Pulmonary feedback and gestational age-dependent regulation of fetal breathing movements

Prenatal lung development requires fetal breathing movements (FBM). To investigate the dependence of FBM on feedback originating from the lung, we hypothesized that pneumonectomy stimulates FBM. Time-dated fetal sheep underwent bilateral pneumonectomy, unilateral pneumonectomy, or sham surgery at 125-130 days gestation. The incidence of FBM decreased in sham-operated fetuses at 142 days versus 130 days (p = 0.013), but was unchanged across all gestational ages in bilaterally pneumonectomized fetuses (p >= 0.52). In unilaterally pneumonectomized fetuses, the incidence of FBM remained unchanged until 139 days and was higher than that of the bilaterally pneumonectomized fetuses at 130-136 days gestation (p ≤ 0.03). The amplitude of integrated diaphragmatic electromyographic activity (∫EMG_di) and total respiratory output (frequency of breathing × ∫EMG_di) were lower in pneumonectomized fetuses versus sham-operated fetuses at later gestational ages (p < 0.05). These decreases in ∫EMG_di and total respiratory output were most pronounced at 142 days in bilaterally pneumonectomized fetuses versus sham-operated fetuses (p = 0.006 and 0.016, respectively). Low-voltage electrocortical activity (ECoG) increased, and high-voltage ECoG decreased, in unilaterally pneumonectomized fetuses compared with sham-operated fetuses (p = 0.04). In conclusion, we provide new evidence that feedback from the fetal lung modulates the incidence and various components of phrenic nerve output, suggesting a positive feedback mechanism between FBM and lung development.

Le développement du poumon prénatal nécessite des mouvements respiratoires fœtaux (MRF). Pour examiner la dépendance des MRF envers la rétroaction provenant du poumon, nous avons émis l’hypothèse qu’une exérèse pulmonaire stimule les MRF. Des brebis fœtales inséminées artificiellement ont été soumises à une exérèse pulmonaire bilatérale, à une exérèse pulmonaire unilatérale ou à une opération fictive, entre les jours 125-130 de la gestation. L’incidence des MRF a diminué chez les fœtus opérés de manière fictive au jour 142 vs jour 130 (p = 0,013), mais elle est demeurée inchangée à tous les âges gestationnels chez les fœtus ayant subi une exérèse pulmonaire bilatérale (p >= 0,52). Chez les fœtus ayant subi une exérèse pulmonaire unilatérale, l’incidence des MRF est demeurée stable jusqu’au jour 139, et elle a été plus élevée que celle des fœtus ayant subi une exérèse bilatérale, aux jours 130-136 de la gestation (p ≤ 0,03). L’amplitude de l’activité électromyographique diaphragmatique intégrée (∫EMG_di) et le débit respiratoire total (fréquence respiratoire × ∫EMG_di) ont été plus faibles chez les fœtus ayant subi une exérèse pulmonaire que chez les fœtus opérés de manière fictive aux âges gestationnels plus avancés (p < 0,05). Les diminutions de l’∫EMG_di et du débit respiratoire total ont été plus prononcées au jour 142 chez les fœtus avec exérèse pulmonaire bilatérale vs fœtus opérés de manière fictive (p = 0,006 et 0,016 respectivement). L’activité électrocorticale (EcoG) de bas voltage a augmenté et l’EcoG de haut voltage a diminué chez les fœtus avec exérèse pulmonaire unilatérale comparativement à celles des fœtus opérés de manière fictive (p = 0,04). En conclusion, nous apportons de nouveaux éléments de preuve que la rétroaction provenant du poumon fœtal module l’incidence et divers composants de l’activité des nerfs phréniques, suggérant un mécanisme de rétroaction positive entre les MRF et le développement du poumon.