Effect of Knee Joint Stimulation on the Activity of Phrenic Nerve and Inspiratory Nuron in the Cat

슬관절 자극이 횡격신경 및 흡식중추신경에 미치는 영향

  • Cho, Dong-Ill (Department of Chest Medicine, National Medical Center) ;
  • Han, Hee-Chul (Department of Physiology, College of Medicine and Neuroscience Research Institute, Korea University) ;
  • Nahm, Sook-Hyun (Department of Physiology, College of Medicine and Neuroscience Research Institute, Korea University)
  • 조동일 (국립의료원 흉부내과) ;
  • 한희철 (고려대학교 의과대학 생리학교실, 고려대학교 신경과학연구소) ;
  • 남숙현 (고려대학교 의과대학 생리학교실, 고려대학교 신경과학연구소)
  • Published : 1993.12.31

Abstract

Background: During movement the major inputs to nervous system come from firstly the muscle and joint to maintain posture and motion and secondly the chemoreceptors and baroreceptors to adjust the cardiovascular and respiratory function. Their complex relationships are generally studied for many years but the direct relation between the joint and respiratory system is not studied thoroughly until now. So this experiment was performed to determine whether the natural movement of knee joint can cause the enhancement of respiratory function by observation of the changes of respiratory rate, phrenic nerve activity and inspiratory neuron activity during the stimulation of knee joint in cat anesthetized with $\alpha$-chloralose. Method: Twenty six male adult cats were used and the extracelluar recording using bipolar platinum electrode and carbon filament electrode was done to record the changes in the activities of phrenic nerve and inspiratory neuron movement of knee joint, injection of chemicals into the joint cavity and electrical stimulation of articular nerve were done. Results: The 60 Hz. could not but 120 Hz. flexion-extension movement of knee joint increased respiratory rate(R.R.), tidal neural activity(TNA) and minute neural activity(MNA). Intra-articular injection of lactate could not increase R.R. but significantly increase TNA and MNA which represented the enhanced respiratory function. Injection of potassium chloride showed similar effects with the case of lactate but the duration of effect was shorter. The electrical stimulation of medial articular nerve with IV strength which could activate only group I and II afferents showed increased TNA and MNA during stimulation but 20 V stimulation which could activate all the afferents increased all the respiratory parameters. The changes of inspiratory neuron activity by knee joint stimulation was similar to that of phrenic nerve. Conclusion: The respiratory center could be directly stimulated by the activation of group I and II articular afferents and it seemed that the magnitude of the respiratory center enhancement is proportional to the amount of sensory information from the knee joint. These facts might suggest that the respiratory function could be enhanced even by the normal movement of knee joint.

연구배경 : 생체의 운동은 움직임 자체를 수행하기 위한 근육, 관절 및 이를 관장하는 신경계와 운동중 적절한 산소를 공급하기 위한 심혈관계 및 호흡계의 조절이 동반되는 매우 복잡한 기전에 의하여 유지되고 있다. 이들의 상호관련성을 밝히기 위하여 많은 연구들이 진행중이나 특히 관절과 호흡중추의 연계성에 대하여는 아직도 연구가 미진한 편이다. 이에 본 연구는 관절의 정상적인 움직임이 호흡계에 어떠한 영향을 미치는지를 규명하고자 $\alpha$-chloralose로 마취한 고양이의 분당 호흡수, 횡격신경과 흡식신경섬유의 변화를 관찰하였다. 방법 : 26마리의 성숙한 숫고양이에서 슬관절 자극중 횡격신경 및 흡식중추신경의 활동성을 기록하기 위하여 쌍극백금전극과 탄소섬유전극을 이용하여 세포외에서 기록하였다. 슬관절을 자극하기 위하여 슬관절의 굴곡-신전운동, 슬관절 동맥을 통한 화학적인 자극 및 슬관절 신경의 전기적인 자극법 등을 사용하였다. 결과 : 슬관절의 정상 운동각도내에서 120 Hz.의 빠른 운동을 1분간 시킨 경우에는 분당호흡수와 분당호흡신경활동이 유의하게 증가하였으며 3분간 운동을 시킨 경우에는 호흡수, 일회호흡신경활동 및 분당호흡신경활동이 모두 유의하게 증가하였다. 그러나 60Hz.의 운동에 대하여는 전체적인 호흡활동에 뚜렸한 변화가 없었다. 과격한 운동중에 형성되는 젖산의 혈중농도와 같은 농도의 젖산을 슬관절내에 주입한 결과 주입후 30초 동안에 호흡수 이외의 일회호흡신경활동과 분당 호흡신경 활동이 유의한 증가를 보였다. 또한 potassium chloride에 대하여는 젖산의 경우와 유사한 반응을 보였으나 반응기간이 짧았다. 구심성 신경중 I, II군만을 선택적으로 흥분시킬 수 있는 강도인 1V로 슬관적 신경을 자극한 경우 자극기간에 한하여 호흡수를 제외한 일회호흡신경활동 및 분당호흡신경활동이 유의한 증가를 보였다. 또한 구심성 신경을 모두 흥분시키는 강도인 20V 자극에 대하여는 호흡계의 전체적인 항진효과가 있었으며 1V 자극에 비하여 매우 큰 반응을 나타내었다. 흡식중추의 신경세포에서 기록한 결과 횡격신경에서 나타난 반응과 유사한 결과를 얻었다. 결론 : 슬관절 구심성 신경중 제 I, II 군 신경의 흥분에 의하여 호흡중추는 직접적으로 활성화될 수 있으며 이러한 효과는 운동중의 슬관절로부터 중추로 유입되는 정보의 양에 비례하여 증가하는 것으로 생각된다. 따라서 이러한 사실은 슬관절의 정상적인 움직임에 의해서도 생체의 호흡기능이 항진될 수 있다는 것을 시사하고 있다.