PENGENDALIAN KIMIAWI RESPIRASI

Tujuan akhir respirasi adalah mempertahankan konsentrasi O?, CO?, dan H? yang tepat di dalam jaringan. Oleh karena itu, merupakan suatu keuntungan bahwa aktivitas respirasi sangat responsif terhadap perubahan pada masing-masing zat tersebut.

Kelebihan CO? atau kelebihan H? dalam darah terutama bekerja secara langsung pada pusat respirasi, menyebabkan peningkatan yang besar pada kekuatan sinyal motorik inspirasi maupun ekspirasi yang menuju otot-otot respirasi. Sebaliknya, oksigen tidak memiliki pengaruh langsung yang besar terhadap pusat respirasi di otak dalam pengendalian respirasi. Sebaliknya, oksigen bekerja hampir sepenuhnya pada kemoreseptor perifer yang terletak di badan karotis dan badan aorta, dan kemoreseptor ini selanjutnya menghantarkan sinyal saraf yang sesuai ke pusat respirasi untuk mengendalikan respirasi.

PENGENDALIAN LANGSUNG AKTIVITAS PUSAT RESPIRASI OLEH CO? DAN H?

Area Kemosensitif Pusat Respirasi di Bawah Permukaan Ventral Medula

Kita telah membahas tiga area utama pusat respirasi, yaitu kelompok neuron respirasi dorsal, kelompok respirasi ventral, dan pusat pneumotaksik. Diperkirakan tidak satu pun dari area tersebut dipengaruhi secara langsung oleh perubahan kadar CO? atau konsentrasi H? dalam darah. Sebaliknya, terdapat area neuron tambahan yang disebut area kemosensitif, yang ditunjukkan pada Gambar 42-2, terletak secara bilateral hanya sekitar 0,2 milimeter di bawah permukaan ventral medula. Area ini sangat sensitif terhadap perubahan PCO? darah maupun konsentrasi H? dan selanjutnya mengeksitasi bagian-bagian lain dari pusat respirasi.

Eksitasi Neuron Kemosensitif oleh H? Kemungkinan Merupakan Rangsangan Utama

Neuron sensorik di area kemosensitif terutama dieksitasi oleh H?; bahkan diyakini bahwa H? mungkin merupakan satu-satunya rangsangan langsung yang penting bagi neuron-neuron tersebut. Namun, ion H? tidak mudah menembus sawar darah-otak (blood-brain barrier). Karena alasan ini, perubahan konsentrasi H? dalam darah memiliki pengaruh yang jauh lebih kecil dalam merangsang neuron kemosensitif dibandingkan perubahan CO? darah, meskipun CO? diyakini merangsang neuron-neuron tersebut secara sekunder melalui perubahan konsentrasi H?, sebagaimana dijelaskan pada bagian berikut.

CO? Merangsang Neuron Kemosensitif Secara Tidak Langsung

Walaupun CO? hanya memiliki sedikit efek langsung dalam merangsang neuron pada area kemosensitif, CO? memiliki efek tidak langsung yang sangat kuat. Efek ini terjadi melalui reaksinya dengan air dalam jaringan membentuk asam karbonat, yang kemudian terdisosiasi menjadi H? dan HCO??; selanjutnya H? memberikan efek stimulasi langsung yang kuat terhadap respirasi. Reaksi-reaksi ini ditunjukkan pada Gambar 42-2.

Mengapa CO? darah memiliki efek yang lebih kuat dalam merangsang neuron kemosensitif dibandingkan H? darah? Jawabannya adalah karena sawar darah-otak tidak terlalu permeabel terhadap H?, sedangkan CO? dapat melewati sawar tersebut hampir seolah-olah sawar tersebut tidak ada. Akibatnya, setiap kali PCO? darah meningkat, PCO? cairan interstisial medula dan cairan serebrospinal juga meningkat. Dalam kedua cairan tersebut, CO? segera bereaksi dengan air untuk membentuk H? baru.

Dengan demikian, secara paradoks, lebih banyak H? dilepaskan ke area sensorik kemosensitif respirasi di medula ketika konsentrasi CO? darah meningkat dibandingkan ketika konsentrasi H? darah meningkat. Oleh karena itu, aktivitas pusat respirasi meningkat sangat kuat akibat perubahan CO? darah, suatu fakta yang akan dibahas lebih lanjut secara kuantitatif.

Efek Stimulasi CO? yang Menurun Setelah 1 hingga 2 Hari Pertama

Eksitasi pusat respirasi oleh CO? sangat besar selama beberapa jam pertama setelah CO? darah meningkat, tetapi kemudian secara bertahap menurun selama 1 hingga 2 hari berikutnya hingga hanya sekitar seperlima dari efek awal.

Sebagian dari penurunan ini terjadi akibat penyesuaian kembali oleh ginjal terhadap konsentrasi H? dalam darah yang bersirkulasi menuju keadaan normal setelah peningkatan H? yang disebabkan oleh CO?. Ginjal melakukan penyesuaian ini dengan meningkatkan kadar HCO?? dalam darah, yang berikatan dengan H? dalam darah dan cairan serebrospinal sehingga menurunkan konsentrasinya.

Namun yang lebih penting, selama beberapa jam, HCO?? juga secara perlahan berdifusi melewati sawar darah-otak dan sawar darah-cairan serebrospinal, lalu berikatan langsung dengan H? di sekitar neuron respirasi sehingga menurunkan kadar H? kembali mendekati normal.

Dengan demikian, perubahan konsentrasi CO? darah memiliki efek akut yang kuat dalam mengendalikan dorongan respirasi, tetapi hanya memiliki efek kronis yang lemah setelah beberapa hari adaptasi.

Efek Kuantitatif PCO? Darah dan Konsentrasi H? terhadap Ventilasi Alveolar

Gambar 42-3 menunjukkan secara kuantitatif efek perkiraan PCO? darah dan pH darah (yang merupakan ukuran logaritmik terbalik dari konsentrasi H?) terhadap ventilasi alveolar.

Perhatikan terutama peningkatan ventilasi yang sangat nyata akibat peningkatan PCO? dalam rentang normal antara 35 hingga 75 mmHg, yang menunjukkan besarnya pengaruh perubahan CO? dalam pengendalian respirasi. Sebaliknya, perubahan respirasi pada rentang pH darah normal, yaitu antara 7,3 dan 7,5, besarnya kurang dari 10% dibandingkan efek perubahan CO?.

Perubahan O? Memiliki Sedikit Efek Langsung terhadap Pengendalian Pusat Respirasi

Perubahan konsentrasi O? hampir tidak memiliki efek langsung terhadap pusat respirasi itu sendiri dalam mengubah dorongan respirasi, meskipun perubahan O? memiliki efek tidak langsung melalui kemoreseptor perifer, sebagaimana dijelaskan pada bagian berikut.

Kita telah mempelajari pada Bab 41 bahwa sistem penyangga hemoglobin-oksigen mengantarkan jumlah O? yang hampir tepat normal ke jaringan, bahkan ketika PO? pulmoner berubah dari nilai serendah 60 mmHg hingga setinggi 1000 mmHg. Oleh karena itu, kecuali dalam kondisi khusus, pengantaran O? yang memadai dapat tetap berlangsung meskipun ventilasi paru berubah dari sedikit di bawah setengah normal hingga mencapai 20 kali atau lebih di atas normal.

Hal ini tidak berlaku untuk CO? karena PCO? darah dan jaringan berubah secara berbanding terbalik dengan laju ventilasi pulmoner. Oleh karena itu, proses evolusi hewan telah menjadikan CO? sebagai pengendali utama respirasi, bukan O?.

Namun, pada kondisi khusus ketika jaringan mengalami kekurangan O?, tubuh memiliki mekanisme khusus untuk pengendalian respirasi yang terletak pada kemoreseptor perifer di luar pusat respirasi otak. Mekanisme ini memberikan respons ketika O? darah turun terlalu rendah, terutama ketika PO? berada di bawah 70 mmHg, sebagaimana dijelaskan pada bagian berikut.

SISTEM KEMORESEPTOR PERIFER: PERAN OKSIGEN DALAM PENGENDALIAN RESPIRASI

Selain pengendalian aktivitas respirasi oleh pusat respirasi itu sendiri, tersedia mekanisme lain untuk mengendalikan respirasi. Mekanisme ini adalah sistem kemoreseptor perifer, yang ditunjukkan pada Gambar 42-4.

Reseptor kimia saraf khusus yang disebut kemoreseptor terletak di beberapa area di luar otak. Kemoreseptor ini sangat penting untuk mendeteksi perubahan kadar O? dalam darah, meskipun juga memberikan respons, dalam derajat yang lebih kecil, terhadap perubahan konsentrasi CO? dan H?. Kemoreseptor menghantarkan sinyal saraf ke pusat respirasi di otak untuk membantu mengatur aktivitas respirasi.

Sebagian besar kemoreseptor berada di badan karotis. Namun, sejumlah kecil juga terdapat di badan aorta, yang ditunjukkan pada bagian bawah Gambar 42-4, dan sangat sedikit lainnya berada di lokasi lain yang berhubungan dengan arteri-arteri di daerah toraks dan abdomen.

Badan karotis terletak secara bilateral pada percabangan arteri karotis komunis. Serabut saraf aferennya berjalan melalui saraf Hering menuju saraf glosofaringeus dan kemudian ke area respirasi dorsal di medula. Badan aorta terletak di sepanjang arkus aorta; serabut saraf aferennya berjalan melalui saraf vagus, juga menuju area respirasi dorsal medula.

Setiap badan kemoreseptor menerima suplai darah khususnya sendiri melalui arteri kecil yang berasal langsung dari batang arteri yang berdekatan. Aliran darah melalui badan-badan ini sangat besar, mencapai 20 kali berat badan kemoreseptor itu sendiri setiap menit. Oleh karena itu, persentase O? yang diambil dari darah yang mengalir hampir nol, yang berarti bahwa kemoreseptor setiap saat terpapar darah arteri, bukan darah vena, dan nilai PO? yang dideteksi merupakan nilai PO? arteri.

Penurunan Oksigen Arteri Menstimulasi Kemoreseptor. Ketika konsentrasi oksigen dalam darah arteri turun di bawah normal, kemoreseptor menjadi sangat terstimulasi. Efek ini diperlihatkan pada Gambar 42-5, yang menunjukkan pengaruh berbagai tingkat Po? arteri terhadap laju transmisi impuls saraf dari suatu badan karotis. Perhatikan bahwa laju impuls sangat sensitif terhadap perubahan Po? arteri dalam kisaran 60 mm Hg hingga 30 mm Hg, suatu kisaran di mana saturasi hemoglobin oleh oksigen menurun dengan cepat.

Mekanisme Dasar Stimulasi Kemoreseptor oleh Defisiensi O?. Mekanisme pasti bagaimana Po? yang rendah mengeksitasi ujung saraf pada badan karotis dan badan aorta masih belum sepenuhnya dipahami. Namun, badan-badan ini memiliki banyak sel khas yang menyerupai sel kelenjar, yang disebut sel glomus, yang bersinaps secara langsung maupun tidak langsung dengan ujung saraf. Bukti saat ini menunjukkan bahwa sel glomus ini berfungsi sebagai kemoreseptor dan kemudian menstimulasi ujung saraf (Gambar 42-6). Sel glomus memiliki saluran kalium yang sensitif terhadap O? yang diinaktivasi ketika Po? darah menurun secara nyata. Inaktivasi ini menyebabkan sel mengalami depolarisasi, yang selanjutnya membuka saluran kalsium berpagar tegangan dan meningkatkan konsentrasi ion kalsium intraseluler. Peningkatan jumlah ion kalsium menstimulasi pelepasan neurotransmiter yang mengaktivasi neuron aferen yang mengirimkan sinyal ke sistem saraf pusat dan menstimulasi respirasi. Meskipun penelitian awal menunjukkan bahwa dopamin atau asetilkolin mungkin merupakan neurotransmiter utama, penelitian yang lebih baru menunjukkan bahwa selama hipoksia, adenosin trifosfat (ATP) mungkin merupakan neurotransmiter eksitatorik utama yang dilepaskan oleh sel glomus badan karotis.

Peningkatan Konsentrasi CO? dan H? Menstimulasi Kemoreseptor. Peningkatan konsentrasi CO? atau H? juga mengeksitasi kemoreseptor dan, dengan cara ini, secara tidak langsung meningkatkan aktivitas respirasi. Namun, efek langsung kedua faktor ini pada pusat respirasi jauh lebih kuat dibandingkan efeknya yang dimediasi melalui kemoreseptor (sekitar tujuh kali lebih kuat). Akan tetapi, terdapat satu perbedaan antara efek perifer dan sentral CO?. Stimulasi melalui kemoreseptor perifer terjadi hingga lima kali lebih cepat dibandingkan stimulasi sentral, sehingga kemoreseptor perifer mungkin sangat penting dalam meningkatkan kecepatan respons terhadap CO? pada awal latihan.

Pengaruh Po? Arteri Rendah dalam Menstimulasi Ventilasi Alveolar Ketika Konsentrasi CO? dan H? Arteri Tetap Normal

Gambar 42-7 menunjukkan pengaruh Po? arteri yang rendah terhadap ventilasi alveolar ketika konsentrasi Pco? dan H? dipertahankan konstan pada tingkat normalnya. Dengan kata lain, pada gambar ini hanya dorongan ventilasi yang disebabkan oleh O? rendah pada kemoreseptor yang aktif. Gambar 42-7 menunjukkan hampir tidak ada pengaruh terhadap ventilasi selama Po? arteri tetap lebih besar dari 100 mm Hg. Namun, pada tekanan yang lebih rendah dari 100 mm Hg, ventilasi meningkat sekitar dua kali lipat ketika Po? arteri turun menjadi 60 mm Hg dan dapat meningkat hingga lima kali lipat pada nilai Po? yang sangat rendah. Dalam kondisi ini, Po? arteri yang rendah jelas mendorong proses ventilasi dengan sangat kuat.

Karena efek hipoksia terhadap ventilasi relatif kecil pada nilai Po? yang lebih besar dari 60 hingga 80 mm Hg, respons terhadap Pco? dan H? terutama bertanggung jawab dalam mengatur ventilasi pada manusia sehat di permukaan laut.

Pernapasan Kronis dengan O? Rendah Menstimulasi Respirasi Lebih Lanjut: Fenomena “Aklimatisasi”

Para pendaki gunung telah menemukan bahwa ketika mereka mendaki gunung secara perlahan, selama beberapa hari dan bukan beberapa jam, mereka bernapas jauh lebih dalam sehingga dapat mentoleransi konsentrasi O? atmosfer yang jauh lebih rendah dibandingkan ketika mereka mendaki dengan cepat. Fenomena ini disebut aklimatisasi.

Alasan terjadinya aklimatisasi adalah bahwa dalam waktu 2 hingga 3 hari, pusat respirasi di batang otak kehilangan sekitar 80% sensitivitasnya terhadap perubahan Pco? dan H?. Oleh karena itu, pembuangan CO? berlebihan melalui ventilasi yang biasanya akan menghambat peningkatan respirasi tidak lagi terjadi, dan O? yang rendah dapat mendorong sistem respirasi mencapai tingkat ventilasi alveolar yang jauh lebih tinggi dibandingkan pada kondisi akut. Alih-alih peningkatan ventilasi sebesar 70% yang mungkin terjadi setelah paparan akut terhadap O? rendah, ventilasi alveolar sering meningkat sebesar 400% hingga 500% setelah 2 hingga 3 hari berada pada kondisi O? rendah, yang sangat membantu dalam menyediakan tambahan O? bagi pendaki gunung.

Efek Gabungan Pco?, pH, dan Po? terhadap Ventilasi Alveolar

Gambar 42-8 memberikan gambaran singkat mengenai cara Po?, Pco?, dan pH secara bersama-sama memengaruhi ventilasi alveolar. Untuk memahami diagram ini, pertama-tama perhatikan empat kurva merah. Kurva-kurva ini dicatat pada tingkat Po? arteri yang berbeda, yaitu 40, 50, 60, dan 100 mm Hg. Pada masing-masing kurva tersebut, Pco? diubah dari tingkat yang lebih rendah ke tingkat yang lebih tinggi. Dengan demikian, kelompok kurva merah ini merepresentasikan efek gabungan Pco? alveolar dan Po? terhadap ventilasi.

Sekarang perhatikan kurva hijau. Sementara kurva merah diukur pada pH darah 7,4, kurva hijau diukur pada pH 7,3. Dengan demikian, terdapat dua kelompok kurva yang merepresentasikan efek gabungan Pco? dan Po? terhadap ventilasi pada dua nilai pH yang berbeda. Kelompok kurva lain akan bergeser ke kanan pada pH yang lebih tinggi dan bergeser ke kiri pada pH yang lebih rendah. Oleh karena itu, dengan menggunakan diagram ini, seseorang dapat memperkirakan tingkat ventilasi alveolar untuk sebagian besar kombinasi Pco? alveolar, Po? alveolar, dan pH arteri.

PENGATURAN RESPIRASI SELAMA LATIHAN

Selama latihan berat, konsumsi O? dan pembentukan CO? dapat meningkat hingga 20 kali lipat. Namun, pada atlet yang sehat, seperti diperlihatkan pada Gambar 42-9, ventilasi alveolar biasanya meningkat hampir tepat sebanding dengan peningkatan tingkat metabolisme oksigen. Po? arteri, Pco?, dan pH tetap hampir sepenuhnya normal.

Dalam upaya menganalisis penyebab peningkatan ventilasi selama latihan, seseorang mungkin tergoda untuk mengaitkan peningkatan ventilasi ini dengan peningkatan CO? dan H? dalam darah, serta penurunan O? dalam darah. Namun, pengukuran Pco? arteri, pH, dan Po? menunjukkan bahwa tidak satu pun dari nilai-nilai ini berubah secara bermakna selama latihan, sehingga tidak ada yang menjadi cukup abnormal untuk menstimulasi respirasi sekuat yang diamati selama latihan berat. Oleh karena itu, apa yang menyebabkan ventilasi yang intens selama latihan? Setidaknya satu mekanisme tampaknya dominan. Otak, ketika mengirimkan impuls motorik ke otot yang sedang berolahraga, diyakini juga mengirimkan impuls kolateral ke batang otak pada saat yang sama untuk mengeksitasi pusat respirasi. Tindakan ini analog dengan stimulasi pusat vasomotor di batang otak selama latihan yang menyebabkan peningkatan tekanan arteri secara bersamaan.

Sebenarnya, ketika seseorang mulai berolahraga, sebagian besar peningkatan total ventilasi dimulai segera pada awal latihan, sebelum zat kimia dalam darah sempat berubah. Kemungkinan besar sebagian besar peningkatan respirasi merupakan hasil dari sinyal neurogenik yang ditransmisikan langsung ke pusat respirasi di batang otak pada saat yang sama ketika sinyal dikirim ke otot-otot tubuh untuk menyebabkan kontraksi otot.

Hubungan Timbal Balik antara Faktor Kimia dan Saraf dalam Mengendalikan Respirasi Selama Latihan

Ketika seseorang berolahraga, sinyal saraf langsung diduga menstimulasi pusat respirasi hampir dalam jumlah yang tepat untuk memenuhi kebutuhan tambahan O? selama latihan dan membuang kelebihan CO?. Namun, kadang-kadang sinyal pengendalian respirasi saraf terlalu kuat atau terlalu lemah. Faktor kimia kemudian berperan penting dalam menghasilkan penyesuaian akhir respirasi yang diperlukan untuk mempertahankan konsentrasi O?, CO?, dan H? dalam cairan tubuh sedekat mungkin dengan keadaan normal.

Proses ini diperlihatkan pada Gambar 42-10. Kurva bawah menunjukkan perubahan ventilasi alveolar selama 1 menit latihan, dan kurva atas menunjukkan perubahan Pco? arteri. Perhatikan bahwa pada awal latihan, ventilasi alveolar meningkat hampir seketika tanpa adanya peningkatan awal Pco? arteri. Bahkan, peningkatan ventilasi ini biasanya cukup besar sehingga pada awalnya justru menurunkan Pco? arteri di bawah normal, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Alasan yang diduga mengapa ventilasi mendahului peningkatan CO? darah adalah bahwa otak memberikan stimulasi respirasi yang bersifat “antisipatif” pada awal latihan, sehingga menyebabkan ventilasi alveolar tambahan bahkan sebelum hal tersebut diperlukan. Namun, setelah 30 hingga 40 detik, jumlah CO? yang dilepaskan ke dalam darah dari otot yang aktif kira-kira sesuai dengan peningkatan laju ventilasi, dan Pco? arteri kembali pada dasarnya ke tingkat normal meskipun latihan terus berlanjut. Hal ini ditunjukkan menjelang akhir 1 menit latihan pada gambar tersebut.

Gambar 42-11 merangkum pengendalian respirasi selama latihan dengan cara lain, kali ini secara lebih kuantitatif. Kurva bawah pada gambar ini menunjukkan pengaruh berbagai tingkat Pco? arteri terhadap ventilasi alveolar ketika tubuh berada dalam keadaan istirahat, yaitu tidak berolahraga. Kurva atas menunjukkan pergeseran perkiraan kurva ventilasi ini yang disebabkan oleh dorongan neurogenik dari pusat respirasi yang terjadi selama latihan berat. Titik-titik yang ditunjukkan pada kedua kurva menunjukkan Pco? arteri pada keadaan istirahat dan kemudian pada keadaan latihan. Perhatikan bahwa pada kedua keadaan tersebut, Pco? berada pada tingkat normal sebesar 40 mm Hg. Dengan kata lain, faktor neurogenik menggeser kurva sekitar 20 kali lipat ke arah atas sehingga ventilasi hampir sesuai dengan laju pelepasan CO? dan mempertahankan Pco? arteri mendekati nilai normalnya. Kurva atas pada Gambar 42-11 juga menunjukkan bahwa jika selama latihan Pco? arteri berubah dari nilai normalnya sebesar 40 mm Hg, maka perubahan tersebut memiliki efek stimulasi tambahan terhadap ventilasi pada nilai Pco? yang lebih besar dari 40 mm Hg dan efek depresan pada nilai Pco? yang lebih kecil dari 40 mm Hg.

Pengendalian Neurogenik Ventilasi Selama Latihan Mungkin Sebagian Merupakan Respons yang Dipelajari

Banyak eksperimen menunjukkan bahwa kemampuan otak untuk menggeser kurva respons ventilasi selama latihan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 42-11, setidaknya sebagian merupakan respons yang dipelajari. Artinya, dengan periode latihan yang berulang, otak secara progresif menjadi lebih mampu memberikan sinyal yang tepat untuk mempertahankan Pco? darah pada tingkat normal. Selain itu, terdapat alasan untuk meyakini bahwa bahkan korteks serebri juga terlibat dalam proses pembelajaran ini karena eksperimen yang hanya memblok korteks juga memblok respons yang dipelajari tersebut.

Faktor-Faktor Lain yang Memengaruhi Respirasi

Pengaruh Reseptor Iritan pada Jalan Napas

Epitel trakea, bronkus, dan bronkiolus dipersarafi oleh ujung saraf sensorik yang disebut reseptor iritan pulmoner yang distimulasi oleh banyak faktor. Reseptor ini memulai refleks batuk dan bersin, sebagaimana dibahas dalam Bab 40. Reseptor ini juga dapat menyebabkan konstriksi bronkus pada orang dengan penyakit seperti asma dan emfisema.

Fungsi Reseptor J Paru

Sejumlah kecil ujung saraf sensorik telah dideskripsikan pada dinding alveolus yang terletak berdekatan dengan kapiler pulmoner, sehingga disebut reseptor J. Reseptor ini terutama distimulasi ketika kapiler pulmoner mengalami kongesti darah atau ketika terjadi edema paru pada kondisi seperti gagal jantung kongestif. Meskipun peran fungsional reseptor J belum jelas, eksitasinya dapat menimbulkan sensasi dispnea pada seseorang.

Edema Otak Menekan Pusat Respirasi

Aktivitas pusat respirasi dapat ditekan atau bahkan diinaktivasi oleh edema otak akut yang terjadi akibat kontusio otak. Sebagai contoh, kepala dapat terbentur suatu benda keras sehingga jaringan otak yang rusak membengkak dan menekan arteri serebri terhadap rongga kranium, yang menyebabkan hambatan sebagian terhadap suplai darah ke otak.

Kadang-kadang, depresi respirasi akibat edema otak dapat diringankan sementara dengan pemberian intravena larutan hipertonik, seperti larutan manitol berkonsentrasi tinggi. Larutan ini secara osmotik mengeluarkan sebagian cairan dari otak, sehingga mengurangi tekanan intrakranial dan kadang-kadang memulihkan respirasi dalam beberapa menit.

Overdosis Anestetik dan Narkotik

Mungkin penyebab paling umum depresi respirasi dan henti napas adalah overdosis anestetik atau narkotik. Sebagai contoh, natrium pentobarbital menekan pusat respirasi jauh lebih besar dibandingkan banyak anestetik lainnya, seperti halotan. Pada suatu waktu, morfin digunakan sebagai anestetik, tetapi saat ini obat tersebut hanya digunakan sebagai tambahan anestetik karena sangat menekan pusat respirasi sementara kemampuannya untuk menghasilkan anestesi korteks serebri relatif lebih rendah.

Karena kemampuannya menyebabkan depresi respirasi, opioid bertanggung jawab atas proporsi besar kematian akibat overdosis obat di seluruh dunia. Di Amerika Serikat, sekitar 70.000 orang meninggal akibat overdosis obat pada tahun 2017, sebagian besar disebabkan oleh henti napas.

Pernapasan Periodik

Suatu kelainan respirasi yang disebut pernapasan periodik terjadi pada beberapa kondisi penyakit. Penderita bernapas dalam selama interval singkat, kemudian bernapas ringan atau tidak bernapas sama sekali selama interval berikutnya, dengan siklus yang berulang terus-menerus. Salah satu jenis pernapasan periodik, yaitu pernapasan Cheyne-Stokes, ditandai oleh respirasi yang secara perlahan meningkat dan menurun setiap sekitar 40 hingga 60 detik, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 42-12.

Mekanisme Dasar Pernapasan Cheyne-Stokes

Penyebab dasar pernapasan Cheyne-Stokes adalah sebagai berikut. Ketika seseorang bernapas berlebihan sehingga terlalu banyak CO? dikeluarkan dari darah pulmoner dan pada saat yang sama meningkatkan O? darah, diperlukan beberapa detik sebelum darah pulmoner yang telah berubah tersebut ditransportasikan ke otak dan menghambat ventilasi berlebihan. Pada saat itu, orang tersebut sudah mengalami hiperventilasi selama beberapa detik tambahan. Oleh karena itu, ketika darah yang mengalami hiperventilasi akhirnya mencapai pusat respirasi di otak, pusat tersebut mengalami depresi secara berlebihan, dan siklus yang berlawanan pun dimulai, yaitu CO? meningkat dan O? menurun di alveoli. Sekali lagi, diperlukan beberapa detik sebelum otak dapat merespons perubahan baru ini. Ketika otak akhirnya merespons, orang tersebut kembali bernapas dengan kuat dan siklus pun berulang.

Penyebab dasar pernapasan Cheyne-Stokes sebenarnya terdapat pada setiap orang. Namun, dalam kondisi normal, mekanisme ini sangat teredam. Artinya, cairan darah dan area pengendali pusat respirasi mengandung sejumlah besar CO? dan O? yang terlarut maupun terikat secara kimia. Oleh karena itu, dalam keadaan normal, paru tidak dapat meningkatkan CO? secara berlebihan atau menurunkan O? secara cukup besar hanya dalam beberapa detik untuk memicu siklus berikutnya dari pernapasan periodik.

Namun, dalam dua kondisi yang berbeda, faktor peredam ini dapat teratasi sehingga pernapasan Cheyne-Stokes terjadi:

1. Ketika terjadi keterlambatan yang panjang dalam transport darah dari paru ke otak, perubahan CO? dan O? di alveoli dapat berlanjut selama beberapa detik lebih lama daripada biasanya. Dalam kondisi ini, kapasitas penyimpanan alveoli dan darah pulmoner untuk gas-gas tersebut terlampaui; kemudian, setelah beberapa detik tambahan, dorongan respirasi periodik menjadi ekstrem dan pernapasan Cheyne-Stokes dimulai. Jenis pernapasan Cheyne-Stokes ini sering terjadi pada pasien dengan gagal jantung berat karena aliran darah lambat sehingga transport gas darah dari paru ke otak tertunda. Pada pasien dengan gagal jantung kronis, pernapasan Cheyne-Stokes kadang-kadang dapat muncul dan menghilang selama berbulan-bulan.
2. Penyebab kedua pernapasan Cheyne-Stokes adalah peningkatan gain umpan balik negatif pada area pengendalian respirasi, yang berarti bahwa perubahan CO? atau O? darah menyebabkan perubahan ventilasi yang jauh lebih besar daripada normal. Sebagai contoh, alih-alih peningkatan ventilasi normal sebesar dua hingga tiga kali lipat ketika Pco? meningkat 3 mm Hg, peningkatan 3 mm Hg yang sama dapat meningkatkan ventilasi 10 hingga 20 kali lipat. Kecenderungan umpan balik otak untuk menghasilkan pernapasan periodik sekarang cukup kuat untuk menimbulkan pernapasan Cheyne-Stokes tanpa adanya keterlambatan tambahan aliran darah antara paru dan otak. Jenis pernapasan Cheyne-Stokes ini terutama terjadi pada pasien dengan kerusakan pusat respirasi di otak. Kerusakan otak sering kali mematikan dorongan respirasi sepenuhnya selama beberapa detik, kemudian peningkatan CO? darah yang sangat besar mengaktifkannya kembali dengan sangat kuat. Pernapasan Cheyne-Stokes jenis ini sering merupakan pertanda menjelang kematian akibat disfungsi otak.

Rekaman khas perubahan Pco? darah pulmoner dan Pco? pusat respirasi selama pernapasan Cheyne-Stokes ditunjukkan pada Gambar 42-12. Perhatikan bahwa Pco? darah pulmoner berubah lebih dahulu dibandingkan Pco? neuron respirasi. Namun, kedalaman respirasi berkorelasi dengan Pco? di otak, bukan dengan Pco? darah pulmoner tempat ventilasi berlangsung.

Apnea Tidur

Istilah apnea berarti tidak adanya pernapasan spontan. Apnea sesekali dapat terjadi selama tidur normal, tetapi pada individu dengan apnea tidur, frekuensi dan durasinya meningkat secara nyata, dengan episode apnea yang berlangsung selama 10 detik atau lebih dan terjadi 300 hingga 500 kali setiap malam. Apnea tidur dapat disebabkan oleh obstruksi jalan napas atas, terutama faring, atau oleh gangguan dorongan respirasi dari sistem saraf pusat.

Apnea Tidur Obstruktif Disebabkan oleh Sumbatan Jalan Napas Atas

Otot-otot faring biasanya mempertahankan saluran ini tetap terbuka sehingga udara dapat mengalir ke paru selama inspirasi. Selama tidur, otot-otot ini biasanya mengalami relaksasi, tetapi jalan napas tetap cukup terbuka untuk memungkinkan aliran udara yang memadai. Beberapa orang memiliki saluran yang sangat sempit, dan relaksasi otot-otot ini selama tidur menyebabkan faring menutup sepenuhnya sehingga udara tidak dapat mengalir ke paru.

Pada penderita apnea tidur, dengkuran keras dan pernapasan yang berat terjadi segera setelah tertidur. Dengkuran berlanjut, sering kali menjadi semakin keras, kemudian terhenti oleh periode hening yang panjang ketika tidak terjadi pernapasan (apnea). Periode apnea ini menyebabkan penurunan Po? yang bermakna dan peningkatan Pco? yang sangat menstimulasi respirasi. Stimulasi ini kemudian menyebabkan upaya bernapas secara mendadak yang menghasilkan suara dengusan dan tarikan napas keras, diikuti kembali oleh dengkuran dan episode apnea berulang. Periode apnea dan pernapasan berat ini berulang ratusan kali sepanjang malam, sehingga menyebabkan tidur yang terfragmentasi dan gelisah. Oleh karena itu, pasien dengan apnea tidur biasanya mengalami kantuk berlebihan pada siang hari, serta gangguan lain termasuk peningkatan aktivitas simpatis, peningkatan denyut jantung, hipertensi pulmoner dan sistemik, serta peningkatan risiko penyakit kardiovaskular yang sangat besar.

Apnea tidur obstruktif biasanya terjadi pada orang lanjut usia yang obesitas, di mana terdapat peningkatan deposisi lemak pada jaringan lunak faring atau kompresi faring akibat massa lemak berlebih di leher. Pada beberapa individu, apnea tidur dapat berkaitan dengan obstruksi hidung, lidah yang sangat besar, tonsil yang membesar, atau bentuk palatum tertentu yang sangat meningkatkan resistensi aliran udara ke paru selama inspirasi. Penatalaksanaan yang paling umum untuk apnea tidur obstruktif meliputi: (1) pembedahan untuk mengangkat jaringan lemak berlebih di bagian belakang tenggorokan (prosedur yang disebut uvulopalatofaringoplasti), mengangkat tonsil atau adenoid yang membesar, atau membuat lubang pada trakea (trakeostomi) untuk melewati jalan napas yang tersumbat selama tidur; dan (2) ventilasi nasal dengan tekanan jalan napas positif kontinu (continuous positive airway pressure, CPAP).

Apnea Tidur “Sentral” Terjadi Ketika Dorongan Saraf ke Otot Respirasi Hilang Sementara

Pada beberapa penderita apnea tidur, dorongan sistem saraf pusat ke otot ventilasi berhenti sementara. Gangguan yang dapat menyebabkan penghentian dorongan ventilasi selama tidur meliputi kerusakan pusat respirasi sentral atau kelainan pada aparatus neuromuskular respirasi.

Pasien yang mengalami apnea tidur sentral dapat memiliki ventilasi yang menurun bahkan ketika terjaga, meskipun mereka sepenuhnya mampu melakukan pernapasan volunter yang normal. Selama tidur, gangguan pernapasan mereka biasanya memburuk sehingga menghasilkan episode apnea yang lebih sering, yang menurunkan Po? dan meningkatkan Pco? hingga mencapai tingkat kritis yang akhirnya menstimulasi respirasi. Ketidakstabilan respirasi sementara ini menyebabkan tidur yang gelisah dan gambaran klinis yang serupa dengan yang diamati pada penderita apnea tidur obstruktif.

Pada sebagian besar pasien, penyebab apnea tidur sentral tidak diketahui, meskipun ketidakstabilan dorongan respirasi dapat disebabkan oleh stroke atau gangguan lain yang membuat pusat respirasi otak kurang responsif terhadap efek stimulasi CO? dan H?. Pasien dengan penyakit ini sangat sensitif terhadap bahkan dosis kecil sedatif atau narkotik yang semakin mengurangi respons pusat respirasi terhadap efek stimulasi CO?. Obat-obatan yang menstimulasi pusat respirasi kadang-kadang dapat membantu, tetapi ventilasi dengan CPAP pada malam hari biasanya diperlukan.

Dalam beberapa kasus, apnea tidur dapat disebabkan oleh kombinasi mekanisme obstruktif dan sentral. Tipe apnea tidur “campuran” ini diperkirakan mencakup sekitar 15% dari seluruh kasus apnea tidur, sedangkan apnea tidur “sentral” murni mencakup kurang dari 1% kasus. Penyebab tersering apnea tidur adalah obstruksi jalan napas atas.

Pengendalian Volunter Respirasi

Sejauh ini, pembahasan terutama berfokus pada sistem involunter untuk pengendalian respirasi. Namun, kita semua mengetahui bahwa respirasi dapat dikendalikan secara volunter untuk periode yang singkat, dan seseorang dapat mengalami hiperventilasi atau hipoventilasi sedemikian rupa sehingga terjadi gangguan berat pada Pco?, pH, dan Po? darah. Bahkan, rekor dunia untuk durasi menahan napas secara sukarela (apnea) dalam kondisi istirahat statis (tanpa melakukan hiperventilasi dengan oksigen murni sebelum percobaan) dilaporkan mencapai 11 menit 54 detik. Hiperventilasi dengan oksigen murni dan pengeluaran sejumlah besar CO? sebelum percobaan apnea telah memungkinkan individu menahan napas di bawah air selama lebih dari 24 menit. Atlet apnea tingkat elite mampu menekan dorongan bernapas hingga saturasi oksigen turun serendah sekitar 50%, dan hilangnya kesadaran menjadi faktor yang membatasi durasi menahan napas.