PENDAHULUAN

Sistem saraf secara normal mengatur kecepatan ventilasi alveolus hampir sama dengan permintaan tubuh, sehingga tekanan oksigen darah arteri (PO2) dan tekanan karbondioksida (PCO2) hampir tidak berubah bahkan selama latihan sedang sampai berat dan kebanyakan stres pernapasan lainnya. Pusat pernapasan adalah beberapa kelompok neuron yang terletak di sebelah bilateral medula oblongata dan pons, seperti dilukiskan pada Gambar 41-1. Daerah ini dibagi menjadi tiga kelompok neuron utama:

1. Kelompok pernapasan dorsal, terletak di bagian dorsal medula yang terutama menyebabkan inspirasi.

2. Kelompok pernapasan ventral, yang terletak di ventrolateral medula yang dapat menyebabkan ekspirasi atau inspirasi, bergantung pada kelompok neuron mana yang dirangsang.

3. Pusat pneumotaksik, terletak di sebelah dorsal bagian superior pons yang membantu mengatur kecepatan dan pola bernapas.

Kelompok neuron pernapasan dorsal memegang peranan paling mendasar dalam mengatur pernapasan. Oleh karena itu, fungsi inilah yang pertama kali dibicarakan.

Kelompok Neuron Pernapasan Dorsal.

Kelompok neuron pernapasan dorsal menempati sebagian besar panjang medula. Semua atau sebagian besar neuronnya terletak di dalam nukleus traktus solitarius, walaupun neuron-neuron lain yang berdekatan dengan substansia retikularis medula mungkin juga memegang peranan penting dalam mengatur pernapasan. Nukleus traktus solitarius juga

1

merupakan akhir dari saraf sensoris, yaitu nervus vagus dan nervus glosofaringeus, yang memindahkan sinyal sensorisnya ke dalam pusat pernapasan dari kemoreseptor perifer, baroreseptor dan berbagai macam reseptor dalam paru.

Irama dasar pernapasan terutama berasal dari kelompok neuron pernapasan dorsal. Bahkan bila semua saraf perifer yang memasuki medula dipotong dan batang otak diatas dan dibawah medula ditranseksi, maka kelompok neuron ini masih mengeluarkan potensial aksi inspirasi secara berulang-ulang. Namun dasar penyebab pelepasan yang berulang-ulang ini belum diketahui. Pada binatang primitif telah ditemukan jaringan saraf yang aktifitas satu rangkaian neuronnya merangsang rangkaian yang kedua dan kemudian kembali menghambat yang pertama. Kemudian setelah mekanisme ini berulang kembali selama satu periode, maka akan berlangsung terus sepanjang hidup binatang tersebut. Oleh karena itu kebanyakan ahli fisiologi pernapasan percaya bahwa terdapat beberapa jaringan saraf semacam ini yang terletak di dalam medula, mungkin tidak hanya melibatkan kelompok pernapasan dorsal saja tetapi juga daerah yang berdekatan pada medula, yang bertanggung jawab untuk irama dasar pernapasan.

Sinyal saraf yang dijalarkan ke otot inspirasi primer seperti diafragma, tidaklah seketika itu juga menjadi potensial aksi. Sebaliknya, pada pernapasan normal, permulaannya lemah dan meningkat secara perlahan-lahan (dalam bentuk landai) selama kira-kira 2 detik. Kemudian sekonyong-konyong berakhir selama hampir 3 detik berikutnya yang mengakibatkan penghentian perangsangan diafragma dan menimbulkan daya lenting elastisitas dinding dada dan paru-paru untuk menghasilkan ekspirasi. Kemudian sinyal inspirasi mulai lagi untuk siklus yang berikut, demikian seterusnya, dengan ekspirasi diantara siklus. Jadi sinyal inspirasi merupakan sinyal yang landai (ramp signal). Keuntungan yang nyata disini adalah terjadinya peningkatan volume paru yang mantap selama inspirasi, sehingga kita tidak mengalami terengah-engah (mengeluarkan napas inspirasi yang penghabisan = gasps).

Ada dua cara pengaturan terhadap inspirasi yang naik perlahan-lahan ini, yaitu:

1. Mengatur kecepatan peningkatan sinyal landai, sehingga selama pernapasan aktif, kenaikan yang landai ini meningkat dengan cepat dan oleh karena itu paru dapat terisi dengan cepat pula.

2. Mengatur titik batasan dimana sinyal landai ini tiba-tiba berakhir. Ini adalah metode yang biasa dipakai untuk mengatur kecepatan pernapasan, yaitu semakin dini sinyal landai ini berakhir maka waktu inspirasinya semakin singkat. Alasan untuk hal ini belum dipahami, juga pemendekan waktu ekspirasi. Dengan demikian kecepatan pernapasan ditingkatkan.

Pusat pneumotaksik.

Pusat pneumotaksik, yang terletak di sebelah dorsal nukleus parabrakialis dari pons bagian atas, menjalarkan sinyal ke area inspirasi. Efek yang utama disini adalah mengatur

2

untuk “mematikan” titik ramp inspirasi, dengan demikian mengatur lamanya fase pengisian pada siklus paru. Bila sinyal pneumotaksik cukup kuat, inspirasi dapat berlangsung selama 0,5 detik, jadi pengisian paru hanya berlangsung singkat. Tetapi bila sinyal pneumotaksik lemah, inspirasi dapat berlangsung terus selama 5 detik atau lebih, dengan demikian paru terisi dengan udara yang banyak sekali.

Oleh karena itu, fungsi pusat pneumotaksik yang utama adalah membatasi inspirasi. Hal ini memiliki efek sekunder terhadap peningkatan kecepatan pernapasan, karena pembatasan inspirasi juga memperpendek ekspirasi dan seluruh periode pernapasan. Sinyal pneumotaksik yang kuat dapat meningkatkan kecepatan pernapasan 30 sampai 40 kali per menit, sedangkan sinyal pneumotaksik yang lemah dapat menurunkan kecepatan menjadi hanya beberapa kali pernapasan semenit.

Kelompok Neuron Pernapasan Ventral.

Terletak kira-kira 5 milimeter di sebelah anterior dan lateral kelompok neuron pernapasan ventral, yang dijumpai di nukleus ambigus rostralis dan nukleus retroambigus kaudalis. Fungsi kelompok neuron ini berbeda dengan kelompok pernapasan dorsal dalam berbagai hal penting.

1. Neuron-neuron dari kelompok pernapasan ventral secara total hampir inaktif selama pernapasan tenang yang normal. Oleh karena itu, pernapasan tenang yang normal hanya ditimbulkan oleh sinyal inspirasi berulang-ulang dari kelompok pernapasan dorsal yang terutama dijalarkan ke diafragma, dan ekspirasi merupakan hasil dari daya lenting elastiitas paru dan rangka toraks.

2. Tidak ada bukti bahwa neuron pernapasan ventral ikut berpartisipasi dalam menentukan irama dasar yang mengatur pernapasan.

3. Bila pernapasan dipacu guna meningkatkan ventilasi paru menjadi lebih besar dari normal, maka sinyal respirasi yang berasal dari mekanisme getaran dasar di area pernapasan dorsal kemudian tercurah ke nuron pernapasan ventral. Akibatnya area pernapasan ventral kemudian turut membantu merangsang pernapasan.

4. Rangsangan listrik pada beberapa neuron dalam kelompok ventral menyebabkan inspirasi, sedangkan rangsangan lainnya menyebabkan ekspirasi. Oleh karena itu, neuron-neuron ini menyokong inspirasi maupun ekspirasi. Mereka terutama penting dalam menghasilkan sinyal ekspirasi yang kuat ke otot-otot abdomen selama ekspirasi. Dengan demikian, area ini bekerja lebih kurang sebagai suatu mekanisme pendorong bila dibutuhkan ventilasi paru yang lebih besar.

“Pusat Apnea”.

Menambah kebingungan pengertian kita tentang fungsi pusat pernapasan, maka masih ada pusat lain di bagian bawah pons yang tidak kita mengerti, yang disebut pusat apnea. Fungsinya hanya dapat diperlihatkan bila nervus vagus yang ke medula dipotong dan bila

3

hubungan dari pusat pneumotaksik juga diputuskan dengan memotong pons pada bagian tengahnya. Kemudian pusat apnea pada pons bagian bawah mengirimkam sinyal ke kelompok neuron pernapasan dorsal yang mencegah atau melemahkan pemadaman sinyal ramp inspirasi. Oleh karena itu, paru-paru hampir seluruhnya terisi dengan udara dan kadang-kadang hanya terjadi ekspirasi pendek yang terengah-engah.

Fungsi pusat apnea belum dimengerti tetapi diduga kerjanya berkaitan dengan pusat pneumotaksik untuk mengatur dalamnya inspirasi.

Refleks Inflasi Hering-Breuer.

Selain mekanisme saraf yang seluruhnya bekerja dalam batang otak, masih ada sinyal-sinyal refleks saraf yang berasal dari paru-paru untuk membantu mengatur pernapasan. Paling penting adalah yang terletak di bagian otot dinding bronkus dan bronkiolus seluruh paru, yaitu reseptor regang, yang menjalarkan sinyal melalui nervus vagus ke kelompok neuron pernapasan dorsal apabila paru-paru menjadi sangat teregang. Sinyal ini mempengaruhi inspirasi melalui banyak cara seperti sinyal dari pusat pneumotaksik; yaitu bila paru-paru menjadi sangat terinflasi, maka reseptor regang mengaktifkan respon umpan balik yang “mematikan” ramp inspirasi dan dengan demikian menghentikan inspirasi selanjutnya. Ini disebut refleks inflasi Hering-Breuer. Refleks ini juga meningkatkan kecepatan pernapasan, sama seperti sinyal dari pusat pneumotaksik.

Pada manusia refleks Hering-Breuer mungkin tidak diaktifkan sampai volume alun napas meningkat lebih dari 1,5 liter. Oleh karena itu refleks ini terutama muncul sebagai mekanisme protektif untuk mencegah inflasi paru yang berlebihan daripada sebagai alat penting pada pengaturan ventilasi normal.

Penting untuk diketahui bagaimana intensitas sinyal-sinyal pengatur pernapasan ditingkatkan atau diturunkan untuk mengatur agar kebutuhan ventilasi tubuh seimbang. Misalnya selama latihan berat, kecepatan pemakaian oksigen dan karbondioksida seringkali meningkat sampai 20 kali normal, membutuhkan peningkatan yang seimbang dalam ventilasi paru.

PENGATURAN KIMIA PERNAPASAN.

Tujuan akhir pernapasan adalah untuk mempertahankan konsentrasi oksigen, karbondioksida dan ion hidrogen dalam cairan tubuh. Untungnya aktifitas pernapasan sangat responsif terhadap perubahan masing-masing konsentrasi tersebut.

Kelebihan karbondioksida atau ion hidrogen terutama merangsang pusat pernapasan itu sendiri, menyebabkan peningkatan sinyal inspirasi dan ekspirasi yang kuat ke otot-otot pernapasan.

4

Oksigen, di lain pihak, tidak mempunyai efek langsung yang bermakna terhadap pusat pernapasan di otak dalam mengatur pernapasan. Malahan oksigen bekerja hampir seluruhnya pada kemoreseptor perifer yang terletak di aorta dan badan-badan karotis dan kemudian menjalarkan sinyal saraf yang sesuai ke pusat pernapasan untuk mengatur pernapasan.

Area Kemosensitif Pada Pusat Pernapasan

Kita telah membicarakan tiga area utama pada pusat pernapasan: kelompok neuron pernapasan dorsal, kelompok neuron pernapasan ventral dan pusat pneumotaksik. Diyakini bahwa tidak satupun dari area-area tersebut dipengaruhi secara langsung oleh perubahan konsentrasi karbondioksida atau ion hidrogen di dalam darah. Justru area neuron tambahan, yaitu area kemosensitif yang bersifat sensitif, dilukiskan pada gambar 41-2, yang terletak bilateral hanya seperlima milimeter di bawah permukaan ventral medula. Area ini sangat sensitif terhadap perubahan PCO2, konsentrasi ion hidrogen dan kemudian merangsang bagian lain pada pusat pernapasan.

Respon Neuron Kemosensitif Terhadap Ion Hidrogen.

Neuron-neuron sensoris pada area kemosensitif terutama dirangsang oleh ion hidrogen, kenyataannya diyakini bahwa ion hidrogen hanya penting bila merangsang neuron-neuron ini secara langsung. Namun ion hidrogen tidak mudah melalui sawar darah-otak atau sawar darah-cairan serebrospinal. Karena alasan tersebut, maka perubahan konsentrasi ion hidrogen dalam darah ternyata mempunyai efek yang kurang besar pada perangsangan neuron-neuron kemosensitif daripada efek perubahan karbondioksida, walaupun

5

karbondioksida diduga merangsang neuron-neuron ini secara sekunder melalui perubahan konsentrasi ion hidrogen.

Efek Karbondioksida Darah Pada Perangsangan Area Kemosensitif.

Walaupun karbondioksida mempunyai sedikit efek perangsangan langsung terhadap neuron-neuron area kemosensitif, tetapi karbondioksida sangat berpengaruh pada efek tidak langsung. Karbondioksida akan bereaksi dengan cairan jaringan untuk membentuk asam karbonat. Asam ini kemudian berdisosiasi menjadi ion bikarbonat dan ion hidrogen, dan ion hidrogen berpengaruh pada rangsangan langsung. Reaksi ini dilukiskan pada Gambar 41-2.

Mengapa karbondioksida darah lebih kuat merangsang neuron-neuron kemosensitif daripada ion hidrogen darah? Jawabannya adalah bahwa sawar darah-otak dan sawar darah-cairan serebrospinal hampir seluruhnya impermeabel terhadap ion hidrogen, sedangkan kabondioksida melalui kedua sawar ini hampir seperti mereka ini tidak ada. Akibatnya kapanpun PCO2 darah meningkat, maka PCO2 cairan interstisial medula dan cairan serebrospinal juga ikut meningkat. Dalam kedua cairan ini, karbondioksida segera bereaksi dengan air untuk membentuk ion hidrogen. Dengan demikian, secara bertentangan, lebih banyak ion hidrogen dilepaskan ke dalam area sensoris kemosensitif pernapasan bila konsentrasi ion hidrogen darah meningkat. Karena sebab ini, maka aktifitas pusat pernapasan lebih dipengaruhi oleh perubahan karbondioksida darah daripada oleh perubahan ion hidrogen darah.

Perubahan PCO2 dalam cairan serebrospinal yang membasahi permukaan area kemoreseptif batang otak dapat merangsang pernapasan dengan cara yang sama seperti peningkatan PCO2 cairan interstisial medula dalam merangsang pernapasan. Dan bahkan lebih penting, perangsangan melalui cairan serebrospinal berlangsung beberapa kali lebih cepat. Alasan untuk hal tersebut adalah, diduga bahwa cairan serebrospinal memiliki sedikit dapar asam-basa protein. Oleh karena itu, konsentrasi ion hidrogen hampir seketika itu juga meningkat saat karbondioksida memasuki cairan serebrospinal dari pembuluh darah araknoid yang luas. Sebaliknya, jaringan otak memiliki jauh lebih banyak dapar protein sehingga perubahan yang terjadi pada konsentrasi ion hidrogen sebagai responsnya terhadap karbondioksida menjadi terlambat. Akibatnya, perangsangan awal yang cepat dari sistem pernapasan melalui karbondioksida yang memasuki cairan serebrospinal terjadi dalam waktu berdetik-detik dibandingkan dengan waktu 1 menit yang dibutuhkan untuk perangsangan melalui cairan interstisial otak.

Perangsangan pusat pernapasan oleh karbondioksida sangat kuat pada jam-jam pertama tetapi kemudian menurun secara bertahap dalam waktu 1 sampai 2 hari berikutnya hingga kurang lebih seperlima dari efek permulaan. Penurunan ini disebabkan oleh penilaian kembali ginjal terhadap konsentrasi ion hidrogen agar kembali ke arah normal setelah karbondioksida meningkatkan konsentrasi hidrogen. Ginjal melakukan hal ini dengan cara menurunkan bikarbonat darah. Bikarbonat berikatan dengan ion hidrogen dalam darah dan cairan serebrospinal guna menurunkan konsentrasinya. Tetapi yang lebih penting adalah

6

selama masa waktu beberapa jam, ion bikarbonat juga dengan lambat berdifusi melalui sawar darah-otak dan sawar darah-cairan serebrospinal dan bergabung secara langsung dengan ion hidrogen di sekitar neuron-neuron pernapasan, jadi menurunkan ion hidrogen kembali ke nilai normal atau mendekati normal.

Oleh karena itu, perubahan konsentrasi karbondioksida darah mempunyai efek akut yang kuat untuk mengatur dorongan pernapasan, tetapi efek kronik yang lemah saja setelah beberapa hari beradaptasi.

Efek Kuantitatif PCO2 Darah dan Konsentrasi Ion Hidrogen Darah Terhadap Ventilasi Alveolus.

Gambar 41-3 melukiskan secara kuantitatif efek yang mendekati PCO2 darah pH darah (suatu ukuran logaritmik yang berlawanan dengan konsentrasi ion hidrogen) pada ventilasi alveolus. Perhatikan bahwa peningkatan ventilasi yang nyata disebabkan oleh peningkatan PCO2. Tetapi perhatikan juga bahwa peningkatan konsentrasi ion hidrogen (artinya, pH menurun) memberi efek yang jauh lebih kecil pada ventilasi.

Akhirnya, perhatikan bahwa pada PCO2 darah normal antara 35 dan 60 mmHg, terjadi perubahan yang besar pada ventilasi alveolus. Hal ini memperlihatkan bahwa perubahan karbondioksida memberi efek yang luar biasa pada pengaturan pernapasan. Sebaliknya, perubahan pernapasan pada pH darah normal antara 7,3 dan 7,5 terjadi 10 kali lebih sedikit.

7

Efek Oksigen Bagi Pengaturan Langsung Terhadap Pusat Pernapasan.

Perubahan konsentrasi oksigen sebenarnya tidak memberikan efek langsung pada pusat pernapasan itu sendiri dalam mengubah rangsang pernapasan (walaupun hal ini memiliki efek tidak langsung yang bekerja melalui kemoreseptor perifer seperti yang dijelaskan pada pembahasan berikut).

Sistem dapar oksigen hemoglobin mengalirkan oksigen dalam jumlah yang hampir normal ke jaringan, bahkan ketika PO2 paru berubah dari nilai serendah 60 mmHg naik hingga setinggi 1000 mmHg. Oleh karena itu, kecuali dalam keadaan tertentu, pengiriman oksigen dalam jumlah yang sesuai dapat tetap dilakukan meskipun terjadi perubahan ventilasi paru dari sedikit lebih rendah di bawah separuh normal sampai setinggi 20 atau beberapa kali normal. Sebaliknya, hal ini tidak terjadi pada karbondioksida, karena PCO2 dalam darah dan jaringan hampir persis kebalikan dengan nilai ventilasi paru. Jadi evolusi telah membuat karbondioksida menjadi pengatur pernapasan yang utama, bukan oksigen.

Ternyata, untuk kondisi-kondisi khusus seperti ini, dimana jaringan mengalami kesulitan mengenai kebocoran oksigen, maka tubuh memiliki mekanisme khusus untuk mengatur pernapasan yang terletak di kemoreseptor perifer, yaitu di sisi luar pusat pernapasan otak, mekanisme ini memberikan respon ketika oksigen darah turun menjadi terlalu rendah, terutama di bawah PO2 60 sampai 70 mmHg.

SISTEM KEMORESEPTOR PERIFER UNTUK MENGATUR AKTIFITAS PERNAFASAN.

Selain pengaturan aktifitas pernapasan oleh pusat pernapasan itu sendiri, masih ada mekanisme lain yang tersedia untuk mengatur pernapasan. Mekanisme ini adalah sistem kemoreseptor perifer, yang tampak pada Gambar 41-4. Reseptor kimia saraf khusus, yang disebut kemoreseptor terletak di beberapa area di sisi luar otak dan reseptor-reseptor ini khususnya penting untuk mendeteksi perubahan oksigen dalam darah, walaupun mereka juga berespons terhadap perubahan karbondioksida dan konsentrasi ion hidrogen. Kemoreseptor kemudian menjalarkan sinyal saraf ke pusat pernapasan di otak untuk mengatur aktifitas pernapasan.

Sebagian besar kemoreseptor terletak di badan karotis. Namun jumlah yang dapat diukur adalah di badan aorta yang juga diperlihatkan pada Gambar 41-4. Ada beberapa lagi terletak di tempat lain yang berkaitan dengan arteri-arteri lainnya dari regio torasika dan regio abdominal tubuh.

8

Badan karotis terletak bilateral pada percabangan arteri karotis komunis dan serat saraf aferennya berjalan melalui nervus Hering ke nervus glosofaringeus dan kemudian ke area pernapasan dorsal di medula. Badan aorta terletak di sepanjang arkus aorta, serat saraf aferennya berjalan melalui nervus vagus juga ke area pernapasan dorsal. Tiap-tiap badan kemoreseptor ini menerima suplai darah khusus melalui arteri kecil secara langsung dari arteri besar yang berdekatan.

Selanjutnya darah yang mengalir melalui badan-badan ini bersifat ekstrem, yaitu 20 kali berat badannya sendiri setiap menit. Oleh karena itu, persentase pemindahan oksigen dari darah yang mengalir sebetulnya nol. Hal ini berarti bahwa kemoreseptor setiap saat berkontak dengan darah arteri bukan dengan darah vena dan PO2 nya merupakan PO2 arteri.

Perangsangan Kemoreseptor Akibat Penurunan Oksigen Arteri.

Perubahan konsentrasi oksigen arteri tidak mempunyai efek rangsangan langsung pada pusat pernapasan, tetapi bila konsentrasi oksigen darah arteri menurun di bawah normal, kemoreseptor menjadi sangat terangsang. Efek ini dilukiskan pada Gambar 41-5 yang memperlihatkan efek dari nilai PO2 arteri yang berbeda-beda pada kecepatan penjalaran impuls saraf dari badan karotis. Perhatikan bahwa kecepatan impuls terutama sensitif terhadap perubahan PO2 arteri dalam batas antara 60 dan 30 mmHg, yaitu batas saturasi hemoglobin arteri dengan penurunan oksigen yang cepat.

9

Efek Karbondioksida dan Konsentrasi Ion Hidrogen Pada Aktifitas Kemoreseptor.

Peningkatan konsentrasi karbondioksida atau konsentrasi ion hidrogen juga merangsang kemoreseptor, dan dengan cara ini secara tidak langsung meningkatkan aktifitas pernapasan. Tetapi efek langsung dari kedua faktor ini pada pusat pernapasannya sendiri jauh lebih kuat daripada efek tidak langsung melalui kemoreseptor (kurang lebih tujuh kali lebih kuat) sehingga untuk tujuan praktisnya efek tidak langsung melalui kemoreseptor ini tidak perlu dipikirkan. Ternyata terdapat satu perbedaan utama antara pengaruh karbondioksida perifer dengan karbondioksida sentral. Perangsangan kemoreseptor perifer timbul lima kali lebih cepat daripada perangsangan sentral sehingga kemoreseptor perifer dapat meningkatkan kecepatan respon terhadap karbondioksida pada saat latihan dimulai.

Mekanisme Dasar Perangsangan Kemoreseptor Oleh Kekurangan Oksigen.

Belum diketahui secara pasti bagaimana PO2 yang rendah merangsang ujung-ujung saraf bebas dalam badan karotis dan badan aorta. Tetapi badan-badan ini mempunyai banyak macam sel yang serupa kelenjar yang sangat karakteristik, disebut sel glomus, yang bersinaps secara langsung maupun tidak langsung dengan ujung-ujung saraf. Karena alasan ini maka beberapa peneliti menduga bahwa sel-sel ini mungkin berfungsi sebagai kemoreseptor dan kemudian merangsang ujung-ujung saraf. Tetapi peneliti lain menduga bahwa ujung-ujung saraf itu sendiri secara langsung sensitif terhadap PO2 yang rendah.

Pengaruh Kuantiatif PO2 Arteri yang Rendah Terhadap Ventilasi Alveolus.

Bila seorang menghirup udara yang sedikit sekali mengandung oksigen maka keadaan ini akan menurunkan PO2 darah dan merangsang kemoreseptor karotis dan aorta, dengan demikian akan meningkatkan pernapasan. Biasanya efek ini jauh lebih kecil dari yang diperkirakan karena peningkatan pernapasan akan membuang karbondioksida dari paru dan

10

dengan demikian menurunkan PCO2 darah dan konsentrasi ion hidrogen. Kedua perubahan ini kemudian dapat menekan pusat pernapasan, seperti yang telah kita bicarakan sebelumnya, sehingga efek akhir kemoreseptor dalam meningkatkan pernapasan sebagai responnya terhadap PO2 yang rendah, kebanyakan bersifat terbalik. Hal ini terbukti secara jelas pada hasil percobaan yang diperlihatkan pada gambar 41-6, tampak penurunan PCO2 yang bermakna dan hanya sedikit peningkatan pada ventilasi paru sebagai responsnya terhadap penurunan PO2 darah arteri sebanyak lima kali lipat.

Efek PO2 arteri yang rendah terhadap ventilasi paru jauh lebih besar pada beberapa keadaan tertentu, dua diantaranya adalah : (1) bila karbondioksida arteri dan konsentrasi ion hidrogen tetap normal meskipun terjadi peningkatan pernapasan dan (2) menghirup oksigen dengan konsentrasi rendah selama beberapa hari.

Efek PO2 Arteri Yang Rendah Bila Karbondioksida Arteri dan Konsentrasi Ion Hidrogen Tetap Normal.

Gambar 41-7 memperlihatkan pengaruh PO2 arteri yang rendah terhadap ventilasi paru bila PCO2 dan konsentrasi ion hidrogen tetap konstan pada nilai normalnya. Dengan kata lain, rangsang pernapasan yang disebabkan oleh karbondioksida dan ion hidrogen tidak berubah, tetapi rangsang pernapasan akibat efek oksigen terhadap kemoreseptor yang ada menjadi lemah. Gambar juga memperlihatkan bahwa hampir tidak ada pengaruh apapun pada pernapasan sepanjang PO2 arteri tetap lebih besar dari 100 mmHg. Pada tekanan lebih rendah dari 100 mmHg, maka ventilasi akan berlangsung kurang lebih dua kali lipat bila PO2 arteri turun sampai 60 mmHg dan dapat meningkat sebanyak lima kali lipat pada PO2 yang sangat rendah. Pada kondisi ini, PO2 arteri yang rendah dapat merangsang proses ventilasi dengan sangat kuat.

11

Pada pneumonia, emfisema atau pada hampir setiap kondisi paru lain yang mencegah terjadinya pertukaran gas-gas secara adekuat melalui membran paru, maka oksigen yang diabsorbsi ke dalam darah arteri menjadi terlalu sedikit dan pada saat yang bersamaan PCO2

arteri dan konsentrasi ion hidrogen biasanya tetap mendekati nilai normal, atau pada suatu saat bahkan meningkat akibat transpor karbondioksida yang buruk melalui membrannya. Pada kasus-kasus ini, rangsangan ventilasi dari PO2 yang rendah tidak dihambat oleh perubahan pada PCO2 darah dan ion hidrogen. Oksigen yang rendah selanjutnya penting untuk membantu meningkatkan pernapasan. Pada kenyataannya, jika seseorang diberi oksigen dengan konsentrasi tinggi untuk bernapas, maka ia akan kehilangan rangsangan stimulatornya dari PO2 arteri yang rendah dan ventilasi paru seringkali menurun cukup rendah untuk menyebabkan kematian akibat terbentuknya PCO2 letal dan konsentrasi ion hidrogen yang berlebihan.

Juga pada beberapa kondisi latihan yang sangat berat khususnya pada orang-orang dengan sistem paru yang sedikit terganggu, Maka PCO2 arteri dan konsentrasi ion hidrogennya meningkat pada saat yang bersamaan dengan penurunan PO2. Pada kondisi seperti ini, penurunan PO2 arteri yang berkombinasi dengan peningkatan karbondioksida dan peningkatan konsentrasi ion hidrogen akan menghasilkan rangsangan ventilasi yang sangat kuat.

Fenomena Aklimatisasi.

Banyak pendaki gunung telah menemukan bahwa bila mereka mendaki gunung secara perlahan-lahan selama beberapa hari dibanding dengan selama beberapa jam, maka mereka

12

dapat bertahan pada konsentrasi oksigen atmosfer yang jauh lebih rendah daripada bila mereka mendaki dengan cepat. Keadaan ini disebut aklimatisasi terhadap oksigen yang rendah. Alasan untuk hal tersebut adalah bahwa pusat pernapasan di batang otak dalam waktu 2 sampai 3 hari akan kehilangan sekitar empat perlima sensitivitasnya terhadap perubahan PCO2 arteri dan ion hidrogen. Oleh karena itu, penghembusan (blow-off) karbondioksida yang normalnya akan menghambat pernapasan, sekarang gagal melakukan hal tersebut, dan oksigen yang rendah sekarang dapat merangsang sistem pernapasan untuk mencapai nilai ventilasi alveolus yang jauh lebih tinggi daripada dalam kondisi oksigen rendah yang akut. Berbeda dengan 70 persen peningkatan ventilasi yang mungkin terjadi pada kontak terhadap oksigen rendah yang akut maka ventilasi alveolus seringkali meningkat 400 sampai 500 persen setelah 2 sampai 3 hari dalam keadaan oksigen rendah, hal ini sangat membantu dalam mensuplai oksigen tambahan bagi pendaki. Sebagai contoh praktis, bahkan seorang pendaki gunung yang berpengalaman sekalipun dapat masuk dalam kesulitan akibat kekurangan oksigen jika mereka dalam waktu 1 hari mendaki hingga ketinggian 18.000 sampai 20.000 kaki. Ternyata Mount Everes dengan ketinggian lebih dari 29.000 kaki telah didaki sampai puncaknya tanpa suplai oksigen tambahan. Pendakian ini dilakukan dalam tahap-tahap yang lambat sehingga memungkinkan terjadinya aklimatisasi lengkap pada rangsang pernapasan untuk PO2 yang rendah.

Efek Gabungan Dari PCO2, pH dan PO2 terhadap Ventilasi Alveolus

Gambar 41-8 memberi gambaran singkat mengenai cara-cara dimana faktor kimia PO2, PCO2, dan pH semuanya bersama-sama mempengaruhi ventilasi alveolus. Untuk mengerti diagram ini, pertama-tama perhatikan empat buah kurva dengan garis utuh. Kurva-kurva ini direkam pada nilai PO2 arteri yang berbeda-beda: 40 mmHg, 50 mmHg, 60 mmHg dan 100 mmHg. Untuk setiap kurva ini, PCO2 berubah dari nilai yang rendah ke nilai yang tinggi. Kurva-kurva ini memperlihatkan efek PCO2 terhadap ventilasi paru. Jadi kelompok kurva dengan garis utuh ini memperlihatkan efek gabungan dari PCO2 dan PO2 alveolus terhadap ventilasi.

13

Sekarang perhatikan kurva dengan garis putus-putus. Kurva dengan garis yang utuh dihitung pada pH darah 7,4; kurva dengan garis terputus-putus pada pH 7,3. Kita sekarang memiliki dua kelompok kurva yang mewakili efek gabungan dari PCO2 dan PO2 terhadap ventilasi pada dua nilai pH yang berbeda. Kelompok kurva lain dengan pH yang lebih tinggi ditempatkan pada bagian kanan dan dengan pH yang lebih rendah di sebelah kiri.

Jadi dengan menggunakan diagram ini, seseorang dapat meramalkan nilai ventilasi alveolus pada kebanyakan kombinasi dari PCO2 alveolus, PO2 alveolus dan pH arteri.

PENGATURAN PERNAPASAN SELAMA LATIHAN.

Pada latihan yang berat, pemakaian oksigen dan pembentukan karbondioksida dapat meningkat sampai 20 kali lipat. Ternyata pada seorng atlet yang sehat, ventilasi alveolus kadang-kadang meningkat hampir sama dengan langkah-langkah peningkatan tingkat metabolisme, seperti yang diperlihatkan oleh hubungan antara pemakaian oksigen dan ventilasi pada gambar 41-9. Oleh karena itu PO2, PCO2 dan pH arteri tetap hampir mendekati normal.

14

Dalam percobaan untuk menganalisis fakto-faktor yang menyebabkan peningkatan ventilasi selama latihan, orang segera tertarik untuk menganggap hal ini sebagai perubahan kimiawi dalam cairan tubuh selama latihan, termasuk peningkatan karbondioksida, peningkatan ion hidrogen dan penurunan oksigen. Tetapi hal ini masih dipertanyakan karena pengukuran PCO2, pH dan PO2 arteri memperlihatkan bahwa tidak ada satupun dari ketiga hal ini berubah secara bermakna, sehingga tidak satupun menjadi cukup abnormal untuk merangsang pernapasan.

Oleh karena itu, masalah yang harus dipertanyakan adalah: apa yang menyebabkan giatnya ventilasi selama latihan? Pertanyaan ini belum terjawab sepenuhnya, tapi paling tidak ada dua macam efek yang tampaknya perlu mendapat perhatian khusus :

1. Otak, ketika menjalankan impuls ke otot yang berkontraksi, dianggap mengirimkan impuls kolateral ke batang otak untuk merangsang pusat pernapasan. Hal ini analog dengan efek perangsangan pusat otak yang lebih tinggi pada pusat vasomotor di batang otak selama latihan, menyebabkan tekanan arteri meningkat seperti peningkatan ventilasi.

2. Selama latihan, gerakan tubuh terutama lengan dan tungkai dianggap meningkatkan ventilasi paru dengan merangsang proprioseptif sendi dan otot yang kemudian menjalarkan impuls eksitasi ke pusat pernapasan. Alasan untuk mempercayai hal ini adalah bahwa gerakan pasif dari lengan dan tungkai seringkali meningkatkan ventilasi paru beberapa kali lipat, tetapi hal ini tidak akan terjadi jika saraf sensoris yang berasal dari lengan dan tungkai dihambat.

Masih ada faktor-faktor lain yang juga mungkin penting dalam meningkatkan ventilasi paru selama latihan. Misalnya, beberapa penelitian bahkan menunjukkan bahwa hipoksia yang terjadi didalam otot selama latihan menghasilkan sinyal saraf aferen ke pusat pernapasan untuk merangsang pernapasan. Juga karena otot-otot yang bekerja akan membentuk

15

karbondioksida dalam jumlah yang luar biasa banyaknya dan menggunakan banyak sekali oksigen, sehingga PO2 dan PO2 berubah secara nyata antara siklus ekspirasi dan siklus inspirasi pada pernapasan. Beberapa percobaan menunjukkan bahwa variasi yang luas dalam gas darah ini dapat merangsang pernapasan, walaupun nilai rata-ratanya tetap hampir sama dengan normal. Namun karena terdapat peningkatan ventilasi total yang cukup besar, yang mulai terjadi segera setelah latihan dimulai yaitu sebelum bahan kimia darah memiliki waktu untuk berubah maka sebagian besar peningkatan pernapasan mungkin disebabkan oleh dua faktor neurogenik yang diuraikan diatas, yaitu impuls perangsangan dari pusat otak yang lebih tinggi dan refleks perangsangan proprioseptif.

FAKTOR-FAKTOR LAIN YANG MEMPENGARUHI PERNAPASAN.

Pengaturan Pernapasan Volunter.

Sejauh ini kita telah membicarakan sistem involunter yang mengatur pernapasan. Bagaimanapun, kita semua tahu bahwa pernapasan dapat diatur secara volunter (sadar) dan seseorang dapat melakukan hiperventilasi atau hipoventilasi sedemikian besarnya sehingga terjadi kekacauan PCO2, pH dan PO2 dalam darah.

Pengaturan pernapasan volunter seolah-olah tidak melalui pusat pernapasan di medula. Malahan jaras saraf yang mengatur secara sadar berjalan langsung dari korteks serebri dan pusat lain yang lebih tinggi turun ke bawah melalui traktus kortikospinalis ke neuron spinal yang merangsang otot-otot pernapasan.

Efek Reseptor Rangsangan Pada Jalan Napas.

Epitel trakea, bronkus dan bronkiolus disuplai dengan ujung saraf sensoris, disebut reseptor rangsangan yang terangsang oleh rangsangan (iritan) yang memasuki jalan napas. Keadaan ini menyebabkan batuk dan bersin. Hal tersebut mungkin juga menyebabkan konstriksi bronkus seperti pada penyakit asma dan emfisema.

Fungsi “Reseptor J” Paru.

Sebagian kecil ujung saraf sensoris terjadi dalam dinding alveolus dalam posisi berjejer terhadap kapiler paru, darimana asalnya nama “reseptor J”. Reseptor ini terangsang khususnya bila kapiler paru menjadi penuh terisi dengan darah atau bila terjadi edema paru pada kondisi seperti gagal jantung kongestif. Walaupun fungsi reseptor J tidak diketahui, rangsangan mereka mungkin menyebabkan seseorang merasa sesak napas.

16

Anestesi.

Barangkali penyebab paling sering dari depresi pernapasan dan henti napas adalah kelebihan dosis obat anestesi atau narkotika.

PERNAPASAN PERIODIK.

Suatu kelainan pernapasan yang disebut pernapasan periodik terjadi pada beberapa keadaan penyakit. Orang bernapas dalam selama interval waktu yang singkat dan kemudian bernapas dangkal atau sama sekali tidak bernapas pada interval berikutnya, siklus tersebut terjadi secara berulang-ulang.

Tipe pernapasan periodik yang paling sering yaitu pernapasan Cheyne-Stokes, ditandai dengan pernapasan yang bertambah dan berkurang secara perlahan-lahan, terjadi berulang-ulang kira-kira setiap 40 sampai 60 detik.

Mekanisme Dasar Pernapasan Cheyne-Stokes.

Penyebab utama dari pernapasan Cheyne-Stokes adalah sebagai berikut : Bila seseorang bernapas secara berlebihan, jadi, menghembuskan terlalu banyak karbondioksida dari darah paru dan juga meningkatkan oksigen darah, maka sebelum darah paru yang berubah ini dapat ditranspor ke otak dan menghambat ventilasi yang berlebihan, maka diperlukan waktu sekitar beberapa detik. Pada saat darah paru mencapai otak, orang tersebut telah melakukan ventilasi yang berlebihan selama beberapa detik berikutnya. Oleh karena itu, ketika pusat pernapasan betul-betul memberi respon, maka pusat ini menjadi sangat tertekan akibat adanya ventilasi yang berlebihan, dan sekarang mulailah siklus yang berlawanan. Artinya terbentuk karbondioksida dan terjadi penurunan oksigen pada darah paru. Kemudian sekali lagi hal ini memerlukan waktu beberapa detik sebelum otak dapat berespons terhadap perubahan yang baru. Ketika otak memberi respons maka orang akan bernapas kuat satu kali lagi. Siklus ini sendiri terjadi berulang-ulang.

Penyebab utama dari pernapasan Cheyne-Stokes ini didapati pada semua orang. Namun, mekanisme ini sangat damped. Artinya, cairan darah dan area pusat pengatur pernapasan memiliki sejumlah besar karbondioksida dan oksigen yang tersimpan dan terikat secara kimiawi. Secara normal paru-paru tidak dapat membentuk cukup banyak karbondioksida ekstra atau menekan oksigen secara cukup kuat selama beberapa detik untuk menimbulkan siklus berikutnya pada periode pernapasan. Ternyata pada kedua kondisi yang terpisah ini faktor-faktor damping dikesampingkan dan terjadilah pernapasan Cheyne-Stokes.

1. Bila terjadi keterlambatan transpor dari paru-paru ke otak yang cukup lama, maka perubahan gas dalam darah berlangsung terus selama beberapa detik lebih lama daripada biasanya. Dalam kondisi seperti ini, kapasitas penyimpanan darah dan jaringan untuk gas-gas menjadi sangat berlebihan, kemudian timbul rangsang

17

pernapasan periodik yang ekstrim dan pernapasan Cheyne-Stokes pun terjadi. Tipe pernapasan ini sering terjadi pada pasien dengan gagal jantung berat karena sisi kiri jantung menjadi sangat membesar dan aliran darah pun menjadi sangat lambat, dengan demikian akan lebih memperlambat transpor gas-gas darah dari paru-paru ke otak. Pada kenyataannya, pasien dengan gagal jantung kronik, pernapasan Cheyne-Stokes ini cenderung terjadi secara hilang timbul selama berbulan-bulan.

2. Penyebab kedua dari pernapasan Cheyne-Stokes adalah peningkatan umpan balik negatif terhadap area pengatur pernapasan. Hal ini berarti bahwa perubahan pada karbondioksida darah atau oksigen sekarang menyebabkan jauh lebih banyak perubahan terhadap ventilasi daripada saat keadaan normal. Sebagai contoh, berbeda dengan peningkatan ventilasi normal 2 sampai 3 kali lipat ketika PCO2 meningkat 3 mmHg, maka 3 mmHg yang sama dapat meningkatkan ventilasi 10 sampai 20 kali lipat. Kecenderungan umpan balik otak selama pernapasan periodik sekarang menjadi cukup kuat untuk menyebabkan pernapasan Cheyne-Stokes tanpa adanya keterlambatan aliran darah ekstra antara paru-paru dan otak. Tipe pernapasan Cheyne-Stokes ini terutama terjadi pada pasien dengan kerusakan otak. Kerusakan otak seringkali mematikan rangsang pernapasan secara keseluruhan selama beberapa detik, kemudian peningkatan karbondioksida darah bebalik kembali dengan kekuatan yang besar. Pernapasan Cheyne-Stokes tipe ini seringkali menimbulkan kematian.

Rekaman yang khas dari perubahan dalam paru-paru dan pusat pernapasan selama pernapasan Cheyne-Stokes terlihat pada Gambar 41-12. Perhatikan bahwa PCO2 darah paru berubah melebihi PCO2 pada neuron pernapasan. Dan dalamnya pernapasan bersesuaian dengan PCO2 dalam otak, tidak dengan PCO2 dalam darah paru dimana ventilasi terjadi.

Pada pola pernapasan jenis hiperventilasi neurogen sentral, pernapasannya cepat dan dalam, memiliki frekuensi kira-kira 25 kali permenit. Dalam hal ini, lesi berada di tegmentum batang otak, antara mesensefalon dan pons. Pada pemeriksaan didapatkan ambang respirasi yang rendah dan pemeriksaan darah menunjukkan alkalosis respiratorik, PCO2 darah arteri rendah, pH meningkat dan terdapat hipoksia ringan. Pemberian oksigen

18

tidak akan mengubah pola pernapasan. Pola pernapasan apneuistik ditandai oleh inspirasi yang memanjang diikuti oleh apnea pada saat ekspirasi dengan frekuensi 1-1,5 kali permenit. Hal ini dapat diikuti oleh pernapasan klaster (cluster breathing) yang ditandai oleh respirasi yang berkelompok diikuti oleh apnea. Keadaan ini didapatkan pada kerusakan pons. Pernapasan ataksik (ireguler) ditandai oleh pola pernapasan yang tidak teratur, baik dalamnya maupun iramanya. Kerusakan terdapat di pusat pernapasan di medula oblongata dan merupakan keadaan preterminal. Bahwa harus diingat kerusakan yang luas pada batang jarang sekali diikuti oleh pernapasan yang normal.

19

DAFTAR PUSTAKA

1. Grippi,M.A.: Pulmonary Pathophysiology: A Problem-oriented Approach. Philadelphia,J.B.Lippincott, 1994.

2. Jansen,A.H., and Cherniack,V.: Development of Respiratory Control. Physiol. Rev. 63:437, 1993.

3. Lahiri,S., et al.: Response and Adaptation to Hypoxia. New York, Oxford University Press, 1991.

4. Laszlo, G.: Pulmonary Function; A Guide for Clinicians. New York, Cambridge University Press, 1994.

5. Leff,A.R., and Schumaker,P.T.: Respiratory Physiology: . Basic and Applications Philadelphia,W.B.Saunders Co., 1993.

6. Murray,J.F., and Nadel,J.A.: Textbook of Respiratory Medicine. Philadelphia,W.B. Saunders Co., 1994.

7. West,J.B.: Pulmonary Pathophysiology: The Essentials. Baltimore, William & Wilkins, 1992.

20