Control de la Ventilación PDF

C A P Í T U L O 32 CONTROL DE LA VENTILACIÓN George B. Richerson y Walter F. Boron VISIÓN GENERAL DEL SISTEMA DE CONTROL raquídeo, es capaz de generar de forma independiente un ritmo DE LA RESPIRACIÓN respi...

C A P Í T U L O 32 CONTROL DE LA VENTILACIÓN George B. Richerson y Walter F. Boron VISIÓN GENERAL DEL SISTEMA DE CONTROL raquídeo, es capaz de generar de forma independiente un ritmo DE LA RESPIRACIÓN respiratorio y se las conoce como el generador central de patrones (GCP; v. pág. 396). En conjunto, las neuronas de la red respiratoria La respiración es una de esas cosas en las que casi nunca se piensa distribuyen señales adecuadamente a diversos grupos de neuronas hasta que algo funciona mal. Sin embargo, las personas con una motoras de los nervios craneales y raquídeos (v. págs. 241-242), que enfermedad pulmonar tienen una intensa conciencia de la respira- inervan directamente los músculos respiratorios (fig. 32-1). ción, igual que las personas que hacen esfuerzos excesivos, espe- Las neuronas motoras respiratorias más importantes son aque- cialmente a grandes alturas. La sensación de disnea que sufren llas que envían axones a través del nervio frénico para inervar el (v. pág. 701) es una de las más desagradables que se pueden expe- diafragma (tabla 32-1), uno de los principales músculos de la ins- rimentar en la vida (cuadro 32-1). Los nadadores y buceadores con piración (v. pág. 607). Cuando aumentan la actividad respiratoria de equipo autónomo, los cantantes y los intérpretes de instrumentos salida (p. ej., durante el ejercicio), también se estimulan neuronas de viento, las mujeres que utilizan el método de Lamaze y cualquier motoras que inervan una amplia variedad de músculos accesorios persona con un compañero de cama que ronque también se centran de la inspiración y la espiración (v. pág. 607). de forma intensa en la respiración. Es habitual que el control res- Cada uno de estos músculos está activo en diferentes momentos piratorio sea la última función cerebral que se pierde en pacientes del ciclo respiratorio y el encéfalo puede alterar esta secuencia comatosos, en cuyo caso su finalización marca el inicio de la muerte temporal dependiendo de las condiciones en cada momento. Las cerebral. N32-1 Por ello, a pesar de nuestra tendencia habitual neuronas premotoras tienen la tarea de orquestar los patrones de a ignorar la respiración, el control de la ventilación es una de las actividad adecuados entre los diferentes grupos de neuronas moto- más importantes de todas las funciones del encéfalo. ras. El patrón de actividad inspiratoria y espiratoria que se produce El mecanismo del control ventilatorio debe realizar dos tareas. en condiciones normales durante el sueño lento o sueño no REM Primero, debe establecer el ritmo automático para la contracción de (NREM), en reposo y durante el ejercicio leve se denomina eupnea. los músculos respiratorios. Segundo, debe ajustar este ritmo para Durante la eupnea la actividad neural que sale hacia los músculos adaptarlo a las necesidades metabólicas cambiantes (que se reflejan respiratorios es muy regular, con ráfagas rítmicas de actividad por los cambios de la Po2, la Pco2 y el pH sanguíneos), las condi- durante la inspiración solamente hacia el diafragma y algunos mús- ciones mecánicas variables (p. ej., el cambio de postura) y diversas culos intercostales. La espiración se produce exclusivamente por conductas no ventilatorias episódicas (p. ej., hablar, husmear, comer). la finalización de la inspiración y por el retroceso elástico pasivo (v. pág. 606) de la pared torácica y los pulmones. Durante el ejerci- cio más intenso aumenta la amplitud y la frecuencia de la actividad Centros automáticos del tronco encefálico activan del nervio frénico y aparece actividad adicional en los nervios que los músculos respiratorios de forma rítmica inervan músculos accesorios de la inspiración. Con este aumento y subconsciente del esfuerzo también se tornan activos los músculos accesorios de la La actividad rítmica de salida del sistema nervioso central (SNC) espiración (v. pág. 608), lo que produce una espiración más rápida hacia los músculos de la ventilación normalmente se produce de y permite que la inspiración siguiente comience más temprano (es forma automática, sin ningún esfuerzo consciente. Esta actividad decir, aumenta la frecuencia respiratoria). de salida depende de una inmensa red de neuronas interconectadas, situadas principalmente en el bulbo raquídeo, aunque también Los quimiorreceptores periféricos y centrales, se encuentran en la protuberancia y en otras regiones del tronco que detectan la Po2, la Pco2 y el pH, dirigen encefálico. Estas neuronas se denominan neuronas relacionadas el funcionamiento del GCP con la respiración (NRR) porque descargan más potenciales de acción durante partes específicas del ciclo respiratorio. Por ejemplo, El GCP para la respiración es el reloj que marca el ciclado auto- algunas neuronas tienen su actividad máxima durante la inspiración mático de la inspiración y la espiración. En algunos casos el GCP y otras durante la espiración. Algunas NRR son interneuronas (es deja de funcionar si no hay impulsos entrantes tónicos, lo que decir, establecen conexiones locales), otras son neuronas premo­ lleva a la ausencia de ventilación, o apnea. Aunque este impulso toras (es decir, inervan neuronas motoras) y otras son neuronas tónico procede de muchas fuentes, las más importantes son los motoras (es decir, inervan los músculos de la respiración). Un quimiorreceptores centrales y periféricos, que monitorizan los pa­ subgrupo de estas neuronas, que se piensa que están en el bulbo rámetros de los gases de la sangre arterial (concentraciones de O2 700 © 2017. Elsevier España, S.L.U. Reservados todos los derechos  CAPÍTULO 32 Control de la ventilación 701 y CO2 y pH). Al contrario de la frecuencia de un reloj, la del GCP respiratorio se regula según la intensidad del impulso procedente de los quimiorreceptores, lo que da lugar a cambios tanto en la profundidad como en la frecuencia de la ventilación. Los quimiorreceptores periféricos, situados en los cuerpos carotídeos del cuello y los cuerpos aórticos del tórax, son sensibles principalmente a disminuciones de la Po2 arterial, aunque una Pco2 elevada y un pH bajo también los estimulan e incrementan su sen- sibilidad a la hipoxemia. Transmiten su información sensorial hasta el bulbo raquídeo a través del nervio glosofaríngeo (par craneal [PC] IX) y el nervio vago (PC X). Los quimiorreceptores centrales, situados dentro de la barrera hematoencefálica (v. págs. 284-287), detectan los aumentos de la Pco2 arterial y (mucho más lentamen- te) las disminuciones del pH arterial, pero no la Po2 arterial. Estas tres señales desencadenan un aumento de la ventilación alveolar que tiende a devolver estos parámetros de la sangre arterial hasta sus valores normales. Por tanto, los quimiorreceptores, además de aportar un impulso tónico al GCP, constituyen el extremo sensorial fundamental del sistema de retroalimentación negativa que utiliza la actividad respiratoria de salida para estabilizar la Po2, la Pco2 y el pH (v. fig. 32-1). CUADRO 32-1 Disnea L a disnea es la sensación de falta de respiración, o la desa­ gradable sensación consciente de dificultad para respirar. En algunos casos la disnea es una respuesta adaptativa. Por ejemplo, cuando disminuye la Po2 arterial o aumenta la Pco2 por ap­ nea, por asfixia o por una enfermedad pulmonar, la disnea lleva a esfuerzos para aumentar la ventilación y de esta manera restaurar las concentraciones de los gases de la sangre arterial hasta valores normales. Sin embargo, puede producirse disnea incluso con valo­ res normales de Po2 y Pco2. Por ejemplo, un aumento de la resis­ tencia de las vías respiratorias puede producir disnea, aun cuando no se modifiquen las concentraciones de los gases de la san­ gre arterial. El ejercicio también produce disnea, aun cuando la Po2 habitualmente es normal y la Pco2 disminuye. Otras causas de disnea son maladaptativas. Por ejemplo, la claustrofobia y las crisis Figura 32-1 Control de la ventilación. de angustia pueden inducir la sensación de asfixia, es decir, disnea, a pesar de tener unos parámetros ventilatorios normales o incluso una disminución de la Pco2. Se desconocen los mecanismos neu­ rales centrales y las vías responsables de la disnea, aunque se han identificado muchas de las regiones del prosencéfalo implicadas. TABLA 32-1 Inervación de los músculos primarios de la respiración y de algunos secundarios LOCALIZACIÓN DEL CUERPO CELULAR MÚSCULOS NERVIO DE LA NEURONA MOTORA Músculos primarios de la inspiración © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. Diafragma Nervio frénico Núcleos motores frénicos en el asta ventral de la médula espinal, C3-C5 Músculos intercostales externos Nervios intercostales Asta ventral de la médula espinal torácica Músculos secundarios de la inspiración Laringe y faringe Nervios vago (PC X) y glosofaríngeo (PC IX) Principalmente dentro del núcleo ambiguo Lengua Nervio hipogloso (PC XII) Núcleo motor del hipogloso Músculos esternocleidomastoideo y trapecio Nervio accesorio (PC XI) Núcleo del accesorio espinal, C1-C5 Narinas Nervio facial (PC VII) Núcleo motor del facial Músculos secundarios de la espiración Músculos intercostales internos Nervios intercostales Asta ventral de la médula espinal torácica Músculos abdominales Nervios raquídeos Asta ventral de la médula espinal lumbar 702 SECCIÓN V Sistema respiratorio Otros receptores, así como centros superiores información hacia el diafragma a través de la porción mediocervical del encéfalo, también modulan la ventilación de la médula espinal. Dieciocho siglos después, Lumsden utilizó un método similar Si se lo deja solo, el GCP respiratorio funcionaría regularmente en gatos. Observó que la sección del SNC entre el bulbo y la médula durante un período indefinido. Sin embargo, muchas entradas hacia espinal (fig. 32-2, sección bulbomedular) hace que se interrumpa el GCP hacen que el reloj se acelere o se ralentice. Por ejemplo, la la ventilación como consecuencia de la pérdida de las entradas actividad de salida respiratoria a menudo es muy irregular durante descendentes hacia las neuronas motoras frénicas e intercostales muchas conductas que utilizan los músculos respiratorios (p. ej., de la médula espinal. Sin embargo, incluso después de una sección comer, hablar y bostezar). Durante el sueño NREM y la vigilia bulbomedular la actividad respiratoria continúa en los músculos tranquila, y con la anestesia, el GCP no está alterado y sí funciona inervados por neuronas motoras cuyos cuerpos celulares residen regularmente; es en estas condiciones en las que los neurocientíficos en el tronco encefálico. Así, durante el período que habría corres- habitualmente estudian los mecanismos del control respiratorio. pondido a una inspiración las fosas nasales siguen expandiéndose y Diversos receptores de los pulmones y las vías respiratorias los músculos de la lengua, la faringe y la laringe siguen aumentando aportan retroalimentación sensorial que el bulbo raquídeo inte- al máximo el calibre de la vía respiratoria, aunque esta actividad gra y utiliza para alterar la actividad respiratoria de salida. Los respiratoria no puede mantener la vida. Por tanto, la sección bul- receptores de estiramiento monitorizan la mecánica pulmonar bomedular bloquea la ventilación interrumpiendo las salidas hacia (p. ej., volumen pulmonar, longitud muscular) y pueden ayudar el diafragma, pero no eliminando el ritmo respiratorio. Podemos a optimizar los parámetros respiratorios durante los cambios de concluir que la maquinaria neural que genera la ventilación está postura o la actividad. La activación de los receptores de esti- por encima de la médula espinal. ramiento pulmonares también puede poner fin a los esfuerzos Cuando Lumsden, en la década de 1940, practicó una sección inspiratorios, lo que previene la hiperinsuflación. Otros senso- entre la protuberancia y el bulbo raquídeo (v. fig. 32-2, sección res que detectan la presencia de cuerpos extraños o sustancias bulboprotuberancial), observó que continuaba la respiración, pero químicas en las vías respiratorias son importantes para proteger con un patrón anómalo de boqueo o «respiración agónica». Pos- los pulmones al desencadenar una tos o un estornudo. Otros teriormente otros autores han observado una respiración relativa- detectan los movimientos de las articulaciones, lo que puede ser mente normal después de una sección a este nivel y han concluido importante para elevar la ventilación con el ejercicio. Los mecano- que la «respiración agónica» que observó Lumsden se debía a la rreceptores y los quimiorreceptores de los pulmones y de las vías lesión quirúrgica del GCP respiratorio en el bulbo rostral. Actual- respiratorias inferiores (es decir, distales) envían su información mente la mayoría de los neurofisiológicos respiratorios consideran sensorial hacia las neuronas respiratorias del bulbo raquídeo a que el GCP respiratorio está situado en el bulbo raquídeo y que otras través del PC X, y los de las vías respiratorias superiores envían localizaciones, entre ellas la protuberancia, únicamente modelan las la información a través del PC IX. salidas respiratorias para producir el patrón normal. N32-3 Diversos núcleos no respiratorios del tronco encefálico y centros superiores del SNC también interactúan con los centros del con- trol de la respiración, lo que permite que el sistema ventilatorio se La protuberancia modula, sin ser esencial, adapte a actividades como hablar, tocar un instrumento musical, la actividad respiratoria deglutir y vomitar. Estas interconexiones también permiten que Aunque el bulbo por sí solo puede generar un ritmo respiratorio el control respiratorio esté muy integrado con el sistema nervioso básico, tanto los centros superiores del SNC como la información autónomo, el ciclo de sueño-vigilia, las emociones y otros aspectos sensorial entrante ajustan este ritmo. Por ejemplo, la protuberancia del funcionamiento del encéfalo. contiene neuronas que afectan a la actividad respiratoria de salida. En el resto de este capítulo se analizan: 1) las neuronas res- Lumsden encontró que una sección en la porción media de la piratorias; 2) la forma en la que estas neuronas generan el ritmo protuberancia tiene un efecto tan solo pequeño: un aumento del automático de la ventilación; 3) el control de la ventilación por volumen corriente y una ligera disminución de la frecuencia respira- las concentraciones de los gases en la sangre arterial, y 4) cómo toria. Una vagotomía bilateral, que interrumpe los dos nervios vagos modulan la ventilación la retroalimentación aferente y los centros (que transportan información sensorial procedente de los recepto- superiores del SNC. res de estiramiento pulmonares), tiene un efecto similar, pero de menor cuantía. Sin embargo, la combinación de una sección en la porción central de la protuberancia con una vagotomía bilateral hace NEURONAS QUE CONTROLAN que el animal haga un esfuerzo inspiratorio prolongado (apneusis LA VENTILACIÓN inspiratoria) que finaliza con una espiración breve. Una sección del tronco encefálico por encima de la protuberancia no altera el patrón Las neuronas que generan el ritmo respiratorio respiratorio básico de la eupnea. Estas observaciones llevaron a están situadas en el bulbo raquídeo Lumsden a proponer que: 1) la porción caudal de la protuberancia Un método clásico para determinar qué partes del SNC N32-2 contiene un centro apnéustico (es decir, puede producir apneusis), son responsables de controlar la actividad respiratoria es seccionar y 2) la porción rostral de la protuberancia contiene un centro neu­ el neuroeje a diferentes niveles y observar los cambios en la respira- motáxico que impide la apneusis (es decir, favorece las respiraciones ción. Utilizando este método, Galeno en el siglo ii fue el primero coordinadas). Creía que estas dos regiones y el bulbo raquídeo son que determinó la localización del controlador respiratorio. Como necesarios para la respiración normal. N32-4 Aunque este punto médico de gladiadores en la ciudad griega de Pérgamo, observó de vista es frecuente en la literatura actual, lo mantiene tan solo una que la respiración se detenía después de un golpe con la espada en pequeña parte de los fisiólogos respiratorios. la parte superior de la columna cervical. Un golpe similar en la ¿Cuál es el punto de vista moderno? Actualmente sabemos que columna cervical inferior paralizaba los brazos y las piernas, pero el centro apnéustico no es un núcleo específico, sino que está dis- permitía que continuara la respiración. Produjo estas lesiones en tribuido de forma difusa en la porción caudal de la protuberancia. El animales vivos y concluyó correctamente que el encéfalo envía centro neumotáxico está situado en el núcleo parabraquial medial  CAPÍTULO 32 Control de la ventilación 703 Figura 32-2 Efecto de las secciones del tronco encefálico. Vista dorsal del tronco encefálico y la médula espinal, tras haber retirado el cerebelo, y registros de la actividad nerviosa integrada durante un ciclo respiratorio después de la sección indicada. Durante la inspiración la actividad nerviosa integrada (una media de la amplitud y la frecuencia de los potenciales de acción) aumenta en los nervios que van hacia la lengua (es decir, PC XII) y el diafragma (nervio frénico). y el núcleo de Kölliker-Fuse adyacente a él en la parte rostral de la como están situados dentro de la cavidad torácica, los barorre- protuberancia. Sin embargo, el centro neumotáxico no es el único ceptores aórticos (v. pág. 534) producen una actividad de salida que previene la apneusis, porque simplemente el aumento de la tem- que varía con la insuflación pulmonar, aunque participan prin- peratura del animal puede revertir la apneusis inducida por lesiones cipalmente en el control de la función cardiovascular, no de la del centro neumotáxico. Además, las lesiones de muchos lugares respiratoria. Por el contrario, algunas neuronas cuya descarga fuera del centro neumotáxico también pueden inducir apneusis. En no se correlaciona con el ciclo respiratorio pueden ser esenciales la actualidad todavía no conocemos la función del centro apnéus- para el control respiratorio. Por ejemplo, los quimiorreceptores tico y habitualmente se considera que el centro neumotáxico tiene centrales pueden tener una descarga tónica (es decir, no hay ráfa- una función general en diversas funciones del tronco encefálico, gas durante la inspiración) y pese a ello son fundamentales para entre ellas la respiración, aunque no es necesario para la eupnea mantener la actividad respiratoria de salida al aportar un impul- (cuadro 32-2). Por tanto, los términos centro apnéustico y centro so tónico (v. págs. 700-701). Por tanto, no todas las NRR (p. ej., neumotáxico generalmente tienen tan solo importancia histórica. las que son estimuladas por los barorreceptores aórticos) tienen una función directa en la respiración y el control respiratorio © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. supone más que solo la participación de las NRR (p. ej., neuronas Los grupos respiratorios dorsal y ventral contienen quimiorreceptoras). muchas neuronas que descargan en fase con la actividad Aunque los registros eléctricos de las NRR no pueden identi- motora respiratoria ficar todas las neuronas necesarias para producir actividades res- En la década de 1930, Gesell N32-5 y colaboradores utilizaron piratorias de salida, este estudio cartográfico ha sido muy útil para registros de microelectrodos extracelulares para monitorizar neu- definir las neuronas que son candidatas a controlar la ventilación. ronas únicas y encontraron que en muchas neuronas del bulbo A ambos lados del bulbo hay dos grandes concentraciones de NRR raquídeo aumenta la frecuencia de descarga durante una de las (los grupos respiratorios dorsal y ventral) organizadas macros- fases del ciclo respiratorio. Algunas de estas neuronas descargan cópicamente en columnas con forma de salchicha y orientadas a con más frecuencia durante la inspiración (neuronas inspirato­ lo largo del eje longitudinal del bulbo (fig. 32-4). Muchas neuronas rias), mientras que otras descargan con más frecuencia durante la de estas dos regiones tienden a descargar exclusivamente durante espiración (neuronas espiratorias). la inspiración o la espiración. No todas las neuronas que descargan en fase con el ciclo res- La protuberancia también contiene NRR. N32-4 Aunque, piratorio participan en el control de la respiración. Por ejemplo, como ya se ha señalado, puede que las neuronas de la protuberancia 704 SECCIÓN V Sistema respiratorio CUADRO 32-2 Patrones respiratorios normales y anormales M uchos patrones, tanto normales como anormales, tienen disminución gradual del volumen corriente y después una pausa de características reconocibles que se resumen a continuación. apnea. Se ve en enfermedades corticales bilaterales e insuficiencia En la figura 32-3 se ilustran algunos de ellos. cardíaca congestiva, y en personas sanas durante el sueño a grandes alturas. Eupnea Respiración normal. Boqueo Esfuerzos inspiratorios breves y máximos separados por Suspiros Respiraciones más profundas de lo normal (v. cuadro 32-4) períodos prolongados de espiración. Se ve en la anoxia grave, igual que se producen automáticamente a intervalos regulares en per­ que en la respiración agónica terminal que tienen los pacientes con sonas normales, posiblemente para contrarrestar el colapso de los lesiones del tronco encefálico o parada cardíaca. alvéolos (atelectasia). Apneusis (inspiratoria) Inspiraciones prolongadas separadas por espi­ Bostezo Un suspiro exagerado (v. cuadro 32-4). raciones breves, que se ven habitualmente en animales con lesiones Taquipnea Aumento de la frecuencia respiratoria. de la protuberancia rostral más vagotomía bilateral. Se ve raras veces en seres humanos. Hiperventilación Aumento de la ventilación alveolar (v. págs. 675-676), producido por un aumento de la frecuencia respiratoria o un aumento Apnea Interrupción de la respiración. del volumen corriente, que reduce la Pco2 arterial. Se observa en Respiración vagal Inspiraciones lentas y profundas causadas por la el embarazo y la cirrosis hepática (debido al aumento de la proges­ interrupción de las entradas vagales al tronco encefálico. Se ve con terona), en las crisis de angustia y como compensación de la acidosis poca frecuencia en seres humanos. metabólica (v. pág. 642). Respiración atáxica Inspiraciones muy irregulares, muchas veces sepa­ Respiración de Kussmaull Respiración extremadamente profunda radas por períodos de apnea prolongados. Se debe principalmente y rápida que se ve en la acidosis metabólica, como ocurre en la a lesiones bulbares. cetoacidosis diabética (v. pág. 1185). Respiración en racimos o «tipo cluster» Similar a la respiración atáxica, Hiperventilación neurógena central Respiración rápida y profunda que con grupos de respiraciones, a menudo de amplitudes diferentes, produce una disminución de la Pco2 arterial. Aunque se describió separados por períodos prolongados de apnea. Se observa en lesio­ por primera vez en un pequeño número de pacientes con lesiones nes bulbares y protuberanciales. focales del encéfalo, actualmente se cree que este patrón reflejaba una neumopatía coexistente u otra enfermedad sistémica en la Respiración de Biot Fue descrita por primera vez por Biot (en 1876) en mayoría de estos pacientes. pacientes con meningitis, con respiraciones de un volumen casi igual separadas por períodos de apnea. También se considera que la res­ Respiración de Cheyne-Stokes Patrón respiratorio benigno. Ciclos piración de Biot es una variante de la respiración atáxica o en accesos. de aumento gradual del volumen corriente, seguidos por una Figura 32-3 Patrones respiratorios. Se trata de registros típicos de la actividad del nervio frénico o del volumen pulmonar. Los de la izquierda proceden de animales de experimentación y los de la derecha, de seres humanos. Teóricamente podrían producirse todos los patrones en animales de experimentación o en seres humanos y pueden ocurrir en contextos clínicos.  CAPÍTULO 32 Control de la ventilación 705 Figura 32-4 Grupos respiratorios dorsal y ventral y sus salidas motoras. A, Salidas inspiratorias. B, Salidas espiratorias. Se trata de vistas dorsales del tronco encefálico y la médula espinal, tras haber retirado el cerebelo. El grupo respiratorio dorsal (GRD) incluye el núcleo del tracto solitario (NTS). El grupo respiratorio ventral (GRV) incluye el complejo de Bötzinger (CBöt), el complejo pre-Bötzinger (CpreBöt), el núcleo ambiguo (NA), el núcleo paraambiguo (NPA) y el núcleo retroambiguo (NRA). El código de colores indica si las neuronas son principalmente inspiratorias (rojas) o principalmente espiratorias (verdes). TABLA 32-2 Propiedades del GRD y el GRV N32-27 GRV PROPIEDAD GRD ROSTRAL INTERMEDIO CAUDAL Localización Bulbo dorsal A mitad de trayecto entre las superficies dorsal y ventral del bulbo Componente principal Núcleo del Núcleo retrofacial (NRF) o Complejo pre-Bötzinger Núcleo retroambiguo tracto solitario complejo de Bötzinger (CBöt) (CpreBöt), núcleo ambiguo (NA) (NRA) (NTS) N32-8 y núcleo paraambiguo (NPA) Actividad dominante Inspiratorio Espiratorio Inspiratorio Espiratorio no sean necesarias para producir un ritmo respiratorio normal, NTS es ventrolateral al tracto solitario, inmediatamente debajo del © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. pueden influir en la salida respiratoria. suelo del extremo caudal del cuarto ventrículo (v. fig. 32-4). Estas neuronas del NTS, así como algunas neuronas inmediatamente adyacentes en la porción dorsal del bulbo, forman el GRD. El grupo respiratorio dorsal procesa la información Como cabría suponer por la función sensorial del NTS, una de sensorial entrante y contiene principalmente neuronas las principales funciones del GRD es la integración de la informa- inspiratorias ción sensorial procedente del aparato respiratorio. De hecho, algu- El grupo respiratorio dorsal (GRD) contiene principalmente nas de las neuronas del GRD reciben entradas sensoriales, a través neuronas inspiratorias (tabla 32-2). Se extiende a lo largo de apro- de los nervios glosofaríngeo [PC IX] y vago [PC X], procedentes de ximadamente un tercio de la longitud del bulbo y está situado los quimiorreceptores periféricos, así como de receptores de los de forma bilateral en y alrededor del núcleo del tracto solitario pulmones y las vías respiratorias (v. anteriormente). Algunas de las (NTS); el NTS recibe entradas sensoriales procedentes de todas las NRR del GRD son interneuronas locales. Otras son neuronas pre- vísceras del tórax y el abdomen, y tiene una función importante motoras, que se proyectan directamente hacia diversos grupos de en el control del sistema nervioso autónomo (v. pág. 348). El NTS neuronas motoras (principalmente inspiratorias) en la médula tiene una organización viscerotópica y la porción respiratoria del espinal y el grupo respiratorio ventral (v. fig. 32-4). N32-6  CAPÍTULO 32 Control de la ventilación 705.e1 N32-6 Neuronas del grupo respiratorio dorsal Colaboración de George Richerson Por ejemplo, una interneurona del GRD puede establecer sinapsis con una neurona premotora del GRD, que, a su vez, puede des­ cender hasta la médula espinal y llegar a uno de los dos núcleos motores pares del nervio frénico en el asta ventral de la médula espinal. Aquí, la neurona premotora establece sinapsis con los cuerpos celulares de las neuronas motoras del frénico, cuyos axones acompañan al nervio frénico hasta el diafragma. N32-8 Origen de los términos complejo de Bötzinger y complejo pre-Bötzinger Colaboración de Emile Boulpaep y Walter Boron El complejo de Bötzinger (la porción más rostral del GRV) no recibe Bötzinger (un vino blanco no demasiado bueno), y el resto es historia su nombre de un científico, ni siquiera de un paciente agradecido. Por neurofisiológica… el complejo de Bötzinger. el contrario, al complejo de Bötzinger le dio su nombre el profesor Doce años después, Feldman y colaboradores identificaron Jack Feldman (actualmente en la Universidad de California, Los una zona ligeramente caudal al complejo de Bötzinger. Esta área Angeles) mientras estaba en un banquete de una reunión científica parecía ser el origen del ritmo respiratorio en la preparación en en Hirschhorn, Alemania, en 1978. la que estaban trabajando. El grupo pensó que el nombre lógico Feldman había descubierto esta región y la había descrito en una (complejo post-Bötzinger) reflejaría menor importancia de la que reunión en Estocolmo el año anterior, pero no había publicado su los autores pensaban que merecía la región. Por eso eligieron el trabajo. En la reunión de Hirschhorn, un colega que había estado en nombre anatómicamente incorrecto de complejo pre-Bötzinger. la reunión de Estocolmo presentó algunos nuevos datos basados Los revisores del consiguiente artículo no parecieron darse cuenta en la presentación previa de Feldman. Preocupado por que este de ello y el nombre caló. rincón del bulbo raquídeo se quedara sin nombre o, peor todavía, de que recibiera el nombre de otra persona, Feldman propuso un BIBLIOGRAFÍA brindis en el que sugirió que se nombrara a esta región anatómica Smith JC, Ellenberger HH, Ballanyiy K, et al. Pre-Bötzinger complex: por algo relacionado con la reunión de Hirschhorn. Así que el profesor A brainstem region that may generate respiratory rhythm in Feldman tomó la botella de vino que estaba encima de la mesa, mammals. Science 1991;254:726-9. N32-27 Propiedades de los grupos respiratorios dorsal y ventral Colaboración de George Richerson y Walter Boron La eTabla 32-2 es una ampliación de la tabla 32-2. eTABLA 32-2 Propiedades del GRD y el GRV GRV PROPIEDAD GRD ROSTRAL INTERMEDIO CAUDAL Localización Bulbo dorsal A mitad de trayecto entre las superficies dorsal y ventral del bulbo Componente Núcleo del tracto solitario Núcleo retrofacial Complejo pre-Bötzinger (CpreBöt), Núcleo retroambiguo principal (NTS) (NRF) o complejo núcleo ambiguo (NA) y núcleo (NRA) de Bötzinger (CBöt) paraambiguo (NPA) © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. Actividad Inspiratorio Espiratorio Inspiratorio Espiratorio dominante Entradas Sensorial a través — — GRV rostral principal de los PC IX y X Salida (a) Neuronas premotoras Interneuronas → (a) Neuronas motoras (a través Neuronas premotoras principal → médula espinal → GRD y GRV caudal de PC IX y X) → músculos → médula espinal → músculos primarios accesorios de la inspiración músculos accesorios de la inspiración de la espiración (b) Interneuronas → GRV (b) Neuronas premotoras → médula espinal → músculos primarios y accesorios de la inspiración 706 SECCIÓN V Sistema respiratorio El grupo respiratorio ventral es principalmente motor y contiene neuronas tanto inspiratorias como espiratorias El grupo respiratorio ventral (GRV) N32-7 contiene neuronas inspiratorias y espiratorias (v. tabla 32-2). Es ventral al GRD, apro- ximadamente a mitad de trayecto entre las superficies dorsal y ventral del bulbo. El GRV está en el interior y alrededor de una serie de núcleos que forman una columna de neuronas que se extiende desde la protuberancia hasta casi la médula espinal y, por tanto, es mucho más largo que el GRD (v. fig. 32-4). Igual que el GRD, el GRV contiene interneuronas locales y neuronas premotoras. Al contrario que el GRD, el GRV también contiene neuronas moto- ras que inervan músculos de la faringe y la laringe, además de vísceras del tórax y el abdomen. La información sensorial relacio- nada con la función pulmonar llega indirectamente a través del GRD. Por tanto, el GRV tiene una función más eferente, mientras que el GRD tiene principalmente una función aferente. El GRV está formado por tres regiones que desempeñan fun- ciones específicas. 1) El GRV rostral o complejo de Bötzinger (CBöt) N32-8 contiene interneuronas que dirigen la actividad respiratoria de la región caudal. 2) El GRV intermedio N32-7 contiene neuronas motoras somáticas cuyos axones salen del bulbo con el PC IX y el PC X. Estas fibras inervan la faringe, laringe y otras estructuras, lo que aumenta al máximo el calibre de las vías respiratorias superiores durante la inspiración. El GRV intermedio también contiene neuronas premotoras que se proyectan hacia neuronas motoras inspiratorias de la médula espinal y el bulbo raquídeo. En el polo rostral del GRV intermedio hay un grupo de neuronas inspiratorias definidas como el complejo pre-Bötzinger (CpreBöt), que, como veremos a continuación, puede formar parte del GCP respiratorio y contribuye a la generación del ritmo respira- torio. 3) El GRV caudal contiene neuronas premotoras espiratorias que viajan por la médula espinal hasta establecer sinapsis con Figura 32-5 Actividad neural durante el ciclo respiratorio. La actividad de las NRR del bulbo (de las cuales se muestran ejemplos en D y E) genera la neuronas motoras que inervan los músculos accesorios de la espi- actividad fásica del nervio frénico (C) y de otros nervios respiratorios, lo cual ración, como los músculos abdominales y determinados músculos produce flujo aéreo (B), que hace que cambie el volumen pulmonar (A). intercostales (v. pág. 608). ENG, electroneurograma; Esp, espiración; CRF, capacidad residual funcional; Insp, inspiración; TV, volumen corriente; V m, potencial de membrana. N32-9 GENERACIÓN DEL RITMO RESPIRATORIO generación y el modelado de la actividad respiratoria de salida, es Diferentes NRR descargan en diferentes momentos decir, la actividad de los nervios que se dirigen a cada uno de los durante la inspiración y la espiración músculos respiratorios. Se pueden subclasificar también las NRR La respiración eupneica o respiración «normal» es muy estereo- de acuerdo con sus respuestas a las aferencias, como la insuflación tipada y consta de dos fases principales, inspiración y espiración pulmonar y los cambios de la Pco2 arterial. (fig. 32-5A, B). Durante la fase inspiratoria, la actividad del nervio frénico que inerva el diafragma aumenta gradualmente durante 0,5 Los patrones de descarga de las NRR dependen a 2 segundos, y después disminuye rápidamente al comienzo de la de los canales iónicos de sus membranas espiración (v. fig. 32-5C). El aumento progresivo de la actividad y de las entradas sinápticas que reciben ayuda a garantizar un incremento progresivo del volumen pul- monar. Durante la fase espiratoria, el nervio frénico está inactivo ¿Cuáles son los mecanismos para la generación de tantos tipos de excepto (en algunos casos) por una breve descarga al comienzo. actividad en las NRR? Por ejemplo, si la NRR es una neurona pre- Algunos fisiólogos consideran que esta descarga «postinspiratoria» motora, su patrón de descarga debe ser adecuado para activar una representa su propia fase. neurona motora, por ejemplo, una neurona del núcleo del nervio De forma subyacente a la actividad del nervio frénico (y de otros frénico. Hay dos mecanismos complementarios que parecen con- nervios motores que inervan los músculos de la inspiración y la tribuir a los patrones de descarga necesarios para que la neurona espiración) hay un espectro de patrones de descarga de las NRR realice su tarea. 1) Las propiedades intrínsecas de membrana de las situadas en el GRD y el GRV (v. anteriormente). En general se NRR (la dotación y la distribución de los canales iónicos presentes pueden clasificar las NRR como inspiratorias y espiratorias, aunque en una neurona) influyen en el patrón de descarga de esa neurona. cada clase incluye muchos subtipos, según la forma en la que sus 2) Las entradas sinápticas (potenciales excitatorios postsinápticos, patrones de descarga se correlacionan con el ciclo respiratorio. La PEPS, y potenciales inhibitorios postsinápticos, PIPS) cambian figura 32-5D y E muestra dos de estos patrones. N32-9 Es pro- adecuadamente su patrón durante el ciclo respiratorio y de esta bable que cada subtipo tenga una función específica en la forma generan un patrón de descarga específico.  CAPÍTULO 32 Control de la ventilación 707 Propiedades intrínsecas de membrana Muchas neuronas de los núcleos respiratorios tienen propiedades intrínsecas de mem- brana que influyen en los tipos de patrones de descarga que pue- den producir. Por ejemplo, muchas neuronas del GRD tienen una corriente de K+ denominada corriente transitoria de tipo A (v. pág. 193). Si primero hiperpolarizamos una neurona de este tipo y después la despolarizamos, comienza a descargar potencia- les de acción, pero solo después de un retraso. La hiperpolariza- ción elimina la inactivación de la corriente de tipo A y la posterior despolarización activa transitoriamente la corriente de tipo A de K + que transitoriamente ralentiza la despolarización de la membrana e inhibe la generación de potenciales de acción (v. fig. 7-18C). Si la corriente de tipo A es intensa, la neurona no podrá comenzar a descargar hasta mucho tiempo después de que se haya inactivado lo suficiente la corriente de tipo A (v. fig. 7-18D). El retraso en la descarga de una neurona con una corriente de tipo A puede explicar por qué algunas NRR descargan solo en fases tardías de la inspiración, aun cuando reciban continuamen- te PEPS durante la inspiración. Como veremos más adelante, otras neuronas tienen propiedades de marcapasos debido a su dotación de canales iónicos, lo que permite que descarguen ráfagas de potenciales de acción espontáneamente, sin señales sinápticas entrantes. N32-10 Entradas sinápticas La explicación más evidente de que una neurona tenga un patrón de descarga específico es que recibe seña- les sinápticas excitadoras cuando se supone que descarga poten- ciales de acción, y que recibe señales sinápticas inhibidoras cuando Figura 32-6 Patrón de entradas sinápticas: inhibición recíproca. Debido está en estado de reposo. De hecho, algunas NRR descargan úni- a la inhibición recíproca entre la neurona de descarga temprana en ráfaga camente en fases tempranas de la inspiración (v. fig. 32-5E), cuan- y la neurona inspiratoria de inicio tardío, solo una puede estar máximamente do reciben entradas sinápticas excitadoras intensas. Estas neuronas activa a la vez. Vm, potencial de membrana. inspiratorias tempranas también inhiben a las neuronas inspirato- rias de inicio tardío, y viceversa (fig. 32-6). N32-11 Como consecuencia de esta inhibición recíproca, en un momento deter- neuronas tienen una actividad marcapasos similar y descargan de minado solo puede estar activo de forma máxima uno de los dos manera repetida una espiga cada vez (es decir, marcapasos de des- subtipos de neuronas inspiratorias. carga de espiga única). Otras neuronas marcapasos generan de Además de recibir entradas sinápticas de las NRR que se forma repetida ráfagas de espigas (es decir, marcapasos de descarga producen de manera rítmica, en fase con la respiración, las neu- en ráfaga). ronas respiratorias también reciben entradas procedentes de La primera prueba sobre la actividad marcapasos en un núcleo otros sistemas neuronales. Estas entradas pueden interrumpir respiratorio de mamífero procedió del laboratorio de Peter Getting. la respiración regular o pueden controlar el nivel de ventilación, En cortes del encéfalo de cobaya, las supuestas neuronas respira- permitiendo que el aparato respiratorio responda adecuadamente torias premotoras del NTS descargan de forma errática a una fre- a los cambios y que esté integrado con muchas funciones cere- cuencia baja, sin ningún ritmo respiratorio aparente. No obstante, brales diferentes. la adición de hormona liberadora de tirotropina (TRH; v. pág. 1014) a la solución del baño hace que las neuronas generen ráfagas de potenciales de acción (fig. 32-7A), similar a las ráfagas respiratorias Las propiedades marcapasos y las interacciones de las NRR del GRD durante la eupnea en un animal intacto sinápticas pueden contribuir a la generación del ritmo (v. fig. 32-7B). De hecho, los axones de los núcleos del rafe del bulbo respiratorio raquídeo (v. págs. 312-313) se proyectan hacia el NTS, donde libe- © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. Tal vez las preguntas más importantes que aún se deben res- ran TRH (además de serotonina y sustancia P), y de esta forma ponder sobre el control neural de la respiración se refieren al podrían inducir la actividad marcapasos de descarga en ráfaga en mecanismo y la identidad (o la localización) del GCP respiratorio. las neuronas del NTS. Esta actividad marcapasos podría contribuir Abordamos el mecanismo en este apartado y las células implicadas a la generación del ritmo respiratorio o potenciar la actividad res- en el siguiente. piratoria generada en otra zona. La actividad marcapasos también Se han propuesto dos teorías generales sobre el mecanismo del está presente en las neuronas del CpreBöt (v. pág. 708), en las que GCP respiratorio. La primera afirma que subgrupos de neuronas la serotonina (v. fig. 13-8B), el principal neurotransmisor liberado tienen actividad marcapasos; la segunda indica que las interaccio- por las neuronas del rafe del bulbo raquídeo que se han mencio- nes sinápticas crean el ritmo. nado más arriba, puede inducir actividad marcapasos. N32-12 Actividad marcapasos Algunas células tienen canales iónicos Interacciones sinápticas Los circuitos neurales sin neuronas que las dotan de propiedades marcapasos (v. págs. 397-398). Por marcapasos también pueden generar actividades de salida rítmicas ejemplo, los miocitos cardiacos aislados producen una actividad (v. págs. 397-398). De hecho, las conexiones sinápticas dentro y rítmica gracias a las «corrientes marcapasos» (v. pág. 489). Algunas entre el GRD y el GRV establecen circuitos neurales y generan PEPS 708 SECCIÓN V Sistema respiratorio Figura 32-7 Actividad marcapasos en las NRR. ENG, electroneurograma; ∆Vm, diferencia de potencial de membrana. (A, datos tomados de Dekin MS, Richerson GB, Getting PA: Thyrotropin-releasing hormone induces rhythmic bursting in neurons of the nucleus tractus solitarii. Science 229:67, 1985; B, datos tomados de Richerson GB, Getting PA: Maintenance of complex neural function during perfusion of the mammalian brain. Brain Res 409:128, 1987.) y PIPS uno al otro con una secuencia temporal que podría explicar pequeña región que es la única zona que produce actividad res- la conducta oscilatoria durante el ciclo respiratorio (v. fig. 32-6). piratoria de salida. En 1909, el neuroanatomista Santiago Ramón Neurobiólogos computacionales han propuesto diversos modelos y Cajal describió que las neuronas del NTS reciben aferencias de redes puros N32-13 para la generación del ritmo respiratorio. procedentes de los receptores de estiramiento pulmonares y que las De acuerdo con estos modelos, el GCP que produce el ritmo res- neuronas del NTS se proyectan directamente hacia el núcleo motor piratorio depende únicamente de conexiones sinápticas entre del nervio frénico. Concluyó que el NTS es el lugar en el que se subtipos de NRR y no depende de la actividad marcapasos de genera el ritmo respiratorio. Sin embargo, en la actualidad, a pesar neuronas individuales. Así, el ritmo sería una propiedad que emer- de los importantes avances realizados, sigue habiendo controversia ge de la red. en relación con la localización del GCP en el bulbo raquídeo. A Una de las dificultades de los modelos de red de la respiración continuación se analizan las tres propuestas principales sobre la es que no se conocen todas las neuronas de la red respiratoria. Los localización del GCP respiratorio. modelos de red también deben tener en consideración la presencia de la rica dotación de propiedades intrínsecas de membrana que Modelo de localización restringida Toshihiko Suzue fue el existen en las neuronas que componen la red, pero tampoco se han primer autor que presentó la preparación in vitro de tronco ence- caracterizado por completo estas propiedades. En consecuencia, fálico/médula espinal de rata recién nacida y Jeffrey Smith y Jack los modelos de redes puros deben ser muy complejos para poder Feldman desarrollaron esta preparación para estudiar la generación explicar todos los aspectos del ritmo respiratorio normal. Com- de actividad respiratoria. En esta preparación, una pequeña región plementar los modelos de red con las propiedades de membrana del GRV rostral, el CpreBöt (v. fig. 32-4), genera actividad motora intrínsecas (p. ej., actividad marcapasos) permite que los modelos rítmica en el nervio frénico y el nervio hipogloso (PC XII, que sean más sencillos. Además, desde una perspectiva evolutiva, es inerva la lengua, un músculo accesorio de la respiración). La des- razonable inferir que los aparatos respiratorios primitivos pueden trucción del CpreBöt en el tronco encefálico aislado hace que cese haber estado impulsados por células marcapasos. En los organis- la actividad respiratoria. En una preparación de un corte de tejido, mos superiores parece que tanto la actividad marcapasos como el CpreBöt genera ráfagas rítmicas de actividad que se pueden las interacciones sinápticas participan en la generación del ritmo registrar en las raíces del nervio hipogloso (fig. 32-8). Estas ráfagas respiratorio normal. precisan la liberación continua de serotonina desde las neuronas del rafe hasta las neuronas del CpreBöt. Estos experimentos han llevado a la hipótesis de que el CpreBöt es la localización del GCP El GCP respiratorio para la eupnea podría residir respiratorio. N32-14 en una única localización o en múltiples localizaciones, o podría originarse en una red compleja Modelos de oscilador distribuido Una teoría diferente es que ¿Dónde está el GCP respiratorio para la eupnea? En 1851, Flourens hay más de un GCP y cualquiera de ellos podría asumir la tarea propuso un noeud vital (nodo vital) en el bulbo raquídeo, una de generar el ritmo respiratorio, dependiendo de las condiciones.