La respiració s’adapta a les necessitats de l’organisme i s’adequa al consum d’O2 i a la producció de CO2 als teixits cada moment. Aquesta acció reguladora és realitzada pel centre respiratori, format per un conjunt de cèl·lules nervioses situades al tronc encefàlic, que adapta la ventilació alveolar a les necessitats orgàniques per tal de mantenir dins uns límits estrets, però gairebé constants, la concentració d’O2 i CO2 en la sang. En realitat, el centre respiratori és constituït per tres nuclis nerviosos: l’àrea de ritmicitat medul·lar, l’àrea apnèustica i l’àrea pneumotàxica.
L’àrea de ritmicitat medul·lar, situada a la meitat interna del bulb raquidi, és constituïda per dos grups de neurones: l’un estimula els músculs inspiratoris, l’altre estimula els expiratoris. El centre nerviós té una activitat rítmica, de tal manera que s’hi activen intermitentment l’un o l’altre grup de neurones, la qual cosa té com a resultat els moviments alternatius d’inspiració i expiració. L’activitat d’aquestes cèl·lules resta subjecta a dos tipus de control. D’una banda, estan connectades a receptors nerviosos que detecten els nivells d’O2 i de CO2, dels quals reben informació, i s’adapten automàticament als requeriments que sorgeixen, segons els nivells. De l’altra, el centre va connectat a l’escorça cerebral, la qual cosa permet de modificar voluntàriament el ritme respiratori.
L’àrea apnèustica i la pneumotàxica se situen en la substància reticular de la protuberància. Aquests nuclis nerviosos es connecten a l’àrea de ritmicitat medul·lar i en modulen el funcionament. La seva funció no es coneix amb exactitud, però segons les investigacions realitzades no són necessàries per al manteniment del ritme de la respiració, tot i que en regulen el tipus. Probablement, l’àrea apnèustica controla la terminació de la inspiració i l’àrea pneumotàxica modula la successió dels moviments respiratoris.
En conjunt, el centre respiratori modula automàticament la seva activitat per poder mantenir uns nivells d’O2 i de CO2 adequats a les necessitats de l’organisme. Aquestes necessitats són determinades pel sistema nerviós, d’acord amb la informació detectada per receptors nerviosos especialitzats. L’activitat del centre respiratori depèn especialment de la informació rebuda pels quimioreceptors, unes estructures nervioses formades per cèl·lules que detecten els canvis en la composició química de la sang. Són unes estructures que es localitzen en diverses parts de l’organisme. A la bifurcació de les artèries carò-tides i a l’artèria aorta hi ha els quimioreceptors perifèrics, que detecten ràpidament els canvis en la concentració d’O2, CO2, o de l’acidesa de la sang. Al mateix centre respiratori, o ben a prop, hi ha els quimioreceptors centrals, de resposta més lenta i que només són sensibles als canvis en la concentració de CO2 o de l’acidesa de la sang. En conjunt, eis receptors detecten els increments en la concentració de CO2 o les caigudes en els nivells d’O2 i desencadenen estímuls nerviosos que es dirigeixen cap al centre respiratori, la qual cosa incrementa llur activitat. A conseqüència d’això, augmenta la profunditat o la freqüència dels moviments respiratoris i es restableixen els nivells adequats d’O2 i de CO2 en la sang. I, al contrari, les modificacions inverses en els nivells dels gasos tenen un efecte inhibitori sobre el centre respiratori que disminueix la profunditat o la freqüència de la respiració.
Hi ha altres receptors nerviosos la informació dels quals pot modificar l’activitat del centre respiratori. Així, als pulmons hi ha receptors d’estirament, que detecten el grau d’insuflació pulmonar, i al llarg de les vies aèries hi ha receptors irritants, que detecten els estímuls irritants sobre la mucosa. Igualment, als músculs respiratoris hi ha receptors neuro-musculars, que informen sobre la longitud dels músculs. El centre respiratori recull la informació procedent de tots aquests receptors i modula la informació subministrada pels quimioreceptors.