Respiratory and circulatory effects of 100 meq/l potassium or 2% procaine in the cerebrospinal fluid of cats

Summary

In cats lightly anesthetized with chloralose-urethane, the ventral surface of the medulla was perfused with mock CSF of different potassium concentrations, or with solutions containing 2% procaine. In some experiments a wall of gelatin foam glued onto the midline of the medulla allowed a separate perfusion of either half of the medullary surface. To study the blockade of different layers of the medullary tissue, electrical stimuli were applied at varying depths from the ventral surface, at a spot located medially from the roots of the hypoglossal nerve and 3 mm laterally from the midline.

• 1. Both potassium at 100 meq/l, and 2% procaine, cause respiratory arrest after 50–650 sec when perfused over the ventral medullary surface.

• 2. Perfusion of one half of the ventral medullary surface with potassium at 100 meq/l, the opposite half being perfused simultaneously with reference solution, causes a decrease in ventilation of more than 50% and in some cases respiratory arrest.

• 3. Electrical stimuli (1 V; 60 sec⁻¹) 200 μ below the surface cause a slight inspiratory displacement of the respiratory leve, and later an increase in tidal volume and frequency. When the medullary surface is perfused either with the solution of high potassium concentration, or with 2% procaine, the response to these stimuli disappears at about the time of respiratory arrest.

• 4. The response to electrical stimuli (0.5 V; 60 sec⁻¹) applied 1.5 mm below the surface — a vigorous inspiration followed by apneusis in extreme inspiratory position — outlasts for several minutes the respiratory arrest induced by perfusion with 100 meq/l potassium.

• 5. Potassium at 100 meq/l causes a transitory fall in blood pressure; later the blood pressure rises above the control level During perfusion with 2% procaine, the blood pressure usually decreases and remains on this low level until the drug is washed out.

It is concluded that potassium ions readily diffuse through the extracellular spaces of the medullary tissue. Ther immediate effects on respiration cannot, however, be explained by a direct influence on the respiratory centres since these have been demonstrated to be still responding to stimuli after respiration has ceased. In the peripherally denervated animal (carotid nerves sectioned) ventilation is maintained by the activity of structures located near the ventral surface of the medulla which are not identical with the respiratory centres. In addition, structures which are involved in the control of circulation have to be assumed at a similar location.

Zusammenfassung

Die ventrale Oberfläche der Medulla oblongata flach narkotisierter Katzen wurde mit künstlichem Liquor cerebrospinalis, der unterschiedliche Kaliumkonzentrationen oder 2% Novocain enthielt, überströmt. In einigen Versuchen ermöglichte eine in der Mittellinie der Medulla aufgeklebte Trennwand aus Gelitta Tampon die getrennte Perfusion beider Häften der Oberfläche mit unterschiedlichen Lösungen. Die Ausschaltung verschiedener Schichten der Medulla oblongata wurde durch Beobachtung der Antwort auf elektrische Reize in verschiedenen Tiefen des Gewebes an einer Stelle medial der Hypoglossuswurzel und 3 mm lateral der Mittellinie geprüft.

• 1. Sowohl 100 meq/l Kalium wie auch 2% Novocain in der Überströmungs-flüssigkeit verursachen nach 50–650 sec Atemstillstand.

• 2. Gleichzeitige Überströmung einer Hälfte der Oberfläche der Medulla oblongata mit Lösungen hoher Kaliumkonzentration (100 meq/l), der anderen Hälfte mit Referenzlösungen (K⁺ 5 meq/l; pH 6.9) führt zu einer Verminderung der Atmung um mehr als 50% oder zu Atemstillstand.

• 3. Elektrische Reizung (1 V; 60 sec⁻¹) 200 μ unter der Oberfläche verursacht eine geringe inspiratorische Verschiebung der Atemlage, später auch eine Vergrößerung des Atemzugvolumens und der Frequenz. Diese Antwort verschwindet während Überströmung mit hohen Kaliumkonzentrationen etwa zu der Zeit, zu der Atemstillstand eintritt.

• 4. Die Antwort auf elektrische Reize (0,5 V; 60 sec⁻¹) in 1,5 mm Tiefe — eine starke Inspiration mit anschließender Apneusis in extremer Inspirationsstellung —überdauert den durch Kalium ausgelösten Atemstillstand um mehrere Minuten.

• 5. Hohe Kaliumkonzentraionen (100 meq/l) verursachen, nach vorübergehendem Blutdruckabfall einen Blutdruckanstieg über das Kontrollniveau, während Novocainüberströmung, zu einer Blutdrucksenkung führt, die bis zum Auswaschen der Substanz bestehen bleibt.

Aus diesen Beobachtungen kann geschlossen werden, daß Kaliumionen im Extracellulärraum des Gehirngewebes rasch diffundieren können. Ihre Wirkung auf die Atmung lassen sich jedoch nicht durch direkte Beeinflussung der Atemzentren allein erklären; es konnte gezeigt werden, daß diese noch erregbar sind, wenn die Atmung bereits zum Stillstand gekommen ist. Beim peripher denervierten Tier (Sinusnerven durchtrennt) wird die Atmung durch Strukturen aufrechterhalten, die nicht mit den Atemzentren identisch, und nahe der ventralen Oberfläche der Medulla oblongata gelegen sind. Zusätzlich müssen kreislaufaktive Strukturen mit ähnlicher Lokalisation angenommen werden.