Деятельность функциональной системы регуляции дыхания направлена на поддержание напряжения кислорода, диоксида углерода и рН крови.
Регуляция внешнего дыхания осуществляется путем рефлекторных реакций, возникающих при возбуждении специфических рецепторов (хеморецепторов) легочной ткани и сосудистых зон. Хеморецепторы в первую очередь реагируют на изменения напряжения СО2 , кислорода и рН крови и посылают импульсы в дыхательный центр и некоторые другие структуры ЦНС. Рецепторы к кислороду находятся в каротидном тельце, расположенном в области бифуркации общей сонной артерии (у животных также в области дуги аорты). Рецепторы к углекислому газу сосредоточены в каротидном тельце и в дуге аорты. Рецепторы в стенках артериальных сосудов реагируют на напряжение углекислого газа и рН плазмы крови. Центральные хеморецепторы контролируют напряжение диоксида углерода и рН ликвора и межклеточной жидкости продолговатого мозга.
Дыхательный центр обеспечивает ритмическую деятельность дыхательных мышц и растяжение легочной ткани, благодаря чему происходит постоянное приспособление внешнего дыхания к изменяющимся условиям внутренней и внешней среды. Дыхательный центр представляет собой совокупность нейронов в продолговатом мозге на дне IV желудочка, состоит из 2 отделов: инспираторного (центр вдоха) и экспираторного (центр выдоха). В среднем мозге находится так называемый «пневмотаксический центр», разрушение которого приводит к удлинению вдоха и выдоха, а электростимуляция – к досрочному переключению фаз дыхания.
Кора больших полушарий и лимбическая система обеспечивают высшую регуляцию дыхания.
Афферентные импульсы о состоянии органов дыхания поступают от механорецепторов легких, среди которых выделяют рецепторы растяжения и рецепторы раздражения.
Рецепторы растяжения легких обеспечивают рефлекторную саморегуляцию дыхания, сигнализируя об объеме легких и скорости его изменения. Таким образом осуществляется медленная адаптация.
Рецепторы раздражения реагируют на резкие изменения объема легких, а также на попадание на слизистую трахеи и бронхов механических или химических раздражителей (пыль, аммиак, эфир, табачный дым). Активация рецепторов раздражения приводит к быстрой адаптации.
Рефлексы саморегуляции дыхания обеспечивают регуляцию глубины и частоты дыхания и величины просвета дыхательных путей. Например, рефлекс Геринга-Брейера, заключающийся в том, что при растяжении легких при вдохе дальнейшее растяжение тормозит вдох и стимулирует выдох (защита от перерастяжения). Рефлекс закрытия голосовой щели возникает в ответ на раздражение рецепторов глотки, гортани и корня языка и заключается в смыкании голосовых и надгортанных связок (защита от попадания пищи, жидкости и раздражающих газов в дыхательные пути). Защитными рефлексами дыхательной системы являются кашлевой и чихательный рефлексы, а также рефлекс ныряльщика (остановка дыхательных движений при попадании жидкости в нос).
При физической нагрузке происходит рефлекторное учащение и усиление дыхательных движений вследствие снижения напряжения кислорода и увеличения напряжения диоксида углерода в крови. Аналогично учащение и усиление дыхательных движений наблюдается при понижении атмосферного давления и уменьшении поступления кислорода в кровь из альвеолярного воздуха.