Die Kenntnis normaler Beatmungskontrollmechanismen ist wichtig, um die Pathophysiologie der zentralen Schlafapnoe zu verstehen. Die normale Beatmung wird streng reguliert, um den Gehalt an arteriellem Sauerstoff (PaO2) und Kohlendioxid (PaCO2) in engen Bereichen aufrechtzuerhalten. Dies wird durch Rückkopplungsschleifen erreicht, an denen periphere und zentrale Chemorezeptoren, intrapulmonale Vagusrezeptoren, die Atemkontrollzentren im Hirnstamm und die Atemmuskulatur beteiligt sind.,
Im Wachzustand beeinflussen Signale aus kortikalen Bereichen des Gehirns die Atmung, ein Mechanismus, der als Verhaltenskontrolle bezeichnet wird. Es ist bekannt, dass viele nichtchemische Reize, zu denen pulmonale Mechanorezeptoren und Verhaltens-oder Wachstimulationen gehören, dieses Phänomen modulieren. Während des Schlafes geht die Verhaltenskontrolle verloren und die chemische Kontrolle ist der Hauptmechanismus, der die Beatmung reguliert, wobei PaCO2 der Hauptreiz für die Beatmung ist., Eine zentrale Schlafapnoe wird am häufigsten während des Schlafes mit nicht schnellen Augenbewegungen (NREM) beobachtet, wenn der Verhaltenseinfluss am geringsten ist, gefolgt von einem Schlaf mit schnellen Augenbewegungen (REM), während eine vollständig wache Person sie am wenigsten manifestiert. Trotz dieser Veränderungen bleibt die Beatmungskontrolle während des Schlafes ähnlich wie im Wachzustand.
Der Schlaf ist gekennzeichnet durch eine Erhöhung der arteriellen Kohlendioxidspannung (PaCO2) und eine höhere PaCO2-Apneic-Schwelle, die PaCO2, unter der Apnoe auftritt. Eine Reduktion von PaCO2 nur wenige mm Hg unterhalb des PaCO2-Sollwerts kann zu Apnoen führen., Zentrale apneische Ereignisse treten häufig während des Übergangs zwischen Wach und Schlaf auf, einem Zeitraum, in dem sich der PaCO2-Sollwert anpasst.
Zwei Arten pathophysiologischer Phänomene können zentrale Schlafapnoesyndrome verursachen: 1) Beatmungsinstabilität oder 2) Depression der Hirnstammatmungszentren oder Chemorezeptoren.
Beatmungsinstabilität ist der Mechanismus hinter CSB-CSA, periodischer Atmung in großer Höhe und wahrscheinlich primärer zentraler Schlafapnoe. Wie bei jedem System, das durch Rückkopplungsschleifen reguliert wird, ist das Atmungssystem anfällig für Instabilität., Das Auftreten und Fortbestehen der Beatmungsinstabilität in der Pathogenese der zentralen Schlafapnoe kann im Zusammenhang mit Loop Gain, einem Engineering-Begriff, der die Gesamtverstärkung eines durch Feedback-Schleifen gesteuerten Systems beschreibt, visualisiert werden.
Ein System mit hoher Schleifenverstärkung reagiert schnell und intensiv auf einen Trigger, während ein System mit niedriger Schleifenverstärkung langsamer und schwächer reagiert. Loop Gain wird durch Controller Gain und Plant Gain beeinflusst. Die Reglerverstärkung stellt den Grad der Reaktion auf eine gegebene Störung dar, während die Anlagenverstärkung die Effizienz der Reaktion widerspiegelt., Im Atmungssystem manifestiert sich die Gewichtszunahme als Chemoresponsivität, während die Pflanzenzunahme die Wirksamkeit einer bestimmten winzigen Beatmung zur Beseitigung von Kohlendioxid ist.
Das Konzept der Schleifenverstärkung lässt sich dadurch veranschaulichen, dass eine thermostatgesteuerte Klimaanlage die Raumtemperatur in einem engen Bereich hält. Geringfügige Temperaturänderungen lösen einen empfindlichen Thermostat aus, um die Klimaanlage ein-oder auszuschalten. Der Grad, in dem ein Thermostat auf eine Änderung der Raumtemperatur reagiert, stellt eine Reglerverstärkung dar., Pflanzenverstärkung stellt die Wirkung der Reaktion auf das System dar, die Temperaturänderung im Raum als Folge der Kühlwirkung der Klimaanlage. Ein System mit hoher Anlagenverstärkung kann eine stärkere Klimaanlage oder einen kleineren Raum zum Abkühlen haben, was zu einer schnelleren Reaktion und einer größeren Wahrscheinlichkeit eines Überschreitens der Grenzwerte führt.
Loop-Verstärkung ist definiert als die Reaktion auf eine Störung/Störung selbst., In einem thermostatgesteuerten Klimasystem mit hoher Schleifenverstärkung führt ein geringer Anstieg der Raumtemperatur schnell zu einer Kühlung, die den Bereich, für den der Thermostat eingestellt ist, übersteigen kann, wodurch die Klimaanlage bald ausgeschaltet wird. Ein solches System wäre relativ instabil, wobei die Klimaanlage häufig ein – und ausgeschaltet wird und der Raum Temperaturschwankungen erfährt.
Im System der Beatmungsregulation ist die Regelverstärkung der Grad der Beatmungsreaktion auf eine gegebene Veränderung der Hyperkapnie oder Hypoxie und wird durch Chemorezeptoren vermittelt., Die Pflanzenzunahme wird durch die Wirkung einer Beatmungsreaktion auf arterielle Sauerstoff-und Kohlendioxidspannungen dargestellt. Wenn ein Patient einen niedrigen Totraum, eine niedrige Stoffwechselrate, eine geringe funktionelle Restkapazität oder einen hohen PaCO2 hat, ist die Wirkung von Beatmungsänderungen ausgeprägter, was zu einer höheren Gewichtszunahme führt.
Für das Beatmungssystem kann die Schleifenverstärkung wie im Bild unten gezeigt definiert werden.
Schleifenverstärkung = Hyperpnoe (Reaktion auf Störung)/Apnoe oder Hypopnoe (Störung)
Wenn Schleifenverstärkung kleiner als 1 ist, sind die Reaktionen auf Apnoen oder Hypopnoen allmählicher und kleiner, sodass die Belüftung zu einem gleichmäßigen Muster zurückkehren kann. Wenn der Loop-Gewinn größer als 1 ist, führen die großen Reaktionen auf Apnoen und Hypopnoen zu Schwankungen der Hyperventilation und Apnoe/Hypoventilation, was zu einem Zustand der Instabilität führt, der als periodische Atmung bezeichnet wird., Während des Aufwachens kann die Verhaltenskontrolle periodische Atemmuster außer Kraft setzen, so dass der Effekt einer hohen Schleifenverstärkung auf das Beatmungssystem während des Schlafes am deutlichsten ist.
Zusätzlich zur hohen Schleifenverstärkung muss eine Verzögerung zwischen der Erkennung einer Störung und der Betätigung der Reaktion auftreten, damit ein System instabil wird. Dieser Zustand besteht für das Atmungssystem aufgrund der Verzögerung zwischen der Veränderung von PaCO2 im Lungenvenensystem und der Erkennung der Veränderung der Karotiskörper und des Hirnstamms., Eine längere Zirkulationszeit bei einigen Patienten mit kongestiver Herzinsuffizienz kann die Verzögerung verstärken und sie für einen instabilen Beatmungszustand, CSB-CSA, prädisponieren.
Das Beatmungssystem ist besonders instabilitätsgefährdet, wenn sich der ruhende PaCO2 der apneischen PaCO2-Schwelle nähert. In der Situation eines hohen Kontrollgewinns oder eines hohen Pflanzengewinns in Verbindung mit einem niedrigen Ausgangswert PaCO2 nahe der apneischen Schwelle kann eine geringfügige Störung des Systems zu einem zyklischen Auftreten von zentralen Apnoen und Hyperpnoen führen., Patienten mit Hypokapnie und Herzinsuffizienz und solche, die in große Höhen aufsteigen, entwickeln häufig diese Zustände und prädisponieren sie für ein periodisches Atemmuster. Die Glaubwürdigkeit dieses Konzepts wird durch die Beobachtungen gestützt, dass eine Vergrößerung des Totraums, eine Erhöhung der eingeatmeten PaCO2-Konzentration oder eine erhöhte Basisbelüftung durch Acetazolamid unter bestimmten Umständen vor periodischer Atmung schützt.,
Es wurde gezeigt, dass Patienten mit Herzinsuffizienz und zentraler Schlafapnoe im Vergleich zu Patienten mit Herzinsuffizienz und obstruktiver Schlafapnoe eine verstärkte Beatmungsreaktion auf eine Veränderung des PaCO2 haben. Hypoxie verstärkt die Beatmungsreaktion auf Veränderungen von PaCO2 (erhöht die Steigung der Reaktion) und prädisponiert für Instabilität in der Beatmung. Eine Veränderung des PaCO2 kann wichtiger sein als der niedrige PaCO2, da Patienten mit chronischer Lebererkrankung ebenfalls einen niedrigen PaCO2 haben, aber keine zentrale Schlafapnoe entwickeln., Bei Patienten mit Herzinsuffizienz und zentraler Schlafapnoe wurde eine erhöhte Beatmungsreaktion auf Bewegung berichtet, die proportional zur Schwere des CSB-CSA-Versagens war, was auf eine verstärkte periphere und zentrale Chemorezeptorreaktion hindeutet.
Zentrale Schlafapnoe-Hypoventilationssyndrome wie solche, die mit narkotischem Gebrauch oder Hirnstammläsionen verbunden sind, sind auf Störungen des zentralen Atemmusterzentrums oder peripherer Chemorezeptoren oder beides zurückzuführen, die während des Schlafes aufgrund der Unterdrückung von Wachheit oder Verhaltensauffälligkeit deutlicher werden können.,
Das respiratorische „Kontrollzentrum“ umfasst mehrere Bereiche der Medulla. Während des NREM-Schlafes wird die Atmung durch ein automatisches System gesteuert, das hauptsächlich durch chemische Reize beeinflusst wird. Im REM-Schlaf werden sowohl hemmende als auch erregende Einflüsse auf die medullären Atemneuronen ausgeübt, die sich durch unregelmäßiges Atmen und gelegentliche „physiologische“ zentrale Apnoen manifestieren.,
Primäre Störungen des Zentralnervensystems wie Meningitis oder Blutungen und Tumore oder Schlaganfälle, die den Hirnstamm betreffen, können zu einem ataxischen Atemmuster führen, das als Biot-Atmung bezeichnet wird. Das Biot-Muster kann ohne Periodizität unregelmäßig sein oder aus Läufen ähnlich großer Atemzüge bestehen, die sich mit zentralen Apnoen abwechseln, wie im Bild unten gezeigt.
Dieses Polysomnogramm zeigt zentrale Schlafapnoe und Biot-Atmung bei einem Patienten, der Langzeitmorphin für chronische Schmerzen erhält., Das Biot-Muster kann ohne Periodizität unregelmäßig sein, oder es kann aus Läufen ähnlich großer Atemzüge bestehen, die sich mit zentralen Apnoen abwechseln. Betäubungsmittel wie Heroin, Morphin und Methadon verursachen Atemdepression durch Stimulation der Opioid-Mu-Rezeptoren an Neuronen im medullären Atemkomplex., Obwohl sich Toleranz für viele Wirkungen von Opioiden auf das Zentralnervensystem entwickelt, haben Studien abnormale hyperkapnische und hypoxische Beatmungsreaktionen bei chronischen Narkotikumkonsumenten gezeigt, und mehrere Berichte haben gezeigt, dass zentrale Schlafapnoe bei Personen mit langfristigen Opioiden häufig ist. Die Möglichkeit, dass Mu-rezeptor Hemmung der carotis-Körper und andere periphere Chemorezeptoren spielt eine Rolle bei der Entstehung einer subtileren form der respiratorischen depression in long-term narcotic verwenden, wurde vorgeschlagen.,
Die Mechanismen, die für zentrale Schlafapnoe und obstruktive Schlafapnoe verantwortlich sind, überlappen sich, und Patienten mit zentraler Apnoe haben oft obstruktive Ereignisse. Studien haben gezeigt, dass der Hypopharynx während eines zentralen apneischen Ereignisses erheblich verengt sein kann. Während der normalen Inspiration tritt eine neuronale Entladung zum Zwerchfell und zu den oberen Atemwegsmuskeln auf, die den Pharynx versteift und erweitert, um ihn offen zu halten. Wenn sowohl im Zwerchfell als auch in den oberen Atemwegsdilatatoren eine Abnahme der Aktivität auftritt, kann dies zu einer zentralen oder obstruktiven Apnoe führen., Wenn trotz fehlender Aktivierung der Rachenmuskulatur der obere Atemweg offen bleibt, wird das Ereignis eine zentrale Apnoe sein. Wenn der obere Atemweg während der zentralen Apnoe geschlossen ist und die Zwerchfellaktivität wieder aufgenommen wird, bevor der Pharynx-Dilatator-Muskeltonus wiederhergestellt ist, ergibt sich eine gemischte Apnoe.
Somit kann die Anfälligkeit für einen oberen Atemwegskollaps bestimmen, ob zentrale oder obstruktive Apnoen beim Radfahren aufgrund von Beatmungsinstabilität auftreten., Die Umwandlung von obstruktiven Apnoen in ein Cheyne-Stokes-Atemmuster mit der Einführung eines kontinuierlichen positiven Atemwegsdrucks (CPAP) ist ein Beispiel für dieses Phänomen. Siehe die Bilder unten.
Obstruktive Schlafapnoe (OSA): Dieses Polysomnogramm zeigt typische Hypopnoen, die bei OSA vor kontinuierlicher positiver Atemwegstitration auftreten. In OSA fehlt oder verringert sich der Luftstrom, aber der Beatmungsaufwand bleibt bestehen., 
Cheyne Stokes: Dieses Polysomnogramm stellt die Cheyne Stokes-Atmung dar und trat nach einer kontinuierlichen positiven Atemwegsdrucktitration für OSA bei demselben Patienten in der vorherigen Mediendatei auf. Cheyne Stokes Atmung hat ein klassisches Crescendo-Decrescendo Atemmuster. 
