Contrôle central du système ventilatoire

Nous nous limiterons pour rendre compte du fonctionnement du contrôle de la ventilation à décrire les différentes structures nerveuses qui y contribuent et les principales interconnexions qui existent entre elles.

Rappelons que les complexes décrits ne sont pas des entités clairement définies avec frontières nettes anatomiques et histologiques : il existe des chevauchements de certaines populations de neurones qui les constituent (Ramirez et Baertsch 2018).

Le contrôle neural du système ventilatoire s’effectue en 3 phases : inspiration, post-inspiration, et expiration. La post-inspiration correspond à la première étape de l’expiration : afin de prolonger les échanges gazeux au sein des poumons, le diaphragme se contracte légèrement pour réduire la vitesse

de compression passive de la cage thoracique sous l’effet de son élasticité, et les muscles adducteurs des voies aériennes supérieures se contractent pour rétrécir le diamètre des conduits aériens, générant un ralentissement de l’expiration passive (Feldman et al. 2013; Richter et Smith 2014; Ramirez et Baertsch 2018).

Contrôle myélencéphalique

Le groupe de structures le plus décrit, et celui qui semble responsable de la genèse du rythme respiratoire et de son exécution, correspond à la colonne respiratoire ventrale (VRC), située ventralement dans le bulbe rachidien. Il comporte, de manière crânio-caudale : le noyau rétrotrapézoïdal/groupe respiratoire parafacial (RTN/pFRG), le complexe postinspiratoire (PiCo), le complexe Bötzinger (BötC), le complexe préBötzinger (préBötC), et le groupe respiratoire ventral avec ses deux portions rostrale et caudale (rVRG et cVRG) (Feldman et al. 2013; Ramirez et Baertsch 2018). - Le complexe appelé RTN/pFRG a été décrit initialement par deux équipes différentes pour deux fonctions distinctes, mais semble ne constituer qu’une localisation unique. Le RTN contient des chémorécepteurs centraux sensibles aux H+ _{(Dempsey et Smith 2014). Le pFRG}

est nécessaire à la survenue de l’expiration (Ramirez et Baertsch 2018), et serait principalement un oscillateur contrôlant l’expiration active, sollicité par les activités demandant un recrutement des muscles expiratoires (activité physique, émotions…) (Feldman

et al. 2013). Le RTN/pFRG projette sur le BötC et le préBötC, participant au contrôle de l’expiration et à la réponse chémosensible (CO2/pH et O2) (Molkov et al. 2017).

- Le PiCo est nécessaire et suffisant pour la survenue de la phase de post-inspiration, et donc probablement le générateur direct de cette phase du cycle ventilatoire. Il envoie des projections vers le préBötC, et reçoit des afférences de cette même structure (Anderson et al. 2016; Ramirez et Baertsch 2018).

- Le BötC contient des neurones inhibants l’inspiration, actifs durant la post-inspiration et l’expiration (Molkovet al. 2017). Il serait ainsi directement impliqué dans l’expiration passive, indirectement dans l’expiration active sous le contrôle du pFRG (Feldman et al. 2013). Le BötC projette vers le préBötC, le VRG et certains noyaux de nerfs crâniens (VII, XI, X, XI) (Alheid et McCrimmon 2008), ainsi que vers le groupe respiratoire dorsal (cf. infra) (Bartlett et Leiter 2012).

- Le préBötC est nécessaire et suffisant à l’inspiration. Cette structure est considérée comme le générateur du rythme ventilatoire de par son activité de pacemaker (Feldman et al. 2013; Ramirez et Baertsch 2018). Le préBötC contrôle directement les neurones prémoteurs du rVRG (Molkov et al. 2017).

22 - Le rVRG contient des neurones prémoteurs bulbospinaux, à destination des motoneurones spinaux des muscles inspiratoires, dont le diaphragme (Lane 2011; Molkov et al. 2017). Les projections sont soit directes sur les motoneurones, soit indirectes via des interneurones spinaux.

- le cVRG contient des neurones prémoteurs bulbospinaux, principalement expiratoires (Lane 2011).

Également au sein du bulbe rachidien, plus postérieur, le noyau du tractus solitaire (nTS) a plusieurs rôles dans le contrôle du cycle ventilatoire :

- Il reçoit les afférences mécanosensorielles et chémosensorielles périphériques, servant de relai vers le RTN et le pont (Molkov et al. 2017).

- Son sous-noyau ventrolatéral contient le groupe respiratoire dorsal (DRG), principalement constitué de neurones prémoteurs inspiratoires, dirigés vers les motoneurones inspiratoires spinaux (Alheid et McCrimmon 2008; Lane 2011).

Contrôle métencéphalique

Il existe plusieurs sites pontiques qui participent au contrôle de la ventilation :

Le groupe respiratoire pontique comporte le noyau de Kölliker-Fuse (KF) et le noyau (ou complexe) parabrachial (PBC) (Alheid et McCrimmon 2008) ; il est possiblement impliqué dans la genèse du rythme respiratoire, participant au contrôle de la post-inspiration (Alheid et al. 2004; Molkov et al. 2017).

- Le KF projette sur le BötC, le rVRG et directement vers les motoneurones spinaux, ainsi que vers des noyaux de nerfs crâniens participant au contrôle musculaire de la ventilation (IX, X, XII) (Alheid et McCrimmon 2008).

- Le PBC pourrait être impliqué dans la réponse aux stimuli mécaniques (fibres sensibles à l’étirement) et chimiques (CO2) via le NTS, et dans celle aux stimuli nociceptifs car il reçoit

également des afférences nociceptives viscérales et somatiques (Alheid et al. 2004).

La portion ventrolatérale du pont contient des neurones participant à l’expiration (notamment lors de la réponse à l’hypoxie), qui se situent dans le prolongement des neurones du RTN (Alheid et McCrimmon 2008).

Le noyau sérotoninergique du raphé est une zone possédant des récepteurs sensibles au CO2, et

projette vers le RTN (Molkov et al. 2017).

Contrôle mésencéphalique

La substance grise périaqueducale (PAG) a été impliquée dans plusieurs fonctions vis-à-vis de la ventilation : elle participe au relai d’informations sensitives vers les structures cérébrales sus-jacentes

(Davenport et Vovk 2009), et participe au contrôle (voire dans certains cas à la genèse) des vocalisations (Bartlett et Leiter 2012).

Contrôle diencéphalique et télencéphalique

Par la voie lemniscale et le NTS, les afférences sensorielles concernant différents aspects de la ventilation (mécanorécepteurs musculaires, mécanorécepteurs pulmonaires…) sont relayées par le thalamus vers le cortex sensorimoteur pour la composante discriminative des sensations respiratoires, et vers le cortex limbique pour la composante émotionnelle associée (Davenport et Vovk2009). L’hypothalamus (plus précisément : le noyau paraventriculaire PVN, l’aire périfornicale PFA, l’aire dorsomédiane DMH, l’hypothalamus postérieur et latéral) a des projections vers le RTN, le préBötC, le PCB, le KF, le NTS, la PAG, le raphe dorsal, le noyau ambigu (NA) et le LC, et en reçoit du préBÖtC, du PBC, du NTS, de la PAG ; il a un effet stimulant sur l’activité respiratoire, et participe à la réponse à l’hypoxie et aux stimuli stressants (Fukuchi et Tsuda 2017).

Figure 5 : Schéma simplifié des noyaux du tronc cérébral participant au contrôle du système ventilatoire et de

leurs projections. PAG : substance grise périaqueducale, nSR : noyau sérotoninergique du raphé, PBC : noyau parabrachial, KF : noyau de Kölliker-Fuse, nTS : noyau du tractus solitaire, DRG : groupe respiratoire dorsal, RTN : noyau rétrotrapézoïdal/groupe parafacial, PiCo : complexe postinspiratoire, BtC : complexe Bötzinger, pBtC : complexe pré-Bötzinger, rVRG : groupe respiratoire ventral rostral, cVRG : groupe respiratoire ventral caudal.

24 Le système limbique participe à la régulation émotionnelle de la ventilation ; l’amygdale a un effet stimulant sur l’inspiration, possiblement par une voie distincte de la voie corticospinale (Hudson et al. 2011).

Le contrôle volitionnel de la ventilation recrute des zones corticales qui ne sont pas actives lors de la respiration eupnéique calme : le cortex moteur et l’aire motrice supplémentaire (AMS). Il existe une voie descendante corticobulbaire, qui a un effet inhibiteur sur les neurones bulbaires inspiratoires, et une voie corticospinale activatrice, dont l’activité ne nécessite pas directement celle des neurones respiratoires bulbaires. (Hudson et al. 2011; Butler et al. 2014)