한지는 논쟁의 여지가 있음. 특히 호흡과 에너지 효율성이 높은 포유류에서 이 정도 개선이 의미가 있을 수 있음.
• Ben-Tal 연구에서는 RSA가 호흡보다는 심장의 부담을 줄이는 역할을 한다고 주장됨.
• RSA가 가스 교환 효율성을 높이는 증거는 인간 연구에서 확인되지 않았음. 연구에서 RSA가 없는 그룹과 정상 그룹 간 가스 교환 효율성에 차이가 없었음.
• CRC는 질병 상태에서 감소하며, 이는 호흡의 부담을 증가시킴.
• 결합된 진동자 이론에 따르면, CRC는 주기적 활동 변동성을 증가시키고 외부 자극에 적응할 수 있게 함.
• 결국, CRC의 해제는 호흡 패턴 변동성에 영향을 미칠 수 있음.

2 HYPOXIC CONDITIONING, ENHANCING, AND DIMINISHING CRC

2-1. Intermittient hypoxia - Neural change

 

• 연구에서 Sprague Dawley 쥐를 대상으로 intermittient hypoxia (45초간 8% 산소)에 노출시켰을 때 자율신경 및 호흡 신경 활동이 증가
• 짧은 저산소 자극 후에도 CRC의 강화가 지속되어 신경계의 단기적 플라스틱성을 나타냄.
• intermittient hypoxia 상태에서 신경 활동이 지속적으로 증가하며, 장기적 촉진 효과가 나타남. 이 효과는 5HT2 수용체 길항제로 차단할 수 있음.
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2-2. Intermittient hypoxia - Respiratory change (Enhanced)

• intermittient hypoxia에서 sSNA(비장 신경 활동)와 PNA(횡격막 신경 활동)의 동기화가 강화됨.
• Fletcher 모델에 따르면 반복적인 저산소 상태가 고혈압을 유발할 수 있으며, 이는 수면 무호흡증과 연관된 주요 합병증임.
• 만성 간헐적 저산소에 노출된 쥐들은 일정한 신경 활동을 보이며, 호흡 주기마다 일관된 동기화를 나타냄.

2-3. Intermittient hypoxia - Respiratory change (Changed)

• 만성 지속적 저산소에서는 간헐적 저산소와 달리 sSNA와 PNA의 동기화 패턴이 약화됨.
• 1:1 동기화 대신 2:3 동기화가 나타나며, 이는 포스트 호흡기 활동에서 주로 나타남.
• 지속적 저산소 상태에서는 혈압 상승 없이도 신경 활동 패턴이 변화됨.

2-4. CRC의 패턴 변화에 따른 혈압 및 신경 반응

• 만성 간헐적 저산소와 지속적 저산소 상태에서 혈압과 신경 활동 패턴이 다르게 나타남.
• 저산소 상태가 혈압 및 자율신경계 반응에 미치는 영향은 바로수용체와 화학수용체 입력에 따라 달라짐.
• 느리고 깊은 호흡이 고혈압 환자의 자율신경 활동을 줄이려는 시도가 있지만, 호흡 패턴의 변화가 혈압에 미치는 영향은 제한적임.

2-5. 호흡 패턴 변동성 및 바로수용체의 역할

• 만성 지속적 저산소 상태에서는 호흡 패턴 변동성이 증가하며, 이는 바로수용체와 화학수용체 입력에 따라 달라짐.
• 경동맥 신경 절단 후 변동성이 감소함. 이는 바로수용체 입력이 호흡 패턴 변동성에 중요한 역할을 함을 시사함.

 

3. Conclusion

• CRC는 호흡과 자율 신경계 간의 상호작용을 반영함.
• 저산소 조건에서 심호흡 결합의 변화는 다양한 질병 상태에 중요한 영향을 미칠 수 있음.
• 심호흡 결합은 패턴의 변동성을 유지하는 역할을 하며, 이는 가스 교환보다 중요한 기능일 수 있음.