Les récepteurs de la toux ou récepteurs des irritants à adaptation rapide sont situés principalement sur la paroi postérieure de la trachée, du pharynx, et au niveau de la carène de la trachée, point de ramification de la trachée dans les bronches principales. Les récepteurs sont moins abondants dans les voies respiratoires distales, et absents au-delà des bronchioles respiratoires. Lorsqu’elles sont déclenchées, les impulsions sont transmises par le nerf laryngé interne, une branche du nerf laryngé supérieur qui provient du nerf vague (CN X), jusqu’à la moelle du cerveau. Il s’agit de la voie neuronale afférente. Contrairement à d’autres zones responsables d’actions involontaires comme la déglutition, aucune zone définitive n’a été identifiée comme le centre de la toux dans le cerveau.
Suit alors la voie neuronale efférente, avec des signaux pertinents retransmis du cortex cérébral et de la moelle via le nerf vague et le nerf laryngé supérieur vers la glotte, les intercostaux externes, le diaphragme et les autres principaux muscles inspirateurs et expirateurs. Le mécanisme de la toux est le suivant :
- Le diaphragme (innervé par le nerf phrénique) et les muscles intercostaux externes (innervés par les nerfs intercostaux segmentaires) se contractent, créant une pression négative autour du poumon.
- L’air s’engouffre dans les poumons afin d’égaliser la pression.
- La glotte se ferme (muscles innervés par le nerf laryngé récurrent) et les cordes vocales se contractent pour fermer le larynx.
- Les muscles abdominaux se contractent pour accentuer l’action du diaphragme qui se détend ; simultanément, les autres muscles expiratoires se contractent. Ces actions augmentent la pression de l’air dans les poumons.
- Les cordes vocales se détendent et la glotte s’ouvre, libérant l’air à plus de 100 mph.
- Les bronches et les parties non cartilagineuses de la trachée s’affaissent pour former des fentes à travers lesquelles l’air est forcé, ce qui permet d’évacuer les irritants fixés à la paroi respiratoire.
La stimulation de la branche auriculaire du nerf vague alimentant l’oreille peut également provoquer une toux. Ce réflexe oreille-toux est également connu sous le nom de réflexe d’Arnold. La faiblesse des muscles respiratoires, la trachéotomie ou une pathologie des cordes vocales (y compris la paralysie ou l’anesthésie) peuvent empêcher le dégagement efficace des voies respiratoires.