二氧化碳浓度升高，导致动脉血中二氧化碳分压升高，二氧化碳分子透过血脑屏障进入脑脊液，形成碳酸，解离出氢离子，随着脑脊液的二氧化碳分压升高，其中的氢离子浓度随之升高，一方面通过刺激外周化学感受器，冲动分别由窦神经和迷走神经传入延髓呼吸神经元，使其兴奋，导致呼吸加深加快。另一方面是刺激延髓腹侧面的中枢化学感受区，再引起延髓呼吸神经元兴奋。这种感受器对氢离子浓度变化敏感，它们的活动影响到调节呼吸的呼吸中枢，通过中枢的作用再引起呼吸肌运动的加强，使呼吸运动加速、加深。呼吸肌运动加强，使肺通气量加大，肺对二氧化碳的排出能力加强，这种负反馈调节就使动脉血二氧化碳分压下降，使动脉血的二氧化碳分压处于一定的水平。
