TP 5 : Etude de la respiration chez le rat

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1 TP 5 : Etude de la respiration chez le rat I. Introduction L objectif de ce TP est d étudier 3 influences, qui ont un effet sur la rythmicité et l amplitude de la respiration. La première est le rôle du nerf pneumogastrique. La 2ème est l action des ions hydrogène. La 3ème est l action du dioxyde de carbone. Théoriquement, si l on coupe le pneumogastrique, la personne respire, mais par l activité autonome, la régulation ne se fait plus, et elle ne sera donc plus régulée, la respiration sera lente et profonde, car ces centres ont leur propre activité. Cette respiration est appelée respiration de double vagotomie, qui met en évidence le fonctionnement des centres respiratoires. On va donc mettre en évidence l action de ce nerf en comparant les respirations avant et après section de ce nerfs, ou de ces nerfs, étant donné qu ils sont au nombre de 2. De par le fait que l on doit léser les nerfs pour mettre en évidence leur action, nous commencerons par l action des ions hydrogène et du dioxyde de carbone. Nous allons de plus enregistrer l action de la stimulation de ces nerfs des deux côtés, central et périphérique, et ainsi déterminer leur action propre. En ce qui concerne les ions hydrogènes et le dioxyde de carbone, ils ne forment en fait qu une seule action. En effet, dans le sang, l oxygène est transporté de 2 façons. Une petite partie est dissoute dans le plasma, la plus grande partie étant transportée par liaison à l hémoglobine. Le gaz carbonique, quand à lui, est transporté dans le plasma sous forme d ions bicarbonate dans sa plus grande partie, alors qu une petite partie est transportée dans les érythrocytes fixés à l hémoglobine. Le transport du dioxygène et celui du dioxyde de carbone ne sont pas en concurrence, les deux molécules ne se fixant pas sur les mêmes sites de la molécule d hémoglobine. Sous la forme d ions bicarbonates, le gaz carbonique ne peut pas diffuser du sang jusqu aux alvéoles, et il doit donc changer de forme. Pour cela, il doit se fixer à des ions hydrogène (H + ), pour former l acide carbonique, qui se dissociera rapidement en eau et en gaz carbonique, ce dernier pouvant entrer dans les alvéoles. Donc les ions hydrogène et le dioxyde de carbone font partie d une même action. Un air enrichi en gaz carbonique est appelé hypercapnique, alors qu un air appauvri en oxygène est appelé hypoxique. Bien souvent, on rencontre ces deux termes dans les mêmes cas, si l air qui arrive vient d un espace confiné, enrichi en gaz carbonique et appauvri en oxygène par la respiration. C est la respiration de cet air qui provoque le phénomène d asphyxie. Il faut donc faire attention dans le cas de manipulations dans ce genre d air. N.B. : Sur les feuilles annexes, le volume de la cage thoracique est mesuré en tension, mais on fera le parallèle entre cette tension et le volume de la cage thoracique. En effet, les 2 unités étant ici directement liées. On n a cependant pas fait de calibrage, et donc on considèrera que 1 unité de volume = 1 unité de tension. 1

2 II. Expériences et interprétations A. Etude de la respiration normale 1. Observations Voir les feuilles annexes nommées : «Etude de la respiration normale Mise en évidence de la fréquence respiratoire et de la durée des phases inspiratoire et expiratoire» «Etude de la respiration normale Mise en évidence de la fréquence respiratoire et de la durée des phases inspiratoire et expiratoire Zoom sur quelques phases respiratoires» Pour mesurer la respiration normale de notre rat, nous avons placé une ceinture de pâte à modeler sur la cage thoracique de l animal, ceinture reliée à un capteur et une interface ExAO. Ce montage nous a permis de mesurer les variations du volume de la cage thoracique, et en remettant ses variations dans un graphique en fonction du temps, nous pouvons déterminer 2 choses : l amplitude et la fréquence des inspirations et des expirations. Nous avons obtenu un graphique du même type que le suivant : Volume Temps On peut à partir de ce genre de graphiques déterminer 2 phases dans la respiration, qui sont bien distinctes, et complémentaires. Volume Temps Inspiration Expiration 2

3 La phase d inspiration est la phase au cours de laquelle la chambre respiratoire augmente de volume. C est à ce moment que l air entre dans les poumons, et que l oxygène pénètre dans le corps. La phase d expiration est celle de diminution du volume de la chambre respiratoire, c est au cours de celle ci que l air est expulsé, que le dioxyde de carbone sort du corps. On peut cependant, sur notre graphique de mesure, distinguer de petites variations, la plupart étant visibles durant l expiration. Ces petites variations sont dues aux battements du cœur, le cœur étant enfermé dans la cage thoracique, frappe en dessous de notre ceinture de mesure, et entrainant des variations parasites. On a ici mesuré les amplitudes et fréquences (en inversant la période) de ces variations naturelles. On obtient les mesures suivantes : Inspiration Expiration Cycle total Amplitude (mv) 50,4 59,32 59,32 Fréquence (s 1 ) 4,1 0,9 0,76 2. Interprétations On note alors plusieurs différences. En effet, contrairement à ce qu on attendait, l amplitude de l inspiration et de l expiration diffèrent. Cette différence est cependant une variation due à la mesure expérimentale, sur sujet vivant, et donc de petites variations entre 2 cycles respiratoires peuvent apparaître. On remarque cependant que la fréquence des inspirations est beaucoup plus grande que celle des expirations, ce qui veut dire que les inspirations sont beaucoup plus rapides que les expirations. Cette différence de fréquence est due aux mécanismes de l inspiration et de l expiration. En effet, l inspiration normale est un phénomène actif, alors que l expiration normale est un phénomène passif. En effet, pour inspirer, le sujet contracte ses muscles inspiratoires, qui sont le diaphragme et les muscles intercostaux externes. En les contractants, il augmente la hauteur de la cavité thoracique (diaphragme) et le diamètre du thorax (muscles intercostaux externes). Les poumons étant solidement fixés à la cage thoracique, grâce à la tension superficielle du liquide pleural, les poumons s étirent, en même temps que la cage thoracique. L augmentation du volume de ces poumons entraine une dépression intérieure, et la différence de pression avec l extérieur fait entrer l air dans les poumons. Contrairement à l inspiration, l expiration normale ne se fait que par relâchement des muscles, et donc c est un phénomène élastique. Le relâchement étant automatique, il se fait plus lentement que 3

4 la contraction, ce qui induit la lenteur de l expiration. Cependant, ce phénomène peut être forcé par la volonté de l individu, et dans ce cas, le temps d expiration peut être réduit. B. Injection d acide chlorhydrique 1. Observations Voir la feuille annexe nommée : «Injection d acide chlorhydrique Mise en évidence de l effet de l acide chlorhydrique sur la respiration» Nous avons injecté rapidement dans la jugulaire un volume de 0,2 ml d une solution de HCl à 0,1N. Après l injection (marqueur sur la feuille annexe), nous pouvons remarquer 2 effets : l augmentation de l amplitude et l augmentation de la fréquence (la période diminue). En effet, on a obtenu les résultats présentés dans le tableau suivant : Avant injection Après injection Amplitude (mv) 44,61 55,18 Fréquence (s 1 ) 0,79 0,84 2. Interprétations La solution d HCl permet d apporter des ions H + (hydrogène) dans le sang. Comme nous l avons vu précédemment, ces ions servent à complexer les ions bicarbonate, pour en faire de l acide carbonique, et au final le dissocier en eau et en gaz carbonique. L adjonction d ions H + dans le sang permet donc d augmenter la concentration en gaz carbonique dans le sang. Ce fort taux de gaz carbonique entraine un besoin d expulsion de ce gaz en dehors du corps. Pour cela, le système respiratoire met en place une hyperventilation, pour réduire l hypercapnie, et ainsi rétablir le taux normal de CO 2 dans le sang. Ces variations du taux de CO 2 sanguin, et donc la diminution du ph stimulent les chimiorécepteurs centraux du tronc cérébral, l amplitude et la fréquence de la respiration augmentent. En plus de cela, les ions Cl participent au phénomène de Hamburger, ce qui permet un échange facilité d ions HCO 3 (bicarbonate) entre les érythrocytes et le plasma. N.B. : la diminution globale de la tension minimale de notre feuille annexe est certainement due à notre système de ceinture en pâte à modeler, qui a dû glisser au cours des manipulations. C. Augmentation de l espace mort respiratoire 1. Observations Voir feuille annexe nommée : «Augmentation de l espace mort respiratoire Mise en évidence de l effet de l augmentation de l espace mort respiratoire». L espace mort respiratoire est un espace dans lequel l air est appauvri en oxygène, et enrichi en dioxyde de carbone. Cet espace permet de diminuer le renouvellement de l air au niveau des alvéoles pulmonaires, provoquant ainsi une hypercapnie et une hypoxie. 4

5 Pour simuler l augmentation de l espace mort respiratoire, nous avons utilisé un tuyau d une longueur supérieure à la longueur normale des conduits supérieurs de la respiration, que nous avons branché directement à la trachée, par un système de canulation après trachéotomie. En branchant ce tuyau, nous observons une augmentation nette de l amplitude et de la fréquence des respirations, qui reviendront à la normale après retrait de cet espace mort respiratoire. On note de plus la présence de pics respiratoires, d amplitude largement supérieure à la normale. Avant augmentation de l espace mort Après augmentation de l espace mort Amplitude (mv) 52,99 109,02 Fréquence (s 1 ) 0,83 1,12 2. Interprétations L augmentation de l amplitude et de la fréquence des respirations est due, comme précédemment, à l augmentation du taux de CO 2 dans le sang, et donc à sa baisse de ph. Les conclusions sont donc les mêmes que précédemment. Cependant, ici, le phénomène est plus fort, puisque le manque d oxygène se fait lui aussi sentir, et donc les chimiorécepteurs sont doublement alertés, la réponse est supérieure. On peut alors faire l hypothèse que si l on avait laissé de sujet plus longtemps dans cet état, il aurait pu, après un certain temps, réussir à contenir cet effet d espace mort augmenté, en augmentant fréquence et amplitude. Cependant, on peut aussi alors se poser la question des effets de ces hyperventilations sur la durée de vie du système respiratoire. Cependant ici, nous avons retiré le tuyau au bout de quelques dizaines de minutes, pour ne pas risquer l asphyxie. Une autre hypothèse peut être présentée à la vue de nos résultats : Les pics respiratoires enregistrés peuvent être assimilés à des phénomènes de détresse respiratoire, des éléments de secours, dans le cas de manque d oxygène. On aurait pu les assimiler à l hypothèse des bâillements, qui étaient autrefois attribués au besoin d augmenter le taux sanguin d oxygène, et à la ventilation de toutes les alvéoles pulmonaires. D. Action de l air confiné 1. Observations Voir la feuille annexe nommée : «Action de l air confiné Mise en évidence de l action de l air confiné sur la respiration» Pour simuler l action de l air confiné, nous avons utilisé un ballon bien vidé de son air à la canule trachéale. Nous observons alors une augmentation de la fréquence et de l amplitude de la respiration, entre le moment où l on fixe le ballon, et celui où on l enlève. Une fois que le ballon a été enlevé, ces valeurs reviennent à leur valeur normale. Encore une fois, nous remarquons des pics au cours de la respiration. Nous regroupons les valeurs obtenues dans le tableau suivant : 5

6 Avant mise en place du ballon Après mise en place du ballon Amplitude (mv) 38,46 128,7 Fréquence (s 1 ) 0,78 0,99 2. Interprétations Encore une fois, tous ces phénomènes s expliquent de la même façon que précédemment. En effet, en plaçant le ballon comme unique point de sortie de la respiration, et donc comme unique zone d échanges avec l extérieur, le système respiratoire tourne en cycle fermé. Il n y a alors plus de renouvellement de l air, et donc encore une fois, augmentation du taux de dioxyde de carbone et diminution du taux d oxygène dans le sang. Le ph diminue encore une fois. Les chimiorécepteurs réagissent alors encore une fois, il y a de nouveau phénomène d asphyxie. Ici, on remarque que l amplitude a presque été multipliée par quatre. La fréquence augmente aussi. Encore une fois, on retrouve les pics de respiration, qui peuvent ici aussi être assimilé à des phénomènes de détresse. Ici cependant, même au bout d un certain temps, il n y aurait pas eu possibilité d adaptation de la respiration au ballon, contrairement à l augmentation de l espace mort. En effet, au bout d un certain temps, l air aurait été intégralement rempli de dioxyde de carbone et vidé d oxygène. Nous avons donc retiré le ballon encore une fois pour éviter l asphyxie. Les effets ont été ici plus rapides est plus fort, en tout cas au niveau de l amplitude. Nous étions encore une fois en hypercapnie et en hypoxie. E. Etude de la respiration après vagotomie bilatérale 1. Respiration normale La vagotomie bilatérale consiste en une section des nerfs pneumogastriques des deux côtés. Nous avons alors enregistré la respiration, après vagotomie bilatérale. Voir feuille annexe nommée : «Etude de la respiration normale après vagotomie bilatérale mis en évidence des différences de la respiration normale, avant et après vagotomie» Les résultats que nous obtenons ne sont cependant pas bons, en effet, nous aurions dû obtenir une augmentation de l amplitude et de la fréquence. Cependant ici, en comparaison aux résultats d avant vagotomie, notre amplitude de notre fréquence diminuent. Cette erreur est due au positionnement du capteur, et à la faible fiabilité de la ceinture en pâte à modeler, qui s est décrochée du capteur et a dû être replacée. Nos interprétations seront donc faites à partir des résultats que l on aurait dû obtenir. En effet, les nerfs pneumogastriques servent à ralentir la respiration. Lorsqu ils sont sectionnés, ils ne ralentissent plus la respiration, qui est alors plus ample et plus rapide. Nous allons maintenant recommencer les expériences précédentes, alors que le nerf est coupé, et ainsi déterminer si les mécanismes précédents dépendent de ce nerf ou pas. 6

7 2. Injection d acide chlorhydrique Voir la feuille annexe nommée : «Injection d acide chlorhydrique après vagotomie bilatérale Mise en évidence de l effet de l acide chlorhydrique sur la respiration après vagotomie bilatérale» Encore une fois, nous pouvons noter l effet de l acide chlorhydrique, identique à celui présenté précédemment, avant vagotomie bilatérale. En effet, nous obtenons les variations suivantes : Avant injection Après injection Amplitude (mv) 38,6 57,28 Fréquence (s 1 ) 0,61 0,64 Nous avons donc de nouveau eu une augmentation de l amplitude et de la fréquence, avec l injection d acide chlorhydrique. On peut en faire les mêmes interprétations que précédemment, et ajouter que si les effets sont les mêmes avec ou sans nerf vague, c est qu il n influence pas le trajet de l acide chlorhydrique dans le corps, et donc que ce serait plus un transport de l information par la voie humorale. 3. Augmentation de l espace mort respiratoire Voir feuille annexe nommée : «Augmentation de l espace mort respiratoire après vagotomie bilatérale Mise en évidence de l effet de l augmentation de l espace mort respiratoire après vagotomie bilatérale» Une fois encore, les résultats sont quasiment les mêmes que précédemment, l augmentation de l espace mort respiratoire entraine une augmentation de l amplitude et de la fréquence des respirations. En effet, on obtient les résultats suivants : Avant augmentation de l espace mort Après augmentation de l espace mort Amplitude (mv) 46,9 136,93 Fréquence (s 1 ) 0,59 0,61 Encore une fois, on remarque que l amplitude a fortement augmenté, triplant presque, et que de plus, ici, nous obtenons un résultat plus dans les normes à obtenir, étant donné que notre effet met quelques secondes à survenir. Les interprétations sont les mêmes que précédemment, et encore une fois, l augmentation de l espace mort, et ses effets sur le corps n influent pas par voie nerveuse, le nerf étant coupé, et l action toujours présente. On favorisera alors la voie humorale. Cependant, on ne remarque plus les pics dans la respiration, et donc ce système de secours dont on a fait l hypothèse précédemment dépend peut être de la voie nerveuse. 7

8 4. Action de l air confiné Voir la feuille annexe nommée : «Action de l air confiné après vagotomie bilatérale Mise en évidence de l action de l air confiné sur la respiration après vagotomie bilatérale» Ici encore, nos résultats ne diffèrent presque pas de ceux obtenus précédemment. En effet, l action de l air confiné se fait rapidement sentir, et l amplitude et la fréquence des respirations augmentent encore cette fois. On atteint les valeurs suivantes : Avant mise en place du ballon Après mise en place du ballon Amplitude (mv) 38,61 99,1 Fréquence (s 1 ) 0,52 0,68 On a encore une belle augmentation de l amplitude, qui est multiplié par presque 3, et une petite augmentation de la fréquence, de l ordre des 24%. Nos interprétations sont encore les mêmes qu avant la section des nerfs, et donc encore une fois que l air confiné, comme l augmentation de l espace mort, utilisent la voir humorale et non nerveuse. Encore ici, les pics de respiration ont disparu, et donc encore une fois, on pense qu ils étaient dus à la voie nerveuse. F. Stimulation du nerf vague 1. Côté périphérique Voir la feuille annexe nommée : «Stimulation du nerf vague du côté périphérique Mise en évidence des perturbations de l activité respiratoire provoquées par les modifications de l activité cardiaque» On peut observer, à partir de nos graphiques, que si l on stimule le nerf du côté périphérique (en le plaçant sur des électrodes à crochets), on obtient une déstructuration du signal, les respirations se font n importe comment, on ne peut plus déterminer de phase d inspiration, ou de phase d expiration, les 2 étant mélangées. On peut donc en conclure que la partie périphérique du nerf pneumogastrique déstabilise la respiration. Cette déstabilisation est due au contrôle de ce nerf sur la pression artérielle. En effet, le nerf vague diminue la pression artérielle, et cette baisse de la pression artérielle est la cause des perturbation, le sang n arrivant plus en flux continu et stable, il arrive par à coups, et donc déstabilise totalement l action respiratoire, le sang entrant dans les poumons irrégulièrement. 2. Côté central Voir feuille annexe nommée : «Stimulation du nerf vague du côté central Mise en évidence de l arrêt respiratoire en réponse à la stimulation des tensio récepteurs pulmonaires» 8

9 Ici, la stimulation entraine tout simplement un arrêt respiratoire, en inspiration, durant le temps où on stimule le nerf du côté central, c'est à dire en direction du cerveau. Volume Arrêt respiratoire Temps En stimulant le nerf X du côté central, on stimule le cerveau, dont une partie, le groupe respiratoire dorsal semble être le centre générateur du rythme respiratoire, et donc on l a appelé centre inspiratoire. Ce centre, par l intermédiaire de neurones, émet à fréquence progressive des influx aux nerfs phrénique et intercostaux, qui stimulent les nerfs de l inspiration. En cas de forte stimulation de ce centre, comme c est notre cas, les influx sont lancés en continu, les muscles inspiratoires restent alors contractés, la respiration est bloquée en phase d inspiration, et il y a arrêt respiratoire. III. Conclusions et discussions En conclusion, on a étudié les effets de l acide chlorhydrique, d une augmentation de l espace mort, et de l air confiné sur la respiration dans 2 cas, en cas normal et en cas de vagotomie bilatérale. Ces expériences nous ont permis d étudier les 2 systèmes de régulation de la respiration, le système humoral et le système nerveux. On a étudié l action du nerf pneumogastrique, et son rôle dans la respiration. On s est aperçu qu il avait 2 actions, l une étant de déstabiliser la respiration indirectement, et l autre étant de provoquer indirectement un arrêt respiratoire. On a de plus vu qu il servait à ralentir la respiration en général, en la rendant plus ample et plus lente. Enfin, on a pu approcher le phénomène d asphyxie, et on a obtenu quelques pistes sur les voies utilisées par le corps pour éviter cette asphyxie. Cependant, les résultats de notre TP ne sont pas absolus, notre système de mesure étant soumis aux possibles erreurs obtenues à cause d un décrochement de la pâte à modeler, ou son glissement, ou des artefacts de manipulation. 9