Atemzentrum
Das wichtigste neuronale Zentrum ist im verlängerten Rückenmark (Medulla oblongata) angesiedelt. Hier entsteht der Atemrhythmus. Das Atemzentrum ist vegetativ und arbeitet daher unwillkürlich. Im Wachzustand kann es jedoch durch entsprechende Aktivität der Großhirnrinde (Cortex cerebri) willkürlich beeinflußt werden, um z.B. Sprache zu ermöglichen.

Respiratorische Rezeptoren
Die respiratorischen Rezeptoren bestehen aus zentralen und peripheren Chemorezeptoren und Dehnungsrezeptoren in der Thoraxwand und in der Lunge. Die Chemorezeptoren reagieren auf die CO2- oder H+-Konzentration im Blut. Sie befinden sich im Aortenbogen und an der Teilungstelle der A. carotis (Sinus carotis). Mechanorezeptoren in der Thoraxwand reagieren auf die Dehnung der Interkostalmuskulatur und passen reflektorisch Atemfrequenz und –tiefe an. Lungendehnungsrezeptoren reagieren auf die starke Erhöhung des intrapulmonalen Volumens.

Effektorgane
Die Nervensignale von respiratorischen Steuerungszentren werden über die Nn. phrenici zum Diaphragma, die Nn. intercostales zu Interkostal- und Bauchdeckenmuskulatur, die Nn. accessorii zu den Mm. sternocleidomastoidei und den Plexus cervicalis inferior zu den Mm. scaleni übertragen. Während des Wachzustandes entfalten die Muskeln der oberen Atemwege und die Interkostalmuskulatur rhythmische Aktivität. Während des Schlafes schwindet diese Aktivität im Gegensatz zu der weitgehend unbeeinflußten Aktivität des Diaphragmas.

Unspezifische Atemreize
Unspezifische Atemreize beeinflussen ohne Rückkopplung den Atemantrieb. So können Schmerz- und Temperaturreize, psychische Erregung, arterielle Druckreize von Druckrezeptoren, Muskelarbeit, aber auch Hormone zu einer verstärkten Atmung führen.