Zusammenspiel von Schlaf und Atmung: Untersuchungen zur Atmungsregulation im Schlaf

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 P_ACO₂ 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 P_ACO₂, whereas mean and minimum P_ACO₂ 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.