Skip to main content

Zusammenspiel von Schlaf und Atmung: Untersuchungen zur Atmungsregulation im Schlaf

Interaction of sleep and breathing: Studies on the control of respiration during sleep

Zusammenfassung

Beim Übergang vom Wachen zum Schlafen ändert sich die funktionelle Organisation der Atmung grundlegend: Die sogenannten Wachheitsantriebe verlieren an Einfluß, die Atmung wird im Wesentlichen in Abhängigkeit vom Stoffwechsel geregelt. Ventilations-steigerungen durch Sauerstoffmangel oder Hyperkapnie sind verringert. Der Atemwegswiderstand nimmt zu. In Abhängigkeit von der Schlafphase kommt es zu periodischer Atmung, im REM-Schlaf zu erhöhter Variabilität von Atemfrequenz und Atemtiefe. Erhöhte Widerstände der oberen Luftwege werden nur unvollständig kompensiert. Die Arousal-Schwellen für Hypoxie und Hyperkapnie sind angehoben. Schlafphasenbedingte Einschränkung der CO2-Atmungsantwort sowie der Nachweis einer circadianen Rhythmik mit Tiefstwerten am frühen Morgen gaben Anlaß für eine Studie an 11 gesunden, männlichen Probanden. Mit wiederholten, stufenweisen Veränderungen der inspiratorischen CO2-Konzentration während des Schlafes wurden die Atmungsregulation, die kurzfristige Variabilität der Atmung sowie das Verhalten der CO2-Partialdrucke untersucht. Simultan wurden EEG, EOG, EMG, Induktionsplethysmographie, Pneumotachographie, Gaspartialdrucke in der Atemluft, Sauerstoffsättigung, Pulsfrequenz und EKG aufgezeichnet. Die Schwankungen des CO2-Partialdruckes waren in den verschiedenen Schlafphasen gering, die Steilheit der CO2-Atmungsantwortkurve verringerte sich tendenziell vom Wachsein über Stadium 3 und 4 zum Stadium 2, im REM-Schlaf variierte sie stark. Über den Verlauf der Nacht wurden 2 Periodizitäten der CO2-Atmungsantworten mit Periodendauern von 3,8 h und von 43 min gefunden. Im REM-Schlaf unterschied sich die Hyperkapnieantwort nicht von der im Stadium 4, ebenso waren die maximalen CO2-Partialdrucke identisch, während Mittel- und Minimalwerte im REM-Schlaf signifikant niedriger waren. Im Hinblick auf die kurzfristige Variabilität zeigte sich ein signifikanter Zusammenhang mit phasischen Ereignissen im REM-Schlaf, die selbst unter Hyperkapnie mit flacherer, beschleunigter Atmung einhergingen. Die Ergebnisse sprechen für erhaltene homoiostatische Funktionen der Atmungsregulation im Schlaf. Selbst kurzfristige Schwankungen im REM-Schlaf werden beim Gesunden rasch kompensiert.

Summary

With sleep onset the functional organization of respiration changes considerably: The socalled “wakefulness drives” loose their influence, ventilation is directly controlled by metabolic needs. Hypoxic (HVR) and hypercapnic ventilatory responses (HCVR) are reduced. The airway resistance increases. Dependent upon sleep states periodic breathing and increased variabilities of tidal volume and frequency occur. The hypoxic and hypercapnic arousal thresholds are elevated, resistive loads are incompletely compensated. Sleep-phase related reductions of the HCVR together with the observation of a circadian rhythm with minimal values in the early morning caused us to perform a study in 11 healthy men with continuous respiratory CO2-responses during the whole night sleep. We analysed the control of breathing, the causes of short-term variability of ventilatory measures as well as the behaviour of the PCO2. We recorded EEG, EOG, EMG, respiratory inductive plethysmography, pneumotachography via nose mask, respiratory gas compositions, pulse oximetry and ECG. We found only minor variations of PACO2 in different sleep stages, a tendency to decreasing slopes of the HCVR from wakefulness to stage 3 and 4 and finally stage 2, whilst there was a marked variability in REM sleep. In the course of the night we observed two periodicities with 3.8 h and with 43 min cycle durations. In adjacent REM-and NREM4-sleep the HCVR did not differ significantly, as well as the maximum PACO2, whereas mean and minimum PACO2 were significantly lower during REM-sleep. Short term variability significantly correlated with phasic REM events, which—even during hypercapnia—coincided with rapid shallow breathing. Our data suggest that homeostatic mechanisms of respiratory regulation are functional during sleep. Even short term changes during REM sleep are rapidly compensated in healthy subjects.

This is a preview of subscription content, access via your institution.

Literatur

  1. Berthon-Jones M, Sullivan CE: Ventilatory and arousal responses to hypoxia in sleeping humans. Am Rev Respir Dis 125: 632–639, 1982.

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  2. Bowes G, Townsend ER, Kozar LF, Bromley SM, Philipson EA: Effect of carotid body denervation on arousal response to hypoxia in sleeping dogs. J Appl Physiol 51(1): 40–45, 1981.

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  3. Bowes G, Woolf GM, Sullivan CE, Phillipson EA: Effect of sleep fragmentation on ventilatory and arousal response of sleeping dogs to respiratory stimuli. Am. Rev Respir Dis 122: 899–908, 1980.

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  4. Douglas NJ: Control of ventilation during sleep. In: Kryger MH, Roth T, Dement WC, eds. Principles and practice of sleep medicine. 2nd ed, Saunders, Philadelphia, London, Toronto, Montreal, Sydney, Tokyo, pp 204–211, 1994.

    Google Scholar 

  5. Douglas NJ, White DP, Weil JV, Pickett CK, Martin RJ, Hudgel DW, Zwillich CW: Hypoxic ventilatory response decreases during sleep in normal men. Am Rev Respir Dis 125: 286–289, 1982.

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  6. Douglas NJ, White DP, Weil JV, Pickett CK, Zwillich CW: Hypercapnic ventilatory response in sleeping adults. Am Rev Respir Dis 126: 758–762, 1982.

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  7. Hudgel DW, Martin RJ, Johnson B, Hill P: Mechanics of the respiratory system and breathing pattern during sleep in normal humans. J Appl Physiol 56: 133–137, 1984.

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  8. Issa FG, Sullivan CE: Arousal and breathing responses to airway occlusion in healthy sleeping adults. J Appl Physiol 55(4): 1113–1119, 1983.

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  9. Millman RP, Knight H, Kline LR, Shore ET, Chung DC, Pack AI: Changes in compartmental ventilation in association with eye movements during REM sleep. J Appl Physiol 65: 1196–1202, 1988.

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  10. Parisi RA, Edelman NH, Santiago TV: Central respiratory carbon dioxide chemosensitivity does not decrease during sleep. Am Rev Respir Dis 145(4): 832–836, 1992.

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  11. Phillipson EA, Bowes G: Control of breathing during sleep. In: Cherniak NS, Widdicombe JG (eds): Handbook of Physiology. The Respiratory System, Vol. II: Control of Breathing, Part 2. Am. Physiol. Soc. Bethesda, pp 649–689, 1986.

    Google Scholar 

  12. Phillipson EA, Kozar LF, Rebuck AS, Murphy E: Ventilatory and waking responses to CO2 in sleeping dogs. Am Rev Respir Dis 115: 251–259, 1977.

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  13. Phillipson EA, Sullivan CE, Read DJC, Murphy E, Kozar LF: Ventilatory and waking reponses to hypoxia in sleeping dogs. J Appl Physiol 44: 512–520, 1978.

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  14. Raschke F, Möller KH: Untersuchungen zur Tagesrhythmik der Chemosensitivität und deren Beitrag zu nächtlichen Atmungsregulationsstörungen. Pneumologie 43: 568–571, 1989.

    PubMed  Google Scholar 

  15. Rechtschaffen A, Kales A: A manual of standardized terminology, techniques and scoring system for sleep stages of human subjects. Bethesda, MD, US Dept. of Health, NIH, Neurological Information Network, 1968.

    Google Scholar 

  16. Schäfer C, Schäfer T, Schläfke ME: Atemgase im Wachsein und im Schlaf von Kindern mit kongenitalem zentralem Hypoventilationssyndrom (CCHS). 4. Deutscher Kongreß für Schlafforschung und Schlafmedizin, Erfurt, Abstractband, S. 74, 1996.

  17. Schäfer T, Bombosch C, Altmeier M, Schläfke ME: Respiratory responses to small step changes of PetCO2 during different states of vigilance. Eur Respir J 7, Suppl. 18: 23s, 1994 (Abstract).

  18. Schäfer T, Schäfer D, Schläfke ME: Breathing, transcutaneous blood gases, and CO2 response in SIDS siblings and control infants during sleep. J Appl Physiol 74: 88–102, 1993.

    PubMed  Google Scholar 

  19. Schläfke ME, Koepchen HP: A systems view of respiratory regulation. In: Greger R, Windhorst U (eds): Comprehensive human physiology—from cellular mechanisms to integration. Springer, Berlin, Heidelberg, New York, pp 2097–2127, 1996.

    Google Scholar 

  20. Schläfke ME, Schäfer T: CO2-partial pressure and respiratory response to CO2 during NREM- and REM-sleep in healthy subjects. Pflügers Arch-Eur J Physiol 431, Suppl., R 151, 1996 (Abstract).

    Google Scholar 

  21. Sullivan CE, Murphy E, Kozar LF, Phillipson EA: Ventilatory responses to CO2 and lung inflation in tonic versus phasic REM sleep. J Appl Physiol 47: 1304–1310, 1979.

    Google Scholar 

  22. White DP: Ventilation and the control of respiration during sleep: normal mechanisms, pathologic nocturnal hypoventilation, and central sleep apnea. In: Martin RJ (ed): Cardiorespiratory disorders during sleep. 2nd ed, Futura, Mount Kisko, pp 53–108, 1990.

    Google Scholar 

  23. White DP, Zwillich CW, Weil JV: Metabolic rate and breathing during sleep. J. Appl Physiol 59: 384–391, 1985.

    PubMed  CAS  Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to T. Schäfer.

Additional information

Teile dieser Arbeit entstammen den Dissertationen von M. Altmeier und C. Bombosch [17].

Rights and permissions

Reprints and Permissions

About this article

Cite this article

Schäfer, T., Schläfke, M.E. Zusammenspiel von Schlaf und Atmung: Untersuchungen zur Atmungsregulation im Schlaf. Somnologie 1, 21–26 (1997). https://doi.org/10.1007/s11818-997-0006-04

Download citation

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s11818-997-0006-04

Schlüsselwörter

  • Atmungsregulation
  • CO2-Partialdruck
  • CO2-Antwort
  • Schlafstadien
  • phasischer REM-Schlaf

Key words

  • control of breathing
  • carbon dioxide
  • hypercapnic ventilatory response
  • sleep stages
  • phasic REM sleep