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22. Regulación DE LA Ventilación Pulmonar...

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FISIOLOGÍA DE SISTEMAS CAPÍTULO XXII REGULACIÓN DE LA VENTILACIÓN PULMONAR ESQUEMA DEL CAPÍTULO ✓ Introducción ✓ CONTROL NEURAL DE LA VENTILACIÓN • Vías eferentes del centro respiratorio • Aferencias al centro respiratorio ✓ CONTROL QUIMICO DE LA VENTILACIÓN • Quimiorreceptores periféricos • Quimiorreceptores centrales ✓ INFLUENCIA DE LOS CENTROS SUPERIORES • Otros reflejos relacionados con la respiración • Efectos del sueño sobre la ventilación • Efectos de la altitud elevada sobre la ventilación • Efectos del ejercicio sobre la ventilación ✓ APLICACIONES CLÍNICO-FISIOLÓGICAS ✓ Bibliografía

OBJETIVOS DEL CAPÍTULO 1. Esquematizar el proceso general de la regulación de la ventilación. 2. Citar la localización de los centros respiratorios del bulbo, la protuberancia y el efecto sobre la ventilación de las secciones del tronco encefálico a estos niveles 3. Describir cómo se origina el ritmo respiratorio y el papel central de los núcleos respiratorios ventral y dorsal del bulbo raquídeo. 4. Exponer el papel de la corteza cerebral en el control voluntario de la ventilación. 5. Describir la inervación y el patrón de activación de los músculos respiratorios. 6. Citar los tipos de receptores periféricos que intervienen en el control de la ventilación. 7. Describir las respuestas a la insuflación de los mecanorreceptores del pulmón y vías respiratorias. 8. Describir los reflejos inducidos por efectos mecánicos e irritantes de las vías respiratorias. 9. Describir los reflejos originados a partir de receptores propioceptivos. 10. Exponer cuáles son las variables sanguíneas que modifican la ventilación. 11. Describir la localización, estructura e inervación de los quimiorreceptores periféricos y citar los factores que los activan.

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12. Describir las respuestas de los quimiorreceptores arteriales a los cambios de PO2, PCO2 y pH de la sangre. 13. Señalar en qué condiciones los quimiorreceptores periféricos adquieren mayor importancia funcional en la regulación de la ventilación. 14. Describir la localización de los quimiorreceptores centrales y su mecanismo de activación. 15. Representar mediante un esquema los distintos centros nerviosos y factores que intervienen en el control de la ventilación y sus relaciones principales. 16. Describir la respuesta ventilatoria al aumento de la PCO2 a través de los quimiorreceptores centrales durante el sueño. 17. Señalar las circunstancias en que los quimiorreceptores centrales adquieren mayor importancia funcional en la regulación de la ventilación. 18. Citar los cambios respiratorios que ocurren durante la ascensión a gran altura y descenso en el mar. 19. Describir los principales cambios respiratorios que ocurren durante el ejercicio físico.

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REGULACIÓN DE LA VENTILACIÓN PULMONAR Introducción Sabemos, por la mera experiencia, que es posible aguantar la respiración de forma voluntaria, ya sea jugando a quien aguanta más la respiración debajo del agua o cuando entrenamos físicamente. En condiciones normales, luego de una inspiración máxima, muchas personas pueden aguantar la respiración durante aproximadamente 1 min, pero, siguiendo un entrenamiento, algunas pueden llegar a aguantar más de 6 min. Antes de la llegada del buceo con escafandras, los buceadores a pulmón libre (freediving) eran quienes recogían perlas y esponjas, ya que se sumergían bajo el agua sin ningún tipo de ayuda ni de suministro de aire. Para poder permanecer bajo el agua, los buceadores suelen disminuir la cantidad de CO2 de su sangre mediante la hiperventilación. Sin embargo, la hiperventilación para aguantar la respiración bajo el agua es una práctica muy peligrosa y mucha gente se ahoga por los mareos y la confusión que provoca la hiperventilación. Esto le sucedió al estadounidense Nicholas Mevoli, de 32 años, quien falleció mientras intentaba establecer un nuevo récord de freediving en aguas de las Bahamas. Quería llegar hasta los 72 metros, pero cuando alcanzó los 68 dio media vuelta. Al regresar a la superficie tras 3 min y 38 s sin respirar (lo que los “freedivers” conocen como “blackout”, la narcosis letal que provoca el nitrógeno disuelto en la sangre sometido a elevadas presiones, le afectó sin remisión. Se desvaneció y falleció 15 minutos más tarde. En este sentido, la función principal y reguladora del sistema respiratorio es mantener las presiones normales de O2 y CO2, así como la concentración de H+, lo cual se consigue adecuando la ventilación pulmonar a las necesidades metabólicas de consumo y producción de ambos gases, respectivamente. Sin embargo, a pesar de las amplias variaciones en los requerimientos de captación de O2 y eliminación de CO2, las presiones arteriales de ambos elementos se mantienen dentro de márgenes muy estrechos por una compleja regulación de la ventilación de los pulmones mediante determinados sistemas de control. La respiración está controlada por las siguientes partes: ✓ Centros de control de la respiración en el tronco encefálico (bulbo raquídeo y protuberancia). ✓ Quimiorreceptores de O2 y de CO2. ✓ Mecanorreceptores en los pulmones y en las articulaciones. ✓ Control voluntario a partir de órdenes procedentes de la corteza cerebral que pueden anular temporalmente al tronco encefálico. Los efectores de este sistema homeostático son los músculos ventilatorios principales y accesorios. CONTROL NEURAL DE LA VENTILACIÓN Los latidos y la respiración son los dos procesos rítmicos más evidentes del cuerpo; sin embargo, aunque el corazón tiene un marcapasos intrínseco, los pulmones no lo tienen.

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Las funciones homeostáticas y conductuales del sistema respiratorio están reguladas por el SNC, donde se origina el ritmo respiratorio básico (RRB). Hace más de 70 años se observó que este se mantiene tras la eliminación del cerebro por encima del tronco encefálico y que la respiración automática cesa después de seccionar el tronco del encéfalo en la unión del bulbo raquídeo con la médula espinal. Sin embargo, todavía en la actualidad, la localización histológica precisa de los centros en el bulbo y la protuberancia está poco caracterizada, debido a que los llamados “centros respiratorios” no constituyen núcleos separados, sino que están formados por grupos de neuronas poco individualizadas. Por ello, la creencia inicial de que determinadas funciones respiratorias residían en los centros respiratorios se ha modificado y, en la actualidad, se utiliza el término generador central del ritmo o generador central del patrón respiratorio (GCPR), el cual está constituido por una serie de redes neuronales organizadas como oscilador acoplador, capaces de elaborar un patrón de descargas que se mantiene espontáneamente activo durante toda la vida y que subyace al ciclo periódico de inspiración y espiración. El GCPR presenta un alto grado de redundancia funcional; este hecho, junto con su distribución relativamente diseminada en el tronco del encéfalo, representa un mecanismo para asegurar su funcionamiento de forma continua y segura, ya que la respiración es la única función que exige que los músculos esqueléticos se contraigan continuamente en un ciclo de inspiración seguido de espiración, desde el nacimiento hasta la muerte. Los experimentos de transección a distintos niveles del SNC permitieron concluir que los supuestos “centros” encargados del control automático del ritmo respiratorio se localizaban en el tronco encefálico. En función de estos resultados se hablaba de: 1. Centro neumotáxico: está compuesto por neuronas que se agrupan en dos núcleos, situados en la parte rostral de la protuberancia denominados núcleo parabraquial medial (NPBM) y núcleo de Kölliker-Fuse. Se considera que su función es la de modular los centros respiratorios bulbares, pues la estimulación de las neuronas del neumotáxico desactiva la inspiración, regula el volumen inspiratorio y, en consecuencia, la frecuencia respiratoria, lo cual apunta hacia el hecho de que no parece participar en la génesis del RRB, ya que puede existir un patrón normal en su ausencia. 2. Centro apnéustico: el término “apneusis” significa inspiración sostenida; sin embargo, la respiración apnéustica hace referencia a periodos de apneusis que se interrumpen por espiraciones breves. Su localización hística aún no ha sido precisada, pero parece estar formado por una red neuronal difusa, ubicada en la formación reticular de la protuberancia en el límite con el bulbo raquídeo. Se considera que es el lugar de proyección e integración de diferentes tipos de información aferente, que pueden finalizar la inspiración (neuronas con actividad interruptora inspiratorio). Tanto la estimulación vagal, por el aumento del volumen pulmonar, como la del centro neumotáxico, activan estas neuronas y hacen que acabe la fase de inspiración. Cuando este mecanismo se inactiva mediante la supresión de las aferencias vagales y de los centros superiores aparece la apneusis. Estas neuronas también se estimulan por el aumento de la temperatura corporal y ocasionan la taquipnea. Por su parte, estas neuronas no parecen desempeñar una función crucial en la génesis del RRB. 3. Centros bulbares inspiratorios y espiratorios: representados por varios grupos neuronales en distintos núcleos bulbares, capaces de aumentar su actividad (frecuencia de disparo de potenciales de acción) durante la inspiración. Sin embargo, no parece que haya un grupo único de células marcapasos en el bulbo donde se origina el RRB; por el contrario, el patrón de inspiración-espiración es generado por neuronas interconectadas, las cuales forman redes que actúan como circuitos oscilantes. Durante la inspiración, entre dichas redes, la frecuencia de disparo aumenta en varias células (en distintos puntos), mientras que en la espiración se activan otros grupos neuronales. Las neuronas Fernández, V. H.

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que constituyen el GCPR, se localizan de forma más o menos difusa bilateralmente en el bulbo y forman dos grupos denominados respiratorio dorsal y respiratorio ventral. I. Grupo respiratorio dorsal (GRD): formado por neuronas localizadas en la región dorso medial del bulbo y forma parte del núcleo del tracto solitario (NTS). Contiene fundamentalmente neuronas inspiratorias de distintos tipos, las cuales envían proyecciones a las motoneuronas de los nervios frénicos e intercostales y son, por tanto, las responsables de la actividad mantenida del diafragma durante la inspiración. También establecen conexiones con el grupo respiratorio ventral. El NTS constituye la principal proyección de vías aferentes viscerales de los nervios glosofaríngeo (IX par) y vago (X par), que llevan informaciones de los quimiorreceptores acerca de la PaO2, PaCO2 y el pH, además de la PAM (desde los barorreceptores aórticos). Si bien el GRD es necesario para la inspiración, no es suficiente ya que la lesión de este grupo no impide la inspiración, solo altera a amplitud de a descarga de los nervios frénicos. II. Grupo respiratorio ventral (GRV): constituido por neuronas de distribución anatómica más difusa que la del dorsal, constituido por agregados de células que se extienden longitudinalmente por el bulbo, desde su zona caudal hasta la más rostral. a) Zona caudal que corresponde al núcleo retroambiguo (GRV caudal o NRA) y contiene fundamentalmente neuronas espiratorias. Las zonas de muchas de estas neuronas establecen sinapsis con las motoneuronas que controlan los músculos espiratorios intercostales y abdominales (espiración forzada). b) Zona intermedia que corresponde al núcleo paraambiguo (GRV intermedio o NPA). Por su distribución paralela al núcleo ambiguo contiene fundamentalmente neuronas inspiratorias. En 1991, se describió un complejo neuronal denominado complejo pre-Bötzinger (CpreBöt), un grupo de 150-200 neuronas, en una región del bulbo raquídeo ventral que contiene la red neuronal necesaria y suficiente para generar el RRB. El CpreBöt es una región limitada, bilateral y simétrica del GRV. En el humano, el CpreBöt se encuentra ventral a la división semicompacta y caudal a la división compacta del núcleo ambiguo. Estas neuronas tienen receptores específicos para distintos neurotransmisores, los cuales pueden estimular, inhibir o modificar su actividad; dichos receptores comprenden los de la sustancia P (neurocinina), la acetilcolina (nicotínicos), el glutamato (NMDA o N-metil D-aspartato, AMPA o receptor del ácido α-amino-3-hidroxi-5-metilo-4-isoxazolpropiónico y los receptores de kainatos) y los receptores de opioides µ. Contiene hasta 6 tipos de neuronas respiratorias, que debido a sus propiedades intrínsecas y a las interacciones sinápticas que establecen, permiten generar y mantener una actividad cíclica espontánea en forma de salvas de disparos de potenciales de acción. Cada CpreBöt muestra actividad rítmica independiente, sin embargo, se comunican bidireccionalmente con conexiones sinápticas que sincronizan la actividad de ambos lados. En estudios in vivo se ha mostrado que las neuronas del CpreBöt envían proyecciones contralaterales al CpreBöt, ipsilaterales y contralaterales al CBöt, al GRV caudal, al grupo respiratorio parafacial/núcleo retro trapezoide (GRpF/NRT), al núcleo parahipogloso, al NTS, al NPBM/núcleo de Kölliker-Fuse y a la sustancia gris periacueductal. Se han identificado subpoblaciones neuronales que secretan glutamato (principal neurotransmisor), somatostatina, glicina, GABA y con coexpresión de glicina-GABA. Como resultado de las interacciones sinápticas entre las Fernández, V. H.

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neuronas del CpreBöt, cada neurona produce actividad rítmica inspiratoria en forma de una despolarización sincrónica de 10-20 mV, con duración de 0,3 a 0,8 s y con potenciales de acción, llamada potencial inspiratorio en fase con toda la red. Aunque rítmicas, no se considera a la mayoría de las neuronas del CpreBöt como neuronas marcapasos, ya que en ausencia de conexiones sinápticas la actividad rítmica cesa. Asimismo, el CpreBöt contiene neuronas silenciosas, que no disparan potenciales de acción aun cuando se encuentran en la misma área neuroanatómica. El CpreBöt no contiene neuronas espiratorias. Durante la ventilación pulmonar, la fase inspiratoria es la fase activa que involucra la contracción de músculos, mientras que la fase espiratoria es pasiva. La espiración se vuelve activa en procesos como toser, estornudar o durante el ejercicio. Se ha propuesto que la espiración activa está controlada por el GRpF/NRT. c) Zona rostral (GVR rostral) que se localiza en la cercanía del núcleo retrofacial (NRF) e incluye una densa población de neuronas que se agrupan y forman el llamado complejo de Bötzinger, el cual está formado por diversos tipos funcionales de neuronas espiratorias, algunas motoneuronas que inervan la laringe y la faringe, otras son interneuronas.

Durante la eupnea, la actividad neural que sale hacia los músculos respiratorios es muy regular, con ráfagas rítmicas de actividad durante la inspiración solamente hacia el diafragma y algunos músculos intercostales. La espiración se produce exclusivamente por la finalización de la inspiración y por el retroceso elástico pasivo de la pared torácica y los pulmones. Durante el ejercicio más intenso aumenta la amplitud y la frecuencia de la actividad del nervio frénico y aparece actividad adicional en los nervios que inervan músculos accesorios de la inspiración. Con este aumento del esfuerzo también se tornan activos los músculos accesorios de la espiración, lo que produce una espiración más rápida y permite que la inspiración siguiente comience más temprano; es decir, aumenta la frecuencia respiratoria.

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Según el modelo de propiedad emergente, el ritmo respiratorio se genera por la actividad coordinada de tres tipos de neuronas medulares: a) Neuronas con actividad inspiratoria central (NAIC) b) Neuronas con actividad de interruptor inspiratorio (NAII) c) Neuronas que actúan a manera de integrador (NI). Las NAIC disparan con una frecuencia en incremento constante, un patrón de descarga que se denomina rampa inspiratoria, las cuales dirigen a la reserva de neuronas motoras responsable de los movimientos para la inspiración, aumentando la frecuencia de disparo y también el volumen corriente. Al mismo tiempo despolarizan a las NI. Las NAII son responsables de poner fin a la rampa inspiratoria ya que descargan cuando las neuronas integradoras se despolarizan hasta un nivel umbral. De acuerdo con esto, las NAIC inducen el disparo de las NAII en forma indirecta, por mediación del integrador, con lo que limitan a sus propias descargas. Esto constituye un circuito básico para la generación del ritmo respiratorio. Diversos núcleos no respiratorios del tronco encefálico y centros superiores del SNC también interactúan con los centros del control de la respiración, lo que permite que el sistema ventilatorio se adapte a actividades como hablar, tocar un instrumento musical de viento, deglutir y vomitar. Estas interconexiones también permiten que el control respiratorio esté muy integrado con el sistema nervioso autónomo, el ciclo de sueño-vigilia, las emociones y otros aspectos del funcionamiento del encéfalo. En este sentido, el integrador recibe impulsos adicionales de excitación e inhibición, siendo las tres fuentes principales de impulsos excitatorios hacia el integrador la corteza encefálica, el NPBM en la región rostral del puente de Varolio (centro neumotáxico) y las aferentes vagales que derivan de los receptores de estiramiento de los pulmones. Las fuentes de impulsos inhibitorios incluyen un grupo de células del bulbo (centro apnéustico). En presencia de impulsos excitatorios, el integrador se despolariza con rapidez hasta el nivel umbral e induce el disparo de las NAII, lo cual resulta en la terminación temprana de la rampa inspiratoria. De ahí que la inspiración se acorte y el volumen corriente disminuya. En contraste, en ausencia de estos impulsos excitatorios, y presencia de impulsos inhibitorios o cuando coinciden ambas situaciones, el integrador requiere más tiempo para despolarizarse hasta el nivel umbral y la rampa inspiratoria persiste durante ese periodo. Así, la inspiración se prolonga y el volumen corriente aumenta. Es importante destacar que Lumsden (1923) encontró que, al seccionar en la porción media de la protuberancia, se produce un efecto pequeño de aumento del volumen corriente y una ligera disminución de la frecuencia respiratoria. Una vagotomía bilateral, que interrumpe los dos nervios vagos que transportan información sensorial procedente de los receptores de estiramiento pulmonares, tiene un efecto similar, pero de menor importancia. La estimulación del centro apnéustico genera respiración apnéustica, aunque puede presentarse incluso sin la estimulación del centro apnéustico. Asimismo, las aferentes vagales que derivan de los receptores de estiramiento de los pulmones no disparan durante la respiración lenta y comienzan a hacerlo sólo una vez que el volumen corriente supera 800 ml. Así, en este modelo simplificado, sólo existen dos impulsos excitatorios que se dirigen al integrador, además de los que derivan de las NAIC. Sin embargo, si falta uno de los dos impulsos excitatorios, el volumen corriente aumenta y las aferentes del vago comienzan a disparar, lo que provee un impulso excitatorio adicional. El número total de impulsos excitatorios sigue siendo dos y la respiración no se modifica en grado significativo. Esto se observa en sujetos normales durante la anestesia, Fernández, V. H.

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cuando se inhibe el impulso excitatorio cortical. Sin embargo, si se inhiben dos de los impulsos excitatorios, la respiración se vuelve profunda y lenta. Esto ocurre cuando el nervio vago se secciona en un perro anestesiado ya que, este último, reduce al mínimo el impulso excitatorio cortical, en tanto la vagotomía elimina los impulsos excitatorios que derivan de los receptores de estiramiento pulmonar. Otro ejemplo corresponde a la sección experimental de la región media del puente en el perro. El corte elimina los impulsos excitatorios que descienden a partir del NPBM y también de la corteza. En esta fase, el volumen corriente excede 800 ml, y las aferentes vagales comienzan a disparar, lo que genera imp...