Expiração ativa: caracterização funcional e mecanismos neurais

Distúrbios gasosos sanguíneos, como a hipóxia (baixa concentração de O2) ou a hipercapnia (altos níveis de CO2), desencadeiam um aumento compensatório na ventilação pulmonar (VE). Nessas condições, o oscilador inspiratório pré-Bötzinger (pré-BötC) é ativado para aumentar o ritmo respiratório e também há o recrutamento do músculo abdominal (ABD), caracterizando a expiração ativa (EA). A EA pode intensificar o fluxo expiratório ou modificar a duração da fase expiratória e resulta da ativação de um oscilador expiratório condicional, o grupo respiratório parafacial lateral (pFL). Sugere-se que o pré-BötC e o complexo de Bötzinger (BötC) atuem como fontes de inibição para o pFL, modulando o surgimento da EA. Entretanto, a contribuição funcional dos neurônios do pré-BötC ainda não está totalmente esclarecida, e o fenótipo dos neurônios do BötC que fornecem drive inibitório ao pFL permanece desconhecido. Apesar dos avanços no estudo da EA, ainda há lacunas sobre seus aspectos funcionais e os mecanismos envolvidos no seu recrutamento. Realizamos três abordagens experimentais: (1) caracterizamos funcionalmente a EA em ratos com livre movimentação para avaliar seu impacto sobre parâmetros ventilatórios, metabólicos e sua correlação com a atividade motora inspiratória durante hipóxia e hipercapnia; (2) investigamos o papel dos neurônios do pré-BötC no padrão expiratório ativo em preparações in situ; e (3) analisamos o papel de neurônios parvalbuminérgicos inibitórios do BötC no controle da EA em camundongos transgênicos. Foram utilizados: (1) ratos Sprague-Dawley Holtzman instrumentados para registros da VE, temperatura corporal, atividades diafragmática e abdominal e consumo de O2 durante diferentes níveis de hipóxia (12–8% O2) e hipercapnia (3–7% CO2); (2) preparações in situ de ratos para estimulação (glutamato 10 mM e substância P 10 μM) e inibição (isoguvacina 10 mM) farmacológica de neurônios do pré-BötC, com registros dos nervos frênico, vago e abdominal; e (3) camundongos PV-Cre;Ai9 para inibição optogenética seletiva dos neurônios parvalbuminérgicos, com registro eletromiográfico do genioglosso, intercostal externo e abdominal. Verificamos que a hipóxia ou hipercapnia evocaram EA, com o recrutamento ABD. A presença de EA foi associada a aumentos adicionais no volume corrente, sem alterações na amplitude diafragmática. Análises de fluxo de ar sugeriram que, durante hipóxia, a EA recrutou o volume de reserva expiratória na expiração tardia, enquanto na hipercapnia acelerou o esvaziamento pulmonar e aumentou o pico de fluxo expiratório durante a pós-inspiração. A EA aumentou o consumo de O2 sem melhorar o equivalente ventilatório, sugerindo possível influência também em outros aspectos mecânicos que melhoram a ventilação alveolar e as trocas gasosas. A estimulação do pré-BötC aumentou a frequência do frênico e suprimiu a atividade late-E abdominal, enquanto sua inibição reduziu a atividade dos nervos frênico e vago, e aumentou a amplitude abdominal durante basal e prolongou sua duração na hipercapnia. A inibição seletiva dos neurônios parvalbuminérgicos do BötC elevou a amplitude ABD e a frequência respiratória. Portanto, nossos dados destacam o papel funcional da EA e indicam que o pré-BötC exerce forte efeito inibitório sobre sua atividade. Ademais, neurônios parvalbuminérgicos do BötC podem contribuir para a coordenação dos neurônios inspiratórios e expiratórios durante o surgimento da EA.

Resumo (inglês)

Blood gas disturbances, such as hypoxia (low O2 concentration) or hypercapnia (high CO2 levels), trigger a compensatory increase in pulmonary ventilation (VE). Under these conditions, the inspiratory oscillator pre-Bötzinger complex (pre-BötC) is activated to increase respiratory frequency, and abdominal muscle (ABD) recruitment also occurs, characterizing active expiration (AE). AE can enhance expiratory airflow or alter the expiratory phase duration and results from the activation of a conditional expiratory oscillator, the lateral parafacial respiratory group (pFL). It is suggested that the pre-BötC and the Bötzinger complex (BötC) act as inhibitory sources for the pFL, modulating the onset of AE. However, the functional contribution of pre-BötC neurons remains unclear, and the phenotype of BötC neurons that provide inhibitory drive to the pFL is still unknown. Despite advances in AE research, important gaps remain regarding its functional aspects and the mechanisms involved in its recruitment. We conducted three experimental approaches: (1) functionally characterized AE in freely moving rats to assess its impact on ventilatory and metabolic parameters and its correlation with inspiratory motor activity during hypoxia and hypercapnia; (2) investigated the role of pre-BötC neurons in the active expiratory pattern using in situ rat preparations; and (3) analyzed the role of inhibitory parvalbuminergic neurons from the BötC in AE control using transgenic mice. For this, we used: (1) Sprague-Dawley Holtzman rats instrumented for simultaneous recordings of VE, body temperature, diaphragmatic and abdominal activities, and O2 consumption during different levels of hypoxia (12–8% O2) and hypercapnia (3–7% CO2); (2) in situ preparations for pharmacological stimulation (glutamate 10 mM and substance P 10 μM) and inhibition (isoguvacine 10 mM) of pre-BötC neurons, with recordings from the phrenic, vagus, and abdominal nerves; and (3) PV-Cre;Ai9 transgenic mice for selective optogenetic inhibition of parvalbuminergic neurons, with recordings of genioglossal, external intercostal, and abdominal muscle activities. We found that hypoxia or hypercapnia evoked AE, which was associated with further increases in tidal volume, without changes in diaphragmatic amplitude. Airflow pattern analysis suggested that during hypoxia, AE recruited the expiratory reserve volume in late expiration, while during hypercapnia it accelerated lung emptying and increased peak expiratory flow during post-inspiration. AE increased O2 consumption without improving the air convection requirement, suggesting a possible influence on other mechanical aspects that enhance alveolar ventilation and gas exchange. Stimulation of the pre-BötC increased phrenic burst frequency and suppressed abdominal late-E activity, while its inhibition reduced phrenic and vagal activities and increased abdominal amplitude at baseline and prolonged its duration during hypercapnia. Selective inhibition of parvalbuminergic BötC neurons increased the ABD amplitude and respiratory frequency. In conclusion, our data highlight the functional role of AE and indicate that the pre-BötC exerts a strong inhibitory effect on its activity. Additionally, parvalbuminergic neurons of the BötC may contribute to coordinating inspiratory and expiratory neurons during the emergence of AE.

Palavras-chave

Ventilação pulmonar, Expiração, Neurofisiologia, Bulbo, Hipóxia, Hipercapnia, Pulmonary ventilation, Exhalation, Neurophysiology, Hypoxia, Hypercapnia, Medula oblongata