家兔呼吸运动的调节
一、实验摘要：
1. 目的：观察血液中化学因素改变对家兔呼吸运动（呼吸频率、节律、幅度）的影响，初步探讨其作用部位，并分析机制。观察迷走神经在家兔呼吸运动调节中的作用，初步探讨其机制。掌握气管插管术和神经血管分离术。
2. 方法：利用呼吸换能器将呼吸转换为电信号，用微机生物信号采集处理系统来观察记录呼吸的变化曲线。
3. 结果：增大无效腔和二氧化碳分压增加使得呼吸幅度加深频率变快；增加血液中的酸使得呼吸幅度加深频率加快；切断一侧迷走神经呼吸幅度加深，频率减小，切断两端迷走神经后呼吸幅度进一步加深，频率进一步减小；电刺激迷走神经中枢端呼吸幅度变浅，频率变快。
4. 结论：增大无效腔、增加二氧化碳分压、静脉注射乳酸溶液（增加血液中的酸）使得呼吸加深加快，切断迷走神经呼吸加深变慢，电刺激迷走神经中枢端呼吸变浅加快。
二、关键词：呼吸运动、迷走神经、二氧化碳
三、引言： 呼吸运动是呼吸中枢节律性活动的反应。在不同生理状态下，呼吸运动所发生的适应性变化有赖于神经系统的反射性调节，其中较为重要的有呼吸中枢、肺牵张反射以及中枢、外周化学感受器的反射性调节。因此，体内外各种刺激，可以直接作用于中枢部位或通过不同的感受器反射性地影响呼吸运动。
四、材料和方法：
1. 实验对象：家兔
2. 实验仪器：呼吸换能器、微机生物信号采集处理系统
3. 实验药品和试剂：剪刀、止血钳、注射器、玻璃分针、胶管、实验动物手术台、CO2、乳酸、氨基甲酸乙酯
4. 实验方法：
1) 实验系统连接及参数设置：
1. M6240系统：点击“实验”菜单，选择“呼吸运动调节”，仪器参数：通道时间常数为直流，滤波频率为30Hz，灵敏度10cmH2O，采样频率800Hz，扫描速度1s/div。连续单刺激方式，刺激强度5-10V，刺激波宽2ms，刺激频率30Hz。
2. MedLad系统：点击“实验”菜单，选择“呼吸记录”项，仪器参照：通道放大倍数1000，时间常数为直流，上限频率30Hz，采样间隔1ms；串刺激方式，波宽2ms，刺激强度5-10V，时程1s，频率30Hz。
2) 手术准备:
1. 麻醉固定：家兔称重后，将氨基甲酸乙酯以5ml/kg 的体重剂量由兔耳缘静脉内缓慢注入，注意观察家兔的反应。待麻醉后，将家兔仰卧固定于兔手术台上，先后固定四肢及兔头。
2. 手术： 剪去家兔颈部的被毛，沿颈部正中线作一长6～7cm的切口，用止血钳钝性分离皮下组织，暴露并游离气管，并于气管下穿线备用。在气管两侧肌肉深面颈动脉鞘内分离迷走神经，并在其下穿线备用。
3. 气管插管：在环状软骨下约1cm处作一 “⊥”形切口。将T型气管插管向肺的方向插入气管内，插时应动作轻巧，避免损伤气管黏膜引起出血，用一粗棉线将插管口结扎固定，另一棉线在切口的头端结扎止血。
3) 实验观察：
1. 记录正常呼吸曲线：启动生物信号采集系统记录按钮，记录一段正常呼吸运动曲线作为对照。辨认曲线上呼气、吸气的波形方向（呼吸曲线向上，吸气曲线向下）
2. 在气管插管一个侧管上接一根长50cm胶管（流量法：接通气口），观察和记录呼吸运动的变化。
3. 增加吸入气中CO2分压：待呼吸曲线恢复正常，将装有CO2气袋的皮管口移近气管插管的侧管，打开皮管夹子，使吸入气中含有较多的CO2。记录并观察吸入高浓度的CO2对呼吸运动的影响。关闭气袋，观察呼吸运动的恢复过程。
4. 增加血液中H+浓度：由耳缘静脉迅速注入20g/L乳酸溶液2mL，记录并观察呼吸运动的变化。
5. 迷走神经在调节呼吸运动的调节作用：分别观察切断一侧迷走神经和切断两侧迷走神经以后呼吸运动的变化。以2V、25Hz，持续10s，波宽2ms的串刺激刺激一侧迷走神经中枢端，观察呼吸运动较之切断前有何改变。
五、实验结果：
正常呼吸运动
增加呼吸道长度，无效腔
增加吸入气中二氧化碳分压
增加血液中的H+（注入乳酸溶液）
切断一侧迷走神经
切断两侧迷走神经
电刺激一端迷走神经中枢端
六、实验分析：
实验一：记录正常的呼吸曲线作为对照组。呼吸曲线向上，吸气曲线向下。
实验二：增大无效腔，呼吸加深加快。增加气道长度等于增加无效腔，增加气道长度后家兔呼吸张力增加，呼吸频率增加。增加无效腔使肺泡气体更新率下降，引起血中PCO2、 PO2 下降，刺激中枢和外周化学感受器引起呼吸运动会加深加快；另外，气道加长使呼吸气道阻力增大，减少了肺泡通气量，反射性呼吸加深加快，呼吸频率加快。
实验三：增加吸入气中二氧化碳分压，呼吸加深加快。通过延髓中枢化学感受区兴奋，使呼吸中枢兴奋，由于血液CO2能迅速通过血--脑脊液屏障，由于脑脊液的缓冲能力差，故PH值下降，从而使中枢化学感受区周围液体中的氢离子浓度升高。刺激中枢化学感受区，引起呼吸中枢兴奋，呼吸增强。通过外周化学感受器兴奋，反射性地引起呼吸中枢兴奋——当血中CO2浓度升高时，可刺激颈动脉体和主动脉体，冲动经窦神经和主动脉神经，然后分别并入第九与第十对脑神经入延髓，反射性地增强呼吸运动。吸入气中CO2浓度增加，将导致肺泡气PCO2升高，动脉血CO2浓度也随之升高，呼吸加深加快。
实验四：增加血液中的H+（注入乳酸溶液），呼吸加深加快。注入乳酸溶液使家兔血液中的浓度升高，刺激外周化学感受器和中枢化学感受器——中枢化学感受器对H+的敏感较外周的高，但H+不易通过血-脑屏障，因而此时H+的效应主要是刺激外周化学感受器，使膈肌、肋间外肌收缩，肺通气量增加，呼吸加深加快。
实验五：切断一侧迷走神经，呼吸加深变慢。迷走神经中含有肺牵张反射传入纤维，当吸气运动使肺扩张时，该神经纤维兴奋，冲动传入中枢后引起吸气切断机制，吸气神经元活动抑制，吸气停止转为呼气运动，从而加速吸气呼气运动的交替。当切断迷走神经后，中断了肺扩张反射的传入通路，反射作用减弱，从而出现了呼吸程度加深，呼吸速度减慢的现象。
实验六：切断两侧迷走神经，呼吸进一步加深变慢。由于迷走神经为混合神经，在神经传导通路中可以通过双侧迷走神经传入或传出神经冲动，切断一侧迷走神经后，另一侧迷走神经仍对呼吸运动进行调节。迷走神经是外周化学感受性反射的传入神经，而切断两侧迷走神经后，呼吸中枢将不能感受外周的化学性刺激，失去外周的化学感受器反射调节作用，则呼吸则会在切断易一侧迷走神经的基础上进一步加深变慢。
实验七：电刺激一端迷走神经中枢端，呼吸变浅加快。迷走神经中含有肺牵张反射传入纤维，肺的牵张反射包括：肺扩张后引起吸气活动的抑制，呼气加强；肺缩小后引起呼气活动抑制，吸气加强的过程。这两种反射传入神经纤维都经由迷走神经传入中枢，调节呼吸运动。电刺激迷走神经中枢端，引起这两种纤维成分都同时持续兴奋，故家兔的呼吸运动变得浅快，严重时甚至将导致呼吸运动的暂停。
七、实验结论：增大无效腔、增加二氧化碳分压、静脉注射乳酸溶液（增加血液中的酸）使得呼吸加深加快，切断迷走神经呼吸加深变慢，电刺激迷走神经中枢端呼吸变浅加快。
参考文献：
[1]陆源、林国华、杨午鸣主编《机能学实验教程》朱大年、王庭槐第8版《生理学》
[2]朱大年、王庭槐第8版《生理学》
第二篇：家兔呼吸运动和血液酸碱度的因素
生理科学实验报告
【关键词】目的：观察影响呼吸运动及血气酸碱度变化的因素，了解动物酸中毒模型建立和纠正酸中毒方法。方法：对家兔进行气管插管，应用RM6240系统观察家兔吸入N2、CO2、接上长管、酸中毒（注射NaH2PO4）和酸中毒纠正（注射NaHCO3）、药物（度冷丁，尼克刹米）、迷走神经等对家兔呼吸的影响，以及运用血气分析仪对血液酸碱度的检测。结果：增大无效腔后呼吸加深加快，吸入N2后呼吸加深加快，吸入CO2后呼吸加深加快，变化大于N2。酸中毒后呼吸幅度变大频率加快，注射度冷丁呼吸变浅变慢，尼克刹米解救后呼吸加快加深逐渐趋于正常；切断一侧迷走神经呼吸稍变深变快，切断双侧迷走神经呼吸明显变慢变深，电刺激迷走神经中枢端后呼吸变化没有发生明显变化。结论：PCO2升高，PO2降低和[H]升高可使呼吸加深加快，迷走神经、度冷丁能抑制呼吸运动，尼克刹米具有中枢兴奋作用。
【关键词】代谢性酸中毒 二氧化碳分压 氧分压 NaH2PO4 NaHCO3
呼吸运动是呼吸中枢节律性活动的反映。在不同生理状态下，呼吸运动所发生的适应性变化有赖于神经系统的反射性调节，其中较为重要的有呼吸中枢、肺牵张反射以及外周化学感受器的反射性调节。因此，体内外各种刺激可以直接作用于中枢部位或通过不同的感受器反射性地影响呼吸运动[1]。 +
1.材料和方法
1.1实验动物：家兔（雄性） 体重2.6Kg左右
1.2 药品：10g/L肝素，20%乌拉坦，120g/L NaH2PO4 ，50g/L NaHCO3 ，5 %度冷丁(dolantin)， 25%尼可刹米（nikethamide)，N2，CO2。
1.3 器材：RM6240BD型多道生理信号采集处理系统（成都仪器厂），血气分析仪（成都仪器厂），呼吸换能器（成都仪器厂），固定装置，气管插管，家兔手术器械一套，20ml注射器，10ml注射器, 2ml注射器,动脉夹。
1.4仪器连接和参数：通道时间常数为直流，滤波频率为30Hz，灵敏度为0.98Kpa，采样频率800Hz，扫描速度1s/div。连续单刺激方式，刺激强度为5－10V，刺激波宽2ms，刺激频率30Hz。
1.5手术准备
家兔称重后，20%氨基甲酸乙酯(乌拉坦)按5ml/kg的剂量耳缘静脉注射麻醉。将动物仰卧固定缚于手术台上，固定四肢，前肢交叉固定，用棉绳钩住兔门齿，将绳拉紧并缚于兔台铁柱上。在颈部正中切口6－8cm，暴露颈部气管及左、右血管神经鞘，钝性分离双侧迷走神经，在迷走神经下穿线备用。用止血钳分离气管，在气管下穿两根粗棉线备用。在甲状软 1
生理科学实验报告
骨下1cm处做“┴”形切口，用棉签擦净气管切口及气管里的血液和分泌物，由切口处向肺端插入气管插管，用棉线将插管口扎紧固定。
2. 观察项目
2.1正常呼吸曲线：描记正常呼吸曲线的频率和幅度作为正常对照。
2.2增加无效腔：在气管插管的一个侧管上接一根长约40cm的胶管，描记和观察呼吸频率和幅度的变化。
2.3 降低吸入气中的氧分压：用一只小烧杯置于气管插管开口前，将氮气气囊的导管口平行于气管插管口使气体充入烧杯，描记和观察呼吸频率和幅度的变化。
2.4 增加吸入气中CO2分压：同上方法打开CO2气囊，家兔呼吸运动变化后立即闭合导管，描记和观察呼吸频率和幅度的变化。
2.5 抗凝：按1ml/kg体重经耳缘静脉注射肝素进行全身抗凝处理，5min后抽取正常经动脉血1ml，血气分析仪检测pH、PaO2、[HCO3-]、AB和BE。
2.6酸中毒：按5ml/kg耳缘静脉缓慢注射NaH2PO4，描记和观察呼吸频率和幅度的变化，5min后抽取经动脉血1ml，血气分析仪检测pH、PaO2、[HCO3-]、AB和BE。
2.7酸中毒纠正：按补碱公式 耳缘静脉注射NaHCO3，纠正酸中毒，描记和观察呼吸频率和幅度的变化，5min后抽取经动脉血1ml，血气分析仪检测pH、PaO2、
[HCO3-]、AB和BE。
2.8药物对呼吸的影响：按1－2ml/kg耳缘静脉注射度冷丁，当呼吸出现变化时立刻注射尼克刹米（注意速度不宜过快，以免引起惊厥死亡），描记和观察呼吸频率和幅度的变化。
2.9神经对呼吸的调节：分别观察和记录切断一侧迷走神经和双侧迷走神经后呼吸运动的变化，以串刺激（5-10V,10-15Hz，2ms）连续刺激一侧迷走神经中枢端，描记和观察呼吸频率和幅度变化。
2.10观察胸内负压：将水压计的注射针头在左腋前线四、五肋间，沿肋骨上缘垂直插入胸膜腔内，观察胸内负压，不做记录。
3.实验结果
3.1不同处理因素对家兔呼吸频率与通气量的影响
增加气道强度时，处理前通气量为332.35±317.37ml，处理后为458.14±441.97ml，但两者相比无显著性差异；处理前呼吸频率为44±9次/min，处理后为49±10次/min，两 2
生理科学实验报告
者无高度显著性差异。
降低吸入气中的氧分压时，处理前通气量为334.81±318.42ml，处理后为505.89±136.44ml，两者无显著性差异；处理前呼吸频率为46±10次/min，处理后为54±15次/min，两者无显著性差异。
增加吸入气中CO2分压时，处理前通气量为302.04±276.26ml，处理后为997.35±839.50ml，两者相比有显著性差异（P<0.05）；处理前呼吸频率为45±9次/min，处理后为76±22次/min，两者相比有显著性差异（P<0.01）。
酸中毒时，处理前通气量为368.99±287.44ml，处理后为803.09±749.61ml，两者无显著性差异；处理前呼吸频率为45±10次/min，处理后为78±18次/min，两者相比有高度显著性差异（P<0.01）。酸中毒纠正后，处理前通气量为599.68±541.87ml，处理后为451.16±380.15ml，两者无显著性差异；处理前呼吸频率为57±9次/min，处理后为66±16次/min，两者相比无显著性差异。
注射度冷丁时，处理前通气量为508.61±321.47ml，处理后为234.01±191.50ml；处理前呼吸频率为67±20次/min，处理后为51±14次/min。注射尼克刹米后，处理前通气量为221.61±271.52ml，处理后为416.10±212.74ml；处理前呼吸频率为54±24次/min，处理后为119±48次/min，呼吸频率显著增加（P<0.05）。
切断一侧迷走神经，处理前通气量为305.48±109.56ml，处理后为398.54±88.82ml；处理前呼吸频率为100±44次/min，处理后为129±31次/min，两者变化不明显；切断双侧迷走神经，处理前通气量为395.14±109.32ml，处理后为589.22±354.38ml；处理前呼吸频率为120±21次/min，处理后为72±36次/min，呼吸明显变慢变浅。电极刺激迷走神经中枢端，处理前通气量为328.8±223.29ml，处理后为321.87±294.37ml；处理前呼吸频率为52±14次/min，处理后为55±48次/min。
表1.不同影响因素对家兔通气量和呼吸频率的影响
通气量(ml/min)
项目 增加无效腔
N2 CO2 NaH2PO4 NaHCO3 度冷丁 尼克刹米 一侧迷走切断
频率（次/min） 处理前 44±9 46±10 45±9 45±10 57±9 67±20 54±24 100±44
处理后 49±10 54±15 76±22** 78±18** 66±16 51±14 119±48* 129±31
处理前 332.35±317.37 334.81±318.42 302.04±276.26 368.99±287.44 599.68±541.87 508.61±321.47 221.61±271.52 305.48±109.56
处理后 458.14±441.97 505.89±136.44 997.35±839.50* 803.09±749.61 451.16±380.15 234.01±191.50 416.10±212.74 398.54±88.82
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两侧迷走切断 刺激迷走中枢端
395.14±109.32 328.8±223.29
589.22±354.38 321.87±294.37
120±21 52±14
72±36 55±48
注: *P<0.05 VS 处理前组；**P<0.01 VS 处理前组；其余于处理前相比P>0.05
3.2不同处理因素对家兔通气量和呼吸频率的影响曲线图，见附图。
附图. 不同处理因素对家兔呼吸频率与通气量的影响
3.3 家兔酸中毒以及纠正过程中血气分析。
正常情况下家兔血液的pH值为7.37±0.06，PaO2为107.98±12.72mmHg，[HCO3-]为14.99±6.46mmol/L，SB为19.91±2.34 mmol/L，BE为-5.64±3.07mmol/L。静脉注射NaH2PO4后家兔血液的pH下降为7.20±0.05，PaO2为113.99±21.97 mmHg，[HCO3-]下降为11.77±3.17 mmol/L，SB为13.31±2.17 mmol/L，BE负值增大，为-15.23±3.56mmol/L。静脉补NaHCO3后家兔血液的pH上升为7.39±0.10，PaO2为114.85±21.37mmHg，[HCO3-]上升为18.1±2.06mmol/L，SB为20.2±2.63 mmol/L，BE负值减小，为-5.31±3.42mmol/L。见表2.
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表2.家兔血气酸碱度观察
样本名称 氧分压(mmHg) pH
7.37±0.06
7.20±0.05#
7.39±0.10* [HCO3-（]mmol/L） 14.99±6.46 11.77±3.17$ 18.1±2.06* SB(mmol/L) BE(mmol/L) 正常组 107.98±12.72 注射NaH2PO4 113.99±21.97$ 注射NaHCO3 114.85±21.37& 19.91±2.34 -5.64±3.07 13.31±2.17# -15.23±3.56# 20.2±2.63* -5.31±3.42*
注: #P<0.01 VS正常组；$P>0.05 VS正常组；*P<0.01 VS NaH2PO4组；&P>0.05 VS NaH2PO4组；注射NaHCO3组与正常组相比较各指标P>0.05
4.讨论
4.1增加无效腔 把长约40cm的胶管接在气管插管的侧管上，使动物通过橡皮管进行呼吸时，呼吸运动加深加快。因为人为增大了无效腔，减少肺泡通气量，降低了气体更新率，导致血中PaCO2增加，PaO2下降。同时气道加长，使呼吸气道阻力增大，从而使呼吸加深加快[2]。
4.2 降低吸入气中的氧分压 缺氧对呼吸中枢的直接效应是抑制，并随缺氧程度的加深而逐渐增强，吸入纯氮气时，因吸入气中缺氧，肺泡气PO2下降，导致动脉血中PaO2下降。随着动脉血中PaO2下降，当PaO2<60mmHg时，可通过刺激主动脉体和颈动脉体外周化学感受器，使延髓和呼吸中枢兴奋，膈肌和肋间外肌活动增强，反射性地引起呼吸加深、加快，肺通气量增加，这种呼吸中枢的兴奋作用大于缺氧对呼吸中枢的直接抑制作用而表现为呼吸增强；但当PaO2<30mmHg时，呼吸中枢的直接抑制作用大于外周化学感受器对呼吸中枢的兴奋作用[2]，故表现为呼吸的抑制。
4.3 增加吸入气中CO2分压 CO2是调节呼吸运动最重要的生理性体液因素，它不但对呼吸有很强的刺激作用，并且是维持延髓呼吸中枢正常兴奋活动所必需的。由于吸入气中CO2浓度增加，血液中PCO2增加，CO2容易通过血脑屏障，从而使脑脊液中H+浓度变大，刺激延髓化学感受器，通过呼吸肌的作用使呼吸运动加强。此外，当PaCO2增高时，还可刺激主动脉体和颈动脉体的外周化学感受器，反射性地使呼吸加深加快，但因CO2对外周化学感受器的刺激阈值远较中枢化学感受器高，故以后者作用为主。
4.4酸中毒以及纠正 代谢性酸中毒的特征是血浆HCO3浓度原发性减少。严重缺氧时无氧代谢加强，乳酸等酸性物质增多，可引起代谢性酸中毒。此外，呼吸衰竭时可能出现功能性肾功能不全，肾小管排酸保碱功能降低，以及引起呼吸衰竭的原发病或病理过程均可导致代谢性酸中毒。其特征是呼吸加深加快，血气分析时可测得反映代谢因素的指标AB、SB、BB降低，BE负值增大，同时由于呼吸代偿活动，可使PaCO2降低，AB＜SB。本实验通过家兔耳缘静脉注射NaH2PO4制造酸中毒模型。注射NaH2PO4后，呼吸运动加深加快，因为NaH2PO4[1]-[1][2][2] 5
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提高了血中H的浓度，H可通过刺激外周化学感受器反射性的调节呼吸运动，改变肺的通气量，机体的代偿意义在于维持[HCO3]/[H2CO3]的比值接近正常，使血液PH趋向正常值，维持酸碱平衡。
临床上代谢性酸中毒发生后，针对原发性HCO3减少，治疗的主要措施是补充碱性药物，首选的碱性药物是碳酸氢钠。实验中，用50g/L的NaHCO3纠正酸中毒，经过5min稳定，家兔呼吸变慢变浅，逐渐恢复正常。
4.5药物对呼吸的影响 dolantin可以阻断延脑孤束核处的阿片受体从而引起呼吸抑制；而nikethamide可以直接兴奋延脑呼吸中枢，也可刺激颈动脉体化学感受器而反射性兴奋呼吸中枢，能提高呼吸中枢对CO2的敏感性，使呼吸加深加快，临床用于各种原因所致的中枢性呼吸抑制，但大剂量可引起中枢神经系统广泛兴奋而导致惊厥[3]。实验中用nikethamide成功的缓解了dolantin引起的呼吸抑制作用。
4.6神经对呼吸的调节 迷走神经中含有肺牵张反射的传入纤维，肺牵张反射中的肺扩张反射的生理作用在于阻止吸气过长过深，促使吸气及时转入呼气，从而加速了吸气和呼气动作的交替，调节呼吸的频率和深度[2]。当切断单侧迷走后，中断了部分肺牵张反射的传入通路，肺牵张作用的生理作用未完全消除，因此呈现出呼吸运动变化不大；当切断双侧迷走时，消除了迷走神经参与的反射反应，所以呼吸显著变慢变深。
当电刺激迷走神经中枢端时会导致呼吸变慢加深。因为肺的牵张反射包括肺扩张后反射性地引起吸气动作的抑制，或者是肺缩小后反射性的抑制呼气动作，使吸气加强。这两种反射的传入纤维都经迷走神经兴奋。产生传入冲动到达呼吸抑制，导致呼吸运动的改变。由于电刺激引起的传入纤维冲动持续性传到呼吸中枢，抑制了呼吸作用，故出现慢而深的呼吸运动。
4.7实验各组数据统计方法差异较大，大多无法得出显著性差异。其中可能有实验操作的误差，测量的误差，还有各组注射药物速度以及测量时间的差异等原因，同时各兔子也存在个体差异。但是实验统计结果中还是出现了有显著差异的项目，如CO2、NaH2PO4、尼克刹米等，可能与该实验造成的呼吸变化程度非常显著有关系。因此如果要得到更精确的结果还需要进一步实验。
酸中毒以及纠正实验的血气分析显示，注射NaH2PO4后酸中毒的模型得到了成功复制，经NaHCO3解救后，血气分析结果显示其各项指标都与正常组没有显著性差异（P>0.05）。所以可推测在实验过程中，NaHCO3成功解救了酸中毒。 -－++
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5.参考文献
[1] 陆源，夏强.生理科学实验教程.杭州：浙江大学出版社.2004：282－283.
[2] 陈季强.基础医学各论（上册）.北京：科学出版社，2004：457－463，492－521.
[3] 陈季强.基础医学各论（下册）.北京：科学出版社，2004：320－322.
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