Regulación de la Respiración - Fisiología Médica

C A P Í T U L O Regulación de la respiración 37 O B J E T I VO S Después de revisar este capítulo, el lector será capaz de: Localizar el complejo pre-Bötzinger y describir su función en la producción de la respi...

C A P Í T U L O Regulación de la respiración 37 O B J E T I VO S Después de revisar este capítulo, el lector será capaz de: Localizar el complejo pre-Bötzinger y describir su función en la producción de la respiración espontánea. Identificar la ubicación y las funciones probables de los grupos dorsal y ventral de las neuro- nas respiratorias, el centro neumotorácico y el centro apnéusico en el tallo encefálico. Listar las funciones respiratorias específicas de los nervios vagos y los receptores respirato- rios en el cuerpo carotídeo, el cuerpo aórtico y la superficie ventral del bulbo raquídeo. Describir y explicar las respuestas ventilatorias al aumento de las concentraciones de dióxi- do de carbono (CO2) en el aire inspirado. Describir y explicar las respuestas ventilatorias a las concentraciones bajas de oxígeno (O2) en el aire inspirado. Describir los efectos de cada uno de los factores no químicos que influyen en la respira- ción. Describir los efectos del ejercicio en la ventilación y el intercambio de oxígeno en los teji- dos. Definir la respiración periódica y explicar su ocurrencia en varios estados patológicos. INTRODUCCIÓN La respiración espontánea surge por las descargas rítmicas de las del cerebro que producen la respiración están reguladas por mo- neuronas motoras que inervan los músculos respiratorios. Esta dificaciones en la Po2, Pco2 y la concentración de hidrogeniones descarga depende por completo de impulsos nerviosos del ce- (H+), y este control químico de la respiración está complemen- rebro; la respiración se detiene si la médula espinal se corta por tado por varias influencias no químicas. En este capítulo, se des- arriba del origen de los nervios frénicos. Las descargas rítmicas criben las bases fisiológicas de estos fenómenos. CONTROL NERVIOSO espinal cervical y torácica que inervan los músculos respirato- rios. Los de la médula cervical estimulan el diafragma mediante DE LA RESPIRACIÓN los nervios frénicos y, los de la médula torácica, hacen lo propio con los músculos intercostales externos. Sin embargo, los impul- SISTEMAS DE CONTROL sos también llegan a la inervación de los músculos intercostales internos y otros músculos espiratorios. Dos mecanismos nerviosos separados regulan la respiración. Las neuronas motoras que llegan a los músculos espiratorios Uno está encargado del control voluntario y, el otro, del auto- se inhiben cuando se activan las que inervan los músculos inspi- mático. El sistema voluntario se halla en la corteza cerebral y ratorios y viceversa. Aunque los reflejos espinales contribuyen a envía impulsos a las neuronas motoras respiratorias mediante tal inervación recíproca, ésta se debe sobre todo a la actividad los haces corticoespinales. El sistema automático está impulsado de las vías descendentes. Los impulsos de dichas vías descenden- por un grupo de células marcapaso en el bulbo raquídeo. Los tes excitan a los agonistas e inhiben a los antagonistas. La única impulsos de estas células activan neuronas motoras en la médula excepción a la inhibición recíproca es una ligera actividad en los 625 626 SECCIÓN VII Fisiología respiratoria SISTEMAS BULBARES Los principales componentes del generador del patrón de XII control respiratorio encargados de la respiración automática 5SP NA se localizan en el bulbo raquídeo. La respiración rítmica se inicia en un pequeño grupo de células marcapaso acopladas IO mediante sinapsis en el complejo pre-Bötzinger (pre-BÖTC) LRN Pre-BOTC a ambos lados de la médula, entre el núcleo ambiguo y el nú- cleo reticular lateral (fig. 37-1). Estas neuronas descargan de manera rítmica y generan descargas rítmicas en las neuronas motoras frénicas, las cuales se abolen con la sección entre el complejo pre-Bötzinger y estas neuronas motoras. Asimismo, ellas establecen contacto con los núcleos hipoglosos, y la len- gua participa en la regulación de la resistencia de la vía respi- ratoria. Las neuronas del complejo pre-Bötzinger producen des- cargas rítmicas en preparaciones de cortes cerebrales in vitro y, si las secciones sufren hipoxia, la descarga cambia a una 20 mV –60 mV relacionada con el jadeo. La adición de cadmio a estos cortes 5s cerebrales causa patrones ocasionales de descarga parecidos a suspiros. Estas neuronas tienen receptores NK1 y opioides FIGURA 371 Células marcapaso en el complejo pre-Bötzinger μ e, in vivo, la sustancia P estimula la respiración, pero los (pre-BÖTC). Arriba: diagrama anatómico del pre-BÖTC de una rata opioides la inhiben. La depresión respiratoria es un efecto co- en etapa neonatal. Abajo: muestra del trazo de descargas rítmicas lateral que limita el uso de los opioides en el tratamiento del de las neuronas en el complejo pre-Bötzinger de un corte cerebral de dolor. Sin embargo, hoy se sabe que existen receptores 5HT4 rata neonatal. IO, oliva inferior; LRN, núcleo reticular lateral; NA, núcleo en el complejo pre-Bötzinger, y el tratamiento con agonistas ambiguo; XII, núcleo del XII par craneal; 5SP, núcleo espinal del nervio 5HT4 bloquea el efecto inhibidor de los opioides en la respira- trigémino. (Modificada de Feldman JC, Gray PA: Sighs and gasps in a dish. Nat Neu- rosci 2000;3:531.) ción en animales de experimentación, sin bloquear su efecto analgésico. Además, se conocen grupos dorsal y ventral de neuronas axones frénicos durante un periodo corto después de la inspira- respiratorias en el bulbo raquídeo (fig. 37-2). No obstante, las ción. En apariencia, la función de esta eferencia posinspiratoria lesiones de estas neuronas no suprimen la actividad respiratoria; es frenar la recuperación elástica de los pulmones y suavizar la en apariencia, éstas se proyectan a las neuronas marcapaso pre- respiración. Bötzinger. A IC NPBL B CP 4° vent. C IX VRG X XI XII DRG D Vagos intactos Vagos cortados FIGURA 372 Neuronas respiratorias en el tallo encefálico. Vista dorsal del tallo encefálico; se retiró el cerebelo. Se muestran los efectos de varias lesiones y secciones del tallo encefálico; los trazos del espirómetro a la derecha indican la profundidad y la frecuencia respiratorias. Si se intro- duce una lesión en D, la respiración cesa. Se muestran los efectos de cortes más altos, con y sin sección de nervios vagos (véase el texto para obtener detalles). DRG, grupo dorsal de neuronas respiratorias; VRG, grupo ventral de neuronas respiratorias; NPBL, núcleo parabraquial (centro neumotáxi- co); 4° vent., cuarto ventrículo; IC, colículo inferior; CP, pedúnculo cerebelar medio. Los números romanos identifican los pares craneales. (Modificada a partir de Mitchell RA, Berger A: State of the art: Review of neural regulation of respiration. Am Rev Respir Dis 1975;111:206.)  CAPÍTULO 37 Regulación de la respiración 627 INFLUENCIAS PONTINAS REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD Y VAGALES RESPIRATORIA Aunque la descarga rítmica de las neuronas bulbares encarga- Un incremento en la Pco2 o la concentración de hidrogeniones das de la respiración es espontánea, se modifica por influencia en sangre arterial, o un descenso de la Po2 aumenta el grado de de neuronas en la protuberancia y las aferentes del vago prove- actividad de las neuronas respiratorias en el bulbo raquídeo; los nientes de receptores en las vías respiratorias y los pulmones. cambios en sentido contrario tienen efecto inhibidor. Los efec- Un área conocida como centro neumotáxico en los núcleos pa- tos de las variaciones en la química sanguínea sobre la ventila- rabraquial medial y de Kölliker-Fuse de la región dorsolateral ción están mediados por los quimiorreceptores respiratorios, de la protuberancia contiene neuronas que se activan durante los cuerpos carotídeos y aórticos, así como los grupos de células la inspiración y otras que lo hacen en el curso de la espiración. en el bulbo raquídeo y en otros sitios sensibles a los cambios en Cuando esta área se daña, la respiración se vuelve más lenta y el la química sanguínea. Se inician los impulsos que estimulan el volumen por latido aumenta; cuando los nervios vagos también centro respiratorio. A esto se superpone el control químico se cortan en animales anestesiados, ocurren espasmos inspirato- de la respiración básico, otras aferentes aportan controles no rios prolongados semejantes a la pausa respiratoria (apneusia; químicos que afectan la respiración en situaciones particulares sección B, fig. 37-2). Se desconoce la función normal del centro (cuadro 37-1). neumotáxico, pero tal vez participe en el cambio entre la inspi- ración y la espiración. El estiramiento de los pulmones durante la inspiración ini- CONTROL QUÍMICO cia impulsos en las fibras vagales pulmonares aferentes. Estos impulsos inhiben la descarga inspiratoria. Por esta razón, la DE LA RESPIRACIÓN profundidad de la inspiración se incrementa después de la va- Los mecanismos reguladores químicos ajustan la ventilación de gotomía (fig. 37-2) y hay apneusia cuando se cortan los nervios tal manera que en estados normales, la Pco2 alveolar se mantiene vagos después del daño al centro neumotáxico. La actividad de constante, se combaten los efectos del exceso de hidrogeniones en la retroalimentación vagal no altera la velocidad de elevación sangre y la Po2 se eleva cuando disminuye a un nivel que pudiera de la actividad nerviosa en las neuronas motoras respiratorias ser peligroso. El volumen respiratorio por minuto es proporcional (fig. 37-3). a la tasa metabólica, pero el vínculo entre el metabolismo y la ven- Si la actividad de las neuronas inspiratorias aumenta en ani- tilación es el dióxido de carbono, no el oxígeno. Los receptores males intactos, se incrementa la frecuencia y la profundidad de de los cuerpos carotídeos y aórticos se estimulan por el aumento de la respiración. Dicha profundidad se eleva porque los pulmones la Pco2 o la concentración de hidrogeniones en la sangre arterial, se estiran en mayor medida antes que la magnitud de la acti- o por el descenso de la Po2. Después de la desnervación de los vidad vagal y del centro neumotáxico sea suficiente para con- quimiorreceptores carotídeos, se suprime la respuesta a un decre- trarrestar la descarga más intensa de las neuronas inspiratorias. mento en la Po2; el efecto predominante de la hipoxia después de La frecuencia respiratoria aumenta porque la posdescarga de las la desnervación de los cuerpos carotídeos es una depresión directa aferentes vagales y tal vez las neumotáxicas hacia el bulbo raquí- del centro respiratorio. La respuesta a los cambios en la concen- deo se contrarresta con rapidez. tración sanguínea arterial de hidrogeniones en el intervalo de pH de 7.3 a 7.5 también se destruye, aunque los cambios más intensos pueden tener algún efecto. Por otro lado, la reacción a los cam- Actividad aferente bios en la Pco2 arterial sólo se altera un poco; ella se reduce no vagal sumada más de 30 a 35%. A B CUADRO 371 Estímulos que afectan al centro respiratorio Control químico CO2 (mediante concentración de H+ en LCR y líquido intersticial cerebral) Actividad eferente B frénica sumada A O2 e H+ (mediante los cuerpos carotídeos y aórticos) Control no químico Aferentes vagales de receptores en las vías respiratorias y pulmones 0 1 2 Tiempo (s) Aferentes de la protuberancia, el hipotálamo y el sistema límbico FIGURA 373 Las fibras vagales aferentes inhiben la descarga Aferentes de propioceptores respiratoria. Registros superpuestos de dos respiraciones: (A) con y (B) sin actividad aferente vagal de retroalimentación de los receptores de Aferentes de barorreceptores: arteriales, auriculares, ventriculares, estiramiento en los pulmones. Nótese que la velocidad de incremento pulmonares en la actividad del nervio frénico que llega al diagrama no se modifica, pero la descarga se prolonga en ausencia de señales vagales. CO2, dióxido de carbono; H+, hidrogeniones; LCR, líquido cefalorraquídeo; O2, oxígeno. 628 SECCIÓN VII Fisiología respiratoria Cuerpo carotídeo Célula tipo II Axones aferentes glosofaríngeos Seno carotídeo Célula tipo I (del glomo) Arterias carótidas primitivas Cuerpos aórticos Cayado aórtico FIGURA 375 Organización del cuerpo carotídeo. Las células tipo I (del glomo) contienen catecolaminas. Cuando se exponen a la hipoxia, liberan sus catecolaminas, que estimulan las terminaciones Corazón cóncavas de las fibras nerviosas del seno carotídeo en el nervio glosofa- ríngeo. Las células tipo II similares a las gliales rodean a las células tipo I; es probable que éstas tengan función de soporte. FIGURA 374 Ubicación de los cuerpos carotídeos y aórticos. Los cuerpos carotídeos están situados cerca de un barorreceptor arterial el tránsito de los impulsos de estas fibras aferentes conforme mayor, el seno carotídeo. Se muestran dos cuerpos aórticos cerca del disminuye la Po2 o aumenta la Pco2 de tales fibras aferentes cayado aórtico. (fig. 37-6). Las células del glomo tipo I tienen conductos de potasio sen- sibles al oxígeno, cuya conductancia se reduce en proporción al grado de hipoxia al cual se exponen. Esto disminuye la salida CUERPOS CAROTÍDEOS Y AÓRTICOS de iones potasio (K+), despolariza la célula e induce entrada de Hay un cuerpo carotídeo cerca de la bifurcación carotídea en iones calcio (Ca2+), sobre todo por los conductos de calcio tipo ambos lados, y casi siempre se observan dos o más cuerpos aór- L. La entrada de calcio inicia potenciales de acción y libera- ticos cerca del cayado aórtico (fig. 37-4). Cada cuerpo (glomo) ción de transmisor, con la excitación subsiguiente de las ter- carotídeo y aórtico contiene islas de dos tipos de células: I y II, minaciones nerviosas aferentes. El músculo liso de las arterias las cuales se encuentran rodeadas por capilares sinusoidales fe- pulmonares posee similares conductos de potasio sensibles al nestrados. Las células del glomo o tipo I están muy relacionadas con terminaciones cóncavas en los nervios aferentes (fig. 37-5). Las células del glomo se parecen a las células cromafines supra- 8 renales; presentan densos gránulos centrales que contienen ca- tecolaminas, las cuales se liberan por la exposición a hipoxia y 6 cianuro. Las células se estimulan por la hipoxia y parece que el Impulsos principal transmisor es la dopamina, la cual estimula las termi- 4 naciones nerviosas mediante los receptores D2. Las células tipo II son parecidas a las gliales, y cada una rodea a cuatro a seis 2 células tipo I. Quizá su función es de sostén. Fuera de la cápsula de cada cuerpo, las fibras nerviosas ad- 0 100 200 400 600 quieren una vaina de mielina, pero sólo miden 2 a 5 μm de diámetro y conducen a una velocidad relativamente lenta de 7 PO2 arterial (mmHg) a 12 m/s. Las aferentes de los cuerpos carotídeos ascienden al bulbo raquídeo por el seno carotídeo y los nervios glosofarín- FIGURA 376 Efecto de la PCO2 en las descargas del nervio afe- rente. Se grafica la velocidad de descarga de una sola fibra aferente del geos; las células de los cuerpos aórticos ascienden por los va- cuerpo carotídeo con varias PO2 (círculos) y se adapta a una línea. gos. Los estudios en los cuales se aísla un cuerpo carotídeo y se Se observa aumento marcado en la velocidad de descarga conforme l perfunde mientras se registra la actividad de sus fibras nervio- a PO2 cae por debajo de los niveles de reposo normales (o sea, cerca de sas aferentes, muestran la aparición de un aumento gradual en 100 mmHg). (Por cortesía de S. Sampson.)  CAPÍTULO 37 Regulación de la respiración 629 oxígeno, que median la vasoconstricción causada por hipoxia. Protuberancia VI Esto contrasta con las arterias sistémicas, las cuales contienen conductos de potasio dependientes de trifosfato de adenosina (ATP); ellos hacen posible mayor salida de iones potasio con V la hipoxia y, por consiguiente, inducen vasodilatación en lugar VII VIII de vasoconstricción. El flujo sanguíneo de cada 2 mg del cuerpo carotídeo es cer- R R IX cano a 0.04 ml/min, o 2 000 ml/100 g de tejido por minuto, en X comparación con un flujo sanguíneo de 54 ml o 420 ml por 100 XI g/min en el cerebro y los riñones, respectivamente. Como el Pirámide flujo sanguíneo por unidad de tejido es enorme, las necesida- des de oxígeno de las células pueden satisfacerse en gran medi- C C XII da con el mero oxígeno disuelto. Por tanto, los receptores no se estimulan en estados patológicos, como anemia o intoxicación por monóxido de carbono, en los cuales la cantidad de oxígeno disuelto en la sangre que llega a los receptores suele ser normal, aunque el oxígeno combinado en la sangre esté muy disminui- do. Los receptores se estimulan cuando la Po2 arterial es baja y FIGURA 377 Áreas quimiosensibles rostral (R) y caudal (C) en si disminuye la cantidad de oxígeno que llega a los receptores la superficie ventral del bulbo raquídeo. por unidad de tiempo a causa de estasis vascular. También el cianuro genera estimulación potente, ya que impide la utiliza- ción del oxígeno en los tejidos. En dosis suficientes, la nicoti- dad las membranas, también la barrera hematoencefálica, en na y la lobelina activan los quimiorreceptores. Asimismo, hay tanto los hidrogeniones y el bicarbonato (HCO3–) las atravie- informes de que la infusión de potasio aumenta la velocidad san despacio. El dióxido de carbono que ingresa al cerebro y al de descarga en las aferentes de los quimiorreceptores, y este líquido cefalorraquídeo se hidrata pronto. El H2CO3 se disocia, incremento tal vez contribuya a la hiperpnea inducida por el por lo que la concentración local de hidrogeniones se eleva. La ejercicio. concentración de hidrogeniones en el líquido intersticial cere- Por su ubicación anatómica, los cuerpos aórticos no se han bral es paralela a la Pco2 arterial. Los cambios experimentales estudiado con tanto detalle como los carotídeos. Es probable que en la Pco2 del líquido cefalorraquídeo tienen efectos menores sus respuestas sean similares, pero de menor magnitud. En seres y variables en la respiración, siempre que la concentración de humanos con extirpación de los cuerpos carotídeos, pero con los hidrogeniones se mantenga constante, pero cualquier incre- aórticos intactos, las respuestas son las mismas comparadas con mento en dicha concentración en el líquido cefalorraquídeo la desnervación de los cuerpos carotídeos y aórticos en animales: estimula la respiración. La magnitud de la estimulación es pro- poco cambio de la ventilación en reposo, pero pérdida de la res- porcional al aumento en la concentración de hidrogeniones. puesta ventilatoria a la hipoxia y reacción ventilatoria al dióxido Por tanto, los efectos del dióxido de carbono en la respiración de carbono reducida 30%. se deben sobre todo a su desplazamiento hacia el líquido cefa- En las vías respiratorias, se encuentran los cuerpos neuro- lorraquídeo y el líquido intersticial cerebral, donde aumenta la epiteliales, compuestos por cúmulos inervados de células que cifra de hidrogeniones y estimula los receptores sensibles a los contienen amina. Estas células tienen una corriente de potasio iones hidrógeno. ionizado hacia el exterior que se reduce con la hipoxia, lo cual se esperaría que generara despolarización. Sin embargo, se des- conoce la función de estas células sensibles a la hipoxia porque, RESPUESTAS VENTILATORIAS como se indicó antes, la eliminación de los cuerpos carotídeos A LOS CAMBIOS EN EL EQUILIBRIO solos elimina la respuesta respiratoria a la hipoxia. ACIDOBÁSICO En la acidosis metabólica generada, por ejemplo por acumula- QUIMIORRECEPTORES ción de cuerpos cetónicos ácidos en la circulación de pacientes EN EL TALLO ENCEFÁLICO diabéticos, existe una estimulación respiratoria pronunciada (respiración de Kussmaul). La hiperventilación disminuye la Los quimiorreceptores que median la hiperventilación produ- Pco2 alveolar (“expulsa el dióxido de carbono”) y así produce cida por aumentos en la Pco2 arterial después de la desnerva- un descenso compensador en la concentración sanguínea de ción de los cuerpos carotídeos y aórticos, se localizan en el bulbo hidrogeniones. Por el contrario, en la alcalosis metabólica cau- raquídeo y, por consiguiente, se llaman quimiorreceptores bul- sada, por ejemplo, por el vómito prolongado con pérdida de bares. Están separados de las neuronas respiratorias dorsales y ácido clorhídrico, la ventilación se deprime y la Pco2 se eleva, ventrales, y se sitúan en la superficie ventral del bulbo raquídeo lo cual incrementa la concentración de hidrogeniones hacia el (fig. 37-7). La evidencia reciente indica que los quimiorrecepto- valor normal. Si hay un aumento ventilatorio que no se deba al res adicionales se encuentran en la vecindad del núcleo del haz aumento de la concentración arterial de hidrogeniones, la caída solitario, el locus cerúleo y el hipotálamo. de la Pco2 reduce la concentración de éstos por debajo de lo nor- Los quimiorreceptores vigilan la concentración de hidroge- mal (alcalosis respiratoria); por el contrario, la hipoventilación niones en el líquido cefalorraquídeo (LCR), incluido el líquido que no es consecutiva al decremento de la cifra plasmática de intersticial cerebral. El dióxido de carbono penetra con facili- hidrogeniones, causa acidosis respiratoria. 630 SECCIÓN VII Fisiología respiratoria RESPUESTAS VENTILATORIAS pesar de la hiperventilación. La acumulación resultante de dióxi- do de carbono en el organismo (hipercapnia) deprime al sistema AL DIÓXIDO DE CARBONO nervioso central, incluido el centro respiratorio; ocurre cefalea, La Pco2 arterial normal se conserva en 40 mmHg. Cuando la confusión y, al final, coma (narcosis por dióxido de carbono). Pco2 arterial se eleva a causa del aumento en el metabolismo, se estimula la ventilación y se incrementa la velocidad de ex- creción pulmonar de dióxido de carbono hasta que la Pco2 se RESPUESTA VENTILATORIA normaliza, lo cual termina con el estímulo. La operación de este A LA FALTA DE OXÍGENO mecanismo de retroalimentación conserva la excreción y la pro- ducción de dióxido de carbono en equilibrio. Si el contenido de oxígeno del aire inspirado disminuye, el volu- Cuando se inhala una mezcla de gas que contiene CO2, la men ventilatorio por minuto aumenta. La estimulación es ligera presión alveolar de este compuesto se eleva, lo cual aumenta cuando la Po2 en el aire inspirado es mayor de 60 mmHg y sólo la Pco2 arterial y estimula la ventilación en cuanto la sangre hay una estimulación marcada con cifras menores de Po2 (fig. que contiene más dióxido de carbono llega al bulbo raquídeo. 37-9). Sin embargo, cualquier disminución en la Po2 arterial por La eliminación de este último gas se incrementa y la Pco2 al- debajo de 100 mmHg origina incremento en la descarga de los veolar regresa a la normalidad. Por esta razón, las elevaciones nervios de los quimiorreceptores carotídeo y aórtico. Hay dos grandes en la Pco2 del gas inspirado (p. ej., 15 mmHg) generan razones por las que este incremento en el tránsito de impulsos aumentos relativamente pequeños en la Pco2 alveolar (p. ej., 3 no aumenta la ventilación en cualquier medida en personas nor- mmHg). Sin embargo, esta última no regresa a lo normal y se males, hasta que la Po2 es menor de 60 mmHg. Como la hemo- alcanza un nuevo equilibrio en el que ella se encuentra un poco globina es un ácido más débil que la oxihemoglobina (HbO2), alta y la hiperventilación persiste, siempre que se inhale dióxido existe un leve descenso en la concentración de hidrogeniones de carbono. La relación lineal entre el volumen respiratorio por en sangre arterial cuando la Po2 arterial se halla menos saturada minuto y la Pco2 alveolar se muestra en la figura 37-8. con oxígeno. El decremento en la concentración de hidrogenio- Por supuesto que esta linealidad tiene un límite superior. nes tiende a inhibir la respiración. Además, cualquier incremen- Cuando la Pco2 del gas inspirado está cerca de la Pco2 alveolar, to en la ventilación que ocurra reduce la Pco2 alveolar, y esto la eliminación de este gas se vuelve difícil. Cuando el contenido de también tiende a impedir la respiración. Por tanto, los efectos dióxido de carbono en el gas inspirado es mayor de 7%, las Pco2 estimulantes de la hipoxia en la ventilación no son muy mani- alveolar y arterial empiezan a incrementarse de manera súbita a fiestos hasta que se tornan lo bastante fuertes para rebasar los 40 Ventilación (L/min) 32 ± 1 SE 30 28 20 Volumen respiratorio por minuto (L/min) 10 24 0 % O2 en gas inspirado 21 20 15 10 5 20 PO2 en gas inspirado 160 152 114 76 38 16 120 Presión (mmHg) 100 PO2 alveolar 80 12 60 PCO2 alveolar 40 8 20 0 760 700 600 500 400 300 200 4 Presión barométrica (mmHg) FIGURA 379 Arriba: volumen respiratorio por minuto promedio 38 40 42 44 46 48 50 durante la primera media hora después de exposición a gases que con- Pco2 alveolar (mmHg) tienen diversas cantidades de oxígeno (O2). Hay cambios marcados en la ventilación con valores de PO2 menores de 60 mmHg. En cada caso, la FIGURA 378 Respuestas de sujetos normales a la inhalación línea horizontal indica la media; la barra vertical señala una desviación de oxígeno (O2) y 2, 4 y 6% de dióxido de carbono (CO2). El aumento estándar. Abajo: valores de PO2 y PCO2 alveolares cuando se respira aire relativamente lineal en el volumen respiratorio por minuto como res- a diversas presiones barométricas. Las dos gráficas están alineadas puesta al dióxido de carbono elevado se debe a un aumento tanto en la para que la PO2 de las mezclas inspiradas de gases en la gráfica superior profundidad como en la frecuencia respiratoria. (Con autorización de Lam- corresponda con la PO2 con varias presiones barométricas en la gráfica bertsen CJ. En: Medical Physiology, 13th ed. Mountcastle VB [ed.]. Mosby, 1974.) inferior. (Cortesía de RH Kellogg.)  CAPÍTULO 37 Regulación de la respiración 631 60 100 50 PAO255 Ventilación (L/min, BTPS) Ventilación (L/min, BTPS) 75 40 PAO240 PACO249 30 50 PAO2100 PACO244 20 25 10 PACO237 0 20 40 60 80 100 120 140 0 40 50 PAO2(mmHg) PACO2 (mmHg) FIGURA 3710 Ventilación con varios valores de PO2 alveolar cuando la PCO2 se mantiene constante en 49, 44 o 37 mmHg. Nótese FIGURA 3711 Desplegado de líneas que muestra las curvas el efecto drástico de la PO2 en la respuesta ventilatoria cuando la PCO2 se de respuesta de dióxido de carbono (CO2) con varios valores fijos de incrementa por arriba de lo normal. BTPS, temperatura y presión corpo- PO2 alveolar. La PAO2 baja produce una respuesta más sensible a la PACO2. rales, saturado con vapor de agua. (Datos de Loeschke HH y Gertz KH.) BTPS, temperatura y presión corporales, saturado con vapor de agua. efectos inhibidores contrarios de un declive en la concentración arterial de hidrogeniones y la Pco2. interrelacionados, como los de dióxido de carbono y el oxígeno. En la figura 37-10, se muestran los efectos ventilatorios del En la acidosis metabólica, las curvas de respuesta a dióxido de descenso de la Po2 alveolar mientras se conserva constante la carbono son similares a las de la figura 37-11, salvo que se des- Pco2 alveolar. Cuando esta última se estabiliza en un nivel de 2 vían a la izquierda. En otras palabras, aparece una estimulación a 3 mmHg por arriba de lo normal, existe una relación inversa respiratoria de la misma magnitud con cifras arteriales más ba- entre la ventilación y la Po2 alveolar, incluso en el intervalo de 90 jas de Pco2. Se calcula que la curva de respuesta del dióxido de a 110 mmHg, pero cuando la Pco2 alveolar se fija en valores me- carbono se desvía 0.8 mmHg a la izquierda por cada nanomol nores de lo normal, la hipoxia no estimula la ventilación hasta de aumento en los hidrogeniones arterial. Se elimina cerca de que la Po2 alveolar caiga por debajo de 60 mm de mercurio. 40% de la reacción ventilatoria al dióxido de carbono si se pre- viene el aumento del hidrogenión arterial causado por este gas. Como se indicó antes, tal vez el 60% restante se deba al efecto del EFECTOS DE LA HIPOXIA EN LA CURVA dióxido de carbono en el líquido espinal o a la concentración de hidrogeniones en el líquido intersticial cerebral. DE RESPUESTA DEL DIÓXIDO DE CARBONO Cuando se realiza el experimento contrario; o sea, cuando la Po2 se mantiene constante mientras se prueba la respuesta a canti- PAUSA RESPIRATORIA dades variables de dióxido de carbono inspirado, se obtiene una La respiración puede inhibirse de manera voluntaria por algún reacción lineal (fig. 37-11). Si se valora la respuesta de dióxido tiempo, pero al final se vence el control voluntario. El punto en de carbono a distintos valores fijos de Po2, la pendiente de la el que la respiración ya no puede impedirse de forma volunta- curva de respuesta cambia, se hace más marcada si disminuye ria se llama punto de quiebre. Éste se debe al aumento de la la Po2 alveolar. En otras palabras, la hipoxia vuelve al individuo Pco2 arterial y al descenso de la Po2. Las personas pueden de- más sensible a los aumentos en la Pco2 arterial. Sin embargo, no tener la respiración más tiempo luego de eliminar los cuerpos se modifica el nivel de Pco2 alveolar en el cual las curvas de la carotídeos. La respiración de oxígeno al 100% antes de detener figura 37-11 se cruzan. En la persona normal, esta cifra umbral la respiración eleva la Po2 al principio, por lo que el punto de está justo debajo de la Pco2 alveolar normal, lo cual indica que quiebre se retrasa. Lo mismo se aplica a la hiperventilación de en condiciones habituales hay un “impulso del dióxido de car- aire ambiental, ya que se expulsa dióxido de carbono y la Pco2 bono” ligero, pero definitivo, en el área respiratoria. es más baja al principio. En apariencia hay factores reflejos o mecánicos que influyen en el punto de quiebre, ya que los su- jetos que pausan la respiración lo más posible y luego respiran EFECTO DE LOS HIDROGENIONES una mezcla gaseosa baja en oxígeno y alta en dióxido de car- EN LA RESPUESTA DEL DIÓXIDO bono pueden detener la respiración por cerca de 20 s o más. Los DE CARBONO factores psicológicos también participan, y los sujetos pueden interrumpir la respiración más tiempo cuando se les dice que Los efectos estimulantes de los hidrogeniones y el dióxido de car- su desempeño es muy bueno en comparación a cuando no se bono en la respiración parecen ser aditivos y no complejamente les dice. 632 SECCIÓN VII Fisiología respiratoria INFLUENCIAS NO QUÍMICAS Ya que las terminaciones de las fibras C se hallan cerca de los vasos pulmonares, se les denomina receptores J (yuxtacapilares, EN LA RESPIRACIÓN juxtacapillary en inglés). Éstos se estimulan debido a la hiperin- flación pulmonar, pero reaccionan también a la administración RESPUESTAS MEDIADAS POR RECEPTORES intravenosa o intracardiaca de sustancias, como la capsaicina. La reacción refleja generada es la apnea, seguida de respiración EN VÍAS RESPIRATORIAS Y PULMONES rápida, bradicardia e hipotensión (quimiorreflejo pulmonar). Se obtiene una respuesta similar con los receptores del corazón Los receptores de las vías respiratorias y los pulmones están (reflejo de Bezold-Jarisch o quimiorreflejo coronario). La inervados por fibras vagales mielinizadas y no mielinizadas. Es- participación fisiológica de este reflejo es incierta, pero quizá se tas últimas son fibras C. Los receptores inervados por las fibras presente en estados patológicos, como congestión pulmonar o mielinizadas a menudo se dividen en receptores de adaptación embolismo, en los cuales aquél se debe a sustancias endógenas. lenta y receptores de adaptación rápida con base en si la es- timulación sostenida genera descarga prolongada o transitoria en las fibras nerviosas aferentes (cuadro 37-2). Se supone que TOS Y ESTORNUDO el otro grupo de receptores consiste en terminaciones de fibras C y se clasifican en subgrupos pulmonar y bronquial según su La tos inicia con una inspiración profunda seguida de espiración ubicación. forzada a través de la glotis cerrada. Esto aumenta la presión in- El acortamiento de la inspiración que produce la actividad trapleural a 100 mmHg o más. Luego, la glotis se abre de manera aferente vagal (fig. 37-3) está mediado por receptores de adap- súbita, lo cual da lugar a la salida explosiva de aire a velocidades tación lenta, como los reflejos de Hering-Breuer. El reflejo de de hasta 965 km/h. El estornudo es un esfuerzo espiratorio simi- inflación de Hering-Breuer es un aumento en la duración de la lar con la glotis abierta todo el tiempo. Estos reflejos expulsan espiración originado por la inflación pulmonar constante, y el irritantes y conservan limpias las vías respiratorias. En el recua- reflejo de desinflación de Hering-Breuer corresponde al decre- dro clínico 37-1, se consideran otros aspectos de la inervación mento en la duración de la espiración producido por la desinfla- en un caso especial. ción marcada de los pulmones. Como los receptores de adapta- ción rápida son estimulados por sustancias como la histamina, se les llama receptores irritantes. La activación de los receptores AFERENTES DE LOS PROPIOCEPTORES de adaptación rápida en la tráquea causa tos, broncoconstricción y secreción mucosa; la activación de los receptores de activación Algunos experimentos controlados con cuidado muestran que rápida en los pulmones tal vez ocasione hiperpnea. los movimientos activos y pasivos de las articulaciones estimulan CUADRO 372 Receptores en las vías respiratorias y los pulmones Localización Inervación vagal Tipo en intersticio Estímulo Respuesta Mielinizadas Adaptación lenta Entre las células de Inflación pulmonar Acortamiento del tiempo inspiratorio músculo liso (?) Reflejos de inflación y desinflación de Hering-Breuer Broncodilatación Taquicardia Hiperpnea Adaptación rápida Entre las células epiteliales Hiperinflación pulmonar Tos de las vías respiratorias Sustancias exógenas y endógenas Constricción bronquial (p. ej., histamina, prostaglandinas) Secreción de moco Fibras C no Fibras C Cerrar hacia vasos Hiperinflación pulmonar Apnea seguida de respiración rápida mielinizadas pulmonares sanguíneos Sustancias exógenas y endógenas Constricción bronquial Fibras C (p. ej., histamina, prostaglandinas) bronquiales Bradicardia Hipotensión Secreción de moco Modificado con autorización de Berger AJ, Hornbein TF: Control of respiration. En: Textbook of Physiology, 21st ed. Vol. 2 Patton HD, et al (eds.). Saunders, 1989.  CAPÍTULO 37 Regulación de la respiración 633 RECUADRO CLÍNICO 37-1 RECUADRO CLÍNICO 37-2 Inervación pulmonar y pacientes con trasplantes Aferentes de los “centros superiores” de corazón y pulmón El dolor y los estímulos emocionales afectan la respiración, por El trasplante del corazón y los pulmones ya es un tratamiento lo cual también debe haber aferentes del sistema límbico y el establecido para la enfermedad pulmonar grave y otros pade- hipotálamo a las neuronas respiratorias en el tallo encefáli- cimientos. En las personas con trasplante, la aurícula derecha co. Además, aunque la respiración no suele ser un fenómeno del receptor se sutura con el corazón injertado y el corazón del consciente, tanto la inspiración como la espiración están bajo el donador no se inerva de nuevo; por ello, la frecuencia cardiaca control voluntario. Las vías para el control voluntario pasan de en reposo es elevada. La tráquea del injerto se sutura a la del la neocorteza a las neuronas motoras que inervan los músculos receptor, justo por arriba de la carina, y las fibras aferentes de respiratorios, sin pasar por las neuronas bulbares. los pulmones no crecen de nuevo. Por consiguiente, los pacien- Como el control voluntario y automático de la respiración es- tes saludables con trasplantes de corazón y pulmón brindan la tán separados, la regulación automática a veces se interrumpe oportunidad de valorar la función de la inervación pulmonar sin perder el control voluntario. La situación clínica resultante se en la fisiología normal. Sus respuestas de tos a la estimulación llama la “maldición de Ondina”. En la leyenda alemana, Ondi- traqueal son normales porque la tráquea permanece inerva- na era una ninfa acuática que tenía un amante mortal infiel. El da, pero no existe respuesta de tos a la estimulación de las vías rey de las ninfas del agua castigó al amante con una maldición respiratorias. Los bronquios tienden a estar dilatados en mayor que le arrebató todas sus funciones automáticas. En este estado, medida de lo normal. Además, aparece la cantidad normal de sólo podía sobrevivir si permanecía despierto y recordaba res- bostezos y suspiros, lo cual indica que éstos no dependen de la pirar. Al final, se quedó dormido por agotamiento y su respira- inervación pulmonar. Por último, hay ausencia de los reflejos de ción se detuvo. Los pacientes con este intrigante trastorno casi Hering-Breuer, pero el patrón respiratorio en reposo es normal, siempre tienen poliomielitis bulbar o procesos patológicos que lo cual indica que estos reflejos no desempeñan una función comprimen el bulbo raquídeo. importante en la regulación de la respiración en reposo en los seres humanos. tugas, así como en los mamíferos. Ya se desacreditó la idea de que es necesario para aumentar el ingreso de oxígeno. Los al- la respiración, tal vez porque impulsos en las vías aferentes de véolos hipoventilados tienen tendencia a colapsar y se sugirió los propioceptores en músculos, tendones y articulaciones es- que la inspiración profunda con estiramiento de los mismos timulan las neuronas inspiratorias. Tal vez este efecto ayude a previene el desarrollo de atelectasias. Sin embargo, en expe- aumentar la ventilación durante el ejercicio. Otras vías aferentes rimentos reales no pudo demostrarse que el bostezo tuviera se consideran en el recuadro clínico 37-2. un efecto preventivo de estas últimas. El bostezo aumenta el retorno venoso al corazón, lo cual beneficia la circulación. Se sugirió que el bostezo es una señal no verbal empleada para la COMPONENTES RESPIRATORIOS comunicación entre monos en un grupo, y podría argumen- tarse que a un nivel distinto, lo mismo se aplica a los seres DE LOS REFLEJOS VISCERALES humanos. La inhibición de la respiración y el cierre de la glotis durante el vómito, la deglución y los estornudos no sólo previenen la aspiración de alimento hacia la tráquea, en el caso del vómito, EFECTOS RESPIRATORIOS DE también fija el tórax para que la contracción de los músculos abdominales aumente la presión intraabdominal. Hay cierre de LA ESTIMULACIÓN la glotis e inhibición de la respiración similares durante el pujo DE LOS BARORRECEPTORES voluntario y el involuntario. El hipo constituye una contracción espasmódica del diafrag- Las fibras aferentes de los barorreceptores en senos carotí- ma y otros músculos inspiratorios; esto origina una inspiración deos, cayado aórtico, aurículas y ventrículos relevan la infor- durante la cual la glotis se cierra de forma súbita. El cierre gló- mación a las neuronas respiratorias, así como a las neuronas tico es el causante de la sensación y el sonido característicos. El vasomotoras e inhibidoras cardiacas en el bulbo raquídeo. Los hipo ocurre en el feto dentro del útero y durante toda la vida ex- impulsos de estos receptores impiden la respiración, pero el trauterina. Su función se desconoce. La mayoría de los episodios efecto inhibidor es leve y tiene poca importancia fisiológica. de hipo es de corta duración y a menudo responde a la pausa En el choque, la hiperventilación se debe a la estimulación de respiratoria u otras medidas que aumentan la Pco2 arterial. El los quimiorreceptores causada por acidosis e hipoxia conse- hipo intratable, que puede ser debilitante, a veces reacciona a cutivas al estancamiento local del flujo sanguíneo; aquélla no los antagonistas de la dopamina y tal vez a algunos compuestos está mediada por barorreceptores. La actividad de las neuro- analgésicos de acción central. nas inspiratorias influye en la presión sanguínea y la frecuen- El bostezo es un acto respiratorio peculiar “contagioso”, cia cardiaca, y la actividad de las áreas vasomotora y cardiaca cuyas bases e importancia fisiológicas se desconocen. Como el del bulbo raquídeo quizá origine efectos menores en la respi- hipo, se observa en la vida intrauterina; existe en peces y tor- ración. 634 SECCIÓN VII Fisiología respiratoria EFECTOS DEL SUEÑO 160 La respiración se controla de modo menos riguroso durante el sueño en comparación con la vigilia, los adultos normales tienen Presión parcial (mmHg) 120 breves periodos de apnea durante el sueño. Los cambios en la PO2 alveolar respuesta ventilatoria a la hipoxia varían. Si la Pco2 cae durante la vigilia, varios estímulos de los propioceptores y el ambiente 80 mantienen la respiración, pero en el curso del sueño estos es- tímulos se hallan disminuidos, y el descenso de la Pco2 puede causar apnea. Durante el sueño con movimientos oculares rápi- 40 dos, la respiración es irregular y la respuesta al dióxido de car- bono es muy variable. PCO2 alveolar 0 respiratorio ANOMALÍAS RESPIRATORIAS Patrón ASFIXIA 0 1 2 3 4 5 6 Tiempo después de detener En la asfixia generada por oclusión de la vía respiratoria, la hi- la respiración (min) percapnia y la hipoxia agudas se desarrollan juntas. La estimu- lación respiratoria es pronunciada, con esfuerzos respiratorios FIGURA 3712 Cambios en la respiración y la composición del aire violentos. La presión sanguínea y la frecuencia cardiaca se ele- alveolar después de hiperventilación forzada durante dos minutos. Las van de manera aguda, aumenta la secreción de catecolamina, y barras en la parte inferior indican la respiración, mientras los espacios el pH sanguíneo tiene una reducción súbita. Al final los esfuer- en blanco significan apnea. zos respiratorios cesan, la presión sanguínea cae y la frecuencia cardiaca disminuye. En este punto, los animales asfixiados aún pueden reanimarse con respiración artificial, aunque tienden porque no se presenta luego de la hiperventilación con mez- a la fibrilación ventricular, tal vez por la combinación de daño clas de gas que contienen 5% de dióxido de carbono. Durante miocárdico hipóxico y los valores altos de catecolaminas circu- la apnea, la Po2 alveolar cae y la Pco2 se eleva. La respiración lantes. Si no se inicia la respiración artificial, el paro cardiaco continúa por la estimulación hipóxica de los quimiorreceptores ocurre en 4 o 5 min. carotídeos y aórticos antes que el nivel de dióxido de carbono se normalice. Unas cuantas respiraciones eliminan el estímulo hi- póxico y la respiración se detiene hasta que la Po2 cae de nuevo. AHOGAMIENTO Sin embargo, la Pco2 regresa de forma gradual a la normalidad y se reanuda la respiración habitual. Los cambios en los patro- Éste corresponde a la asfixia generada por inmersión, casi siem- nes respiratorios tal vez sean síntoma de enfermedad (recuadro pre en agua. En cerca de 10% de los ahogamientos, los primeros clínico 37-3). jadeos con entrada de agua después de perder la lucha por no respirar causan laringoespasmo y la muerte ocurre por asfixia sin presencia de agua en los pulmones. En los casos restantes, al EFECTOS DEL EJERCICIO final los músculos de la glotis se relajan y el líquido entra en los pulmones. El agua dulce se absorbe con rapidez, lo cual diluye el El ejercicio representa un ejemplo fisiológico para explorar mu- plasma y causa hemólisis intravascular. El agua de mar es muy chos de los sistemas de control explicados antes. Por supuesto hipertónica y atrae líquido desde el sistema vascular a los pulmo- que deben operar muchos mecanismos cardiovasculares y respi- nes; esto reduce el volumen plasmático. El objetivo inmediato en ratorios de manera integrada para satisfacer las necesidades de el tratamiento del ahogamiento es la reanimación, por supuesto, oxígeno del tejido activo, así como para eliminar del organismo pero las medidas terapéuticas a largo plazo también deben con- el dióxido de carbono y el calor adicionales durante el ejercicio. siderar los efectos circulatorios del agua en los pulmones. Los cambios circulatorios aumentan el flujo sanguíneo muscu- lar al tiempo que mantienen la circulación adecuada en el resto del cuerpo. Además, se incrementa la extracción de oxígeno de RESPIRACIÓN PERIÓDICA la sangre en los músculos activos, así como la ventilación. Esto aporta oxígeno adicional, elimina parte del calor y excreta el Los efectos agudos de la hiperventilación voluntaria demuestran dióxido de carbono adicional. A continuación, se presenta una la interacción de los mecanismos químicos que regulan la respi- descripción enfocada en la regulación ventilatoria y el oxígeno ración. Cuando una persona normal hiperventila durante 2 a 3 hístico, ya que muchos otros aspectos de la regulación se anali- min, se detiene y permite que la respiración continúe sin ejercer zaron en los capítulos previos. un control voluntario sobre ésta, hay un periodo de apnea. Éste va seguido de unas cuantas respiraciones superficiales y luego otro periodo de apnea, seguido de nuevo por unas cuantas respi- CAMBIOS EN LA VENTILACIÓN raciones (respiración periódica). Los ciclos pueden durar algún tiempo antes de reanudarse la respiración normal (fig. 37-12). Durante el ejercicio, se eleva la cantidad de oxígeno que ingre- En apariencia, la apnea se debe a la falta de dióxido de carbono sa a la sangre en los pulmones porque la cantidad de oxígeno  CAPÍTULO 37 Regulación de la respiración 635 RECUADRO CLÍNICO 37-3 Cargas de trabajo máximas 4 Lactato sanguíneo (meq/L) Respiración periódica en la enfermedad Captación de O2 (L/min) 12 s re as rio im nfe 3 áx i Respiración de Cheyne-Stokes m ajo 9 b tra de La respiración periódica se presenta en varios estados pato- Captación s 2 la s ga de O2 a lógicos y a menudo se llama respiración de Cheyne-Stokes. 6 ar C Ésta se ve más a menudo en pacientes con insuficiencia car- Lactato sanguíneo diaca congestiva y uremia, pero también ocurre en sujetos 1 3 con enfermedad cerebral y durante el sueño en algunas per- sonas normales. Algunos de los enfermos con respiración de 0 0 Cheyne-Stokes presentan mayor sensibilidad al dióxido de car- Reposo I II III IV V VI bono. Al parecer, el aumento en la respuesta se debe a la Carga de trabajo interrupción de las vías neurales que inhiben la respiración de manera normal. En estos individuos, el dióxido de carbo- FIGURA 3713 Relación entre la carga de trabajo, concentra- ción sanguínea de lactato y captación de oxígeno (O2). I-VI, cargas de no causa hiperventilación relativa, lo cual disminuye la PCO2 trabajo crecientes producidas por el aumento de la velocidad y la incli- arterial. Durante la apnea resultante, esta última se eleva de nación de una banda sinfín en la cual trabajaron los sujetos. (Con autoriza- nuevo a valores normales, pero el mecanismo respiratorio ción de Mitchell JH, Blomqvist G: Maximal oxygen uptake. N Engl J Med 1971;284:1018.) responde de nuevo de modo exagerado al dióxido de carbo- no. La respiración cesa y el ciclo se repite. Otra causa de respiración periódica en pacientes con car- agregada a cada unidad de sangre y el flujo sanguíneo pulmonar diopatía es la prolongación del tiempo de circulación de por minuto aumentan. La Po2 de sangre que fluye a los capila- los pulmones al cerebro, de manera que los cambios en la res pulmonares disminuye de 40 a 25 mmHg o menos, por lo presión arterial de los gases tardan más en influir en el área cual el gradiente alveolocapilar de Po2 se incrementa y entra más respiratoria del bulbo raquídeo. Cuando los individuos con oxígeno en la sangre. El flujo sanguíneo por minuto se eleva de circulación más lenta hiperventilan, disminuyen la PCO2 de la 5.5 L/min hasta 20 a 35 L/min. Por tanto, la cantidad total sangre en sus pulmones, pero la sangre con PCO2 baja tarda de oxígeno que ingresa a la sangre aumenta de 250 ml/min en más de lo normal en llegar al cerebro. Durante este periodo, reposo hasta valores de 4 000 ml/min. La cantidad de dióxido de la PCO2 de la sangre capilar pulmonar continúa en descenso carbono eliminada de cada unidad de sangre se eleva y la excre- y cuando dicha sangre llega al cerebro, la P CO2 baja inhibe ción de dióxido de carbono se incrementa de 200 ml/min hasta el área respiratoria, lo cual causa apnea. En otras palabras, el 8 000 ml/min. El aumento en la captación de oxígeno es propor- sistema de control respiratorio varía porque el ciclo de re- cional a la carga de trabajo, hasta un máximo. Por arriba de este troalimentación negativa de los pulmones al cerebro es más máximo, el consumo de oxígeno se nivela y la concentración largo de lo normal. sanguínea de lactato continúa creciendo (fig. 37-13). El lactato proviene de los músculos en los cuales la síntesis aeróbica de las Apnea durante el sueño reservas energéticas no puede conservarse al ritmo de su utiliza- Los episodios de apnea durante el sueño pueden ser de ori- ción; por ello se incurre en una deuda de oxígeno. gen central; o sea, consecutivos a la falta de descarga de los La ventilación aumenta de forma súbita al inicio del ejerci- nervios que producen la respiración, o quizá sean consecuen- cio, luego sigue una pausa breve con un incremento ulterior más cia de obstrucción de la vía respiratoria (apnea obstructiva gradual (fig. 37-14). Con el ejercicio moderado, el incremento del sueño). Esto puede ocurrir a cualquier edad y se genera se debe sobre todo a un aumento en la profundidad de la res- cuando los músculos faríngeos se relajan durante el sueño. piración; esto se acompaña de un incremento en la frecuencia En algunos casos, la falta de contracción de los músculos ge- respiratoria cuando el ejercicio es más intenso. La ventilación nioglosos en el curso de la inspiración contribuye al bloqueo; disminuye de manera abrupta cuando el ejercicio se interrumpe, estos músculos tiran de la lengua hacia delante y, cuando no le sigue una pausa breve y luego un declive más parcial hasta se contraen, la lengua cae hacia atrás y obstruye la vía respi- ratoria. Después de esfuerzos respiratorios cada vez más fuer- tes, el paciente despierta, realiza unas cuantas respiraciones Reposo Ejercicio Recuperación Ventilación (L/min) normales y se duerme de nuevo. No es sorprendente que los episodios apneicos sean más frecuentes durante el sueño de movimientos oculares rápidos, cuando los músculos se en- cuentran más hipotónicos. Los síntomas incluyen ronquidos sonoros, cefaleas matutinas, fatiga y somnolencia diurna. En apariencia, cuando es grave y prolongado, este trastorno ori- gina hipertensión y sus complicaciones. Además, la inciden- Tiempo cia de accidentes automovilísticos en pacientes con apnea es siete veces mayor comparada con la de la población general FIGURA 3714 Representación diagramática de los cambios de conductores. en la ventilación durante el ejercicio. Véase el texto para obtener detalles. 636 SECCIÓN VII Fisiología respiratoria los valores previos al ejercicio. Es probable que el incremento PACO 50 súbito al principio del ejercicio se deba a estímulos psíquicos e (mmHg) 2 Amortiguación Comp. impulsos aferentes de los propioceptores en músculos, tendones 0 isocápnica resp. 150 y articulaciones. El aumento más gradual tal vez sea de origen PAO 2 humoral, aunque el pH, la Pco2 y la Po2 permanecen relativa- 70 (mmHg) VE mente constantes durante el ejercicio moderado. La elevación (L/min- 120 de la ventilación es proporcional a la del consumo de oxígeno, BTPS) pero aún se discute mucho sobre los mecanismos que estimu- 3 lan la respiración. Quizá participe el aumento de la temperatura VE corporal. El ejercicio incrementa la concentración plasmática de VCO2 iones potasio y este aumento podría estimular los quimiorre- (L/min- ceptores periféricos. Además, tal vez aumente la sensibilidad de STPD) 0 VCO2 2 las neuronas que controlan la respuesta al dióxido de carbono o VO2 quizá las fluctuaciones respiratorias en la Pco2 arterial se ele- VO2 (L/min- ven, de manera que aunque la Pco2 arterial media no aumenta, 0 STPD) el dióxido de carbono es la causa del incremento en la ventila- HCO3– 2 min 0 25 ción. Asimismo, en apariencia el oxígeno participa a pesar de HCO3– la falta de descenso en la Po2 arterial, ya que durante la reali- 7.40 zación de un trabajo de determinada magnitud, el aumento en pH 15 la ventilación cuando se respira oxígeno al 100% es 10 a 20% pH menor comparado con el incremento mientras se respira aire 7.30 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 ambiental. Por ende, por ahora parece que distintos factores se Ritmo de trabajo (vatios) combinan para generar el aumento observado en la ventilación durante el ejercicio moderado. FIGURA 3715 Respuestas fisiológicas al ritmo de trabajo Cuando el ejercicio se vuelve más vigoroso, la amortigua- durante el ejercicio. Los cambios en la PCO2 alveolar, la. PO2 alveolar, la ción de las mayores cantidades de ácido láctico que se produ-. ventilación (V. E), la producción de dióxido de carbono (VCO2), el consumo ce libera más dióxido de carbono y esto incrementa aún más de oxígeno (VO2), el bicarbonato (HCO3–) arterial y el pH arterial con los la ventilación. La respuesta al ejercicio graduado se muestra en la aumentos graduados en el trabajo de un varón adulto en una bicicleta figura 37-15. Con la elevación de la producción de ácido, los in- con ergómetro. Comp. resp., compensación respiratoria. STPD, 0°C, crementos en la ventilación y la síntesis de dióxido de carbono se 760 mmHg, seco (temperatura y presión estándar), seco; BTPS, tempe- ratura y presión corporales, saturado con vapor de agua. Véase el texto mantienen proporcionales; por ello, el dióxido de carbono al- para obtener detalles. (Reproducida con autorización de Wasserman K, Whipp BJ, veolar y arterial cambia relativamente poco (amortiguación Casaburi R: Respiratory control during exercise. En: Handbook of Physiology. Section 3, isocápnica). La Po2 alveolar se eleva a causa de la hiperventila- The Respiratory System. Vol II, part 2. Fishman AP [ed.]. American Physiological Society, ción. Con la acumulación adicional de ácido láctico, el aumen- 1986.) to en la ventilación rebasa la generación de dióxido de carbono y la Pco2 alveolar se reduce de manera súbita, al igual que la Pco2 arterial. La disminución de esta última origina una com- CAMBIOS EN LOS TEJIDOS pensación respiratoria para la acidosis metabólica inducida por el ácido láctico adicional. El aumento ulterior en la ventilación La captación máxima de oxígeno durante el ejercicio está limita- producido por la acidosis depende de los cuerpos carotídeos y da por la velocidad máxima a la cual se transporta este gas a las no ocurre si éstos se extirpan. mitocondrias en el músculo activo. Sin embargo, tal limitación La frecuencia respiratoria después del ejercicio no llega a va- no suele deberse a la captación deficiente de oxígeno en los pul- lores basales hasta no reponer la deuda de oxígeno. Esto quizá mones; la hemoglobina de la sangre arterial se halla saturada, tarde hasta 90 min. El estímulo para la ventilación después del incluso durante el ejercicio más intenso. ejercicio no es la Pco2 arterial, la cual es normal o baja, ni la Po2 Durante el ejercicio, los músculos que se contraen usan más arterial, que es normal o elevada, sino la concentración arterial oxígeno y la Po2 del tejido y de la sangre venosa proveniente del alta de hidrogeniones consecutiva a la acidemia láctica. La mag- músculo activo cae casi a cero. Más oxígeno difunde desde la nitud de la deuda de oxígeno es la cantidad a la cual el consumo sangre, la Po2 de la sangre en los músculos se reduce súbitamen- de oxígeno rebasa al consumo basal desde el final del esfuerzo te y se extrae más oxígeno de la hemoglobina. Como el lecho hasta que el consumo de oxígeno regresa a los niveles previos capilar del músculo activo se dilata y se abren muchos capilares al ejercicio. Durante el pago de la deuda de oxígeno, la concen- que habían estado cerrados, la distancia media desde la sangre tración de éste en la mioglobina muscular se eleva un poco. Se a las células de ese tejido disminuye mucho; esto facilita el des- sintetizan de nuevo ATP y fosforilcreatina, y se elimina el ácido plazamiento de oxígeno de la sangre a las células. La curva de láctico. Ochenta por ciento de éste se convierte en glucógeno y disociación de oxígeno-hemoglobina tiene una pendiente mar- 20% se metaboliza hasta dióxido de carbono y agua (H2O). cada en el intervalo de Po2 menor de 60 mmHg; se aporta una A causa del dióxido de carbono adicional generado por la cantidad relativamente grande de oxígeno por cada descenso de amortiguación del ácido láctico durante el ejercicio extenuan- 1 mmHg en la Po2 (fig. 36-2). Se aporta oxígeno adicional por- te, la proporción entre dióxido de carbono y oxígeno (índice que como resultado de la acumulación de dióxido de carbono y de intercambio respiratorio [R]) se eleva y llega hasta 1.5 o 2.0. el aumento en la temperatura de los tejidos activos (y tal vez por Después del esfuerzo, mientras se repone la deuda de oxígeno, el un incremento en el 2,3-difosfoglicerato eritrocítico), la curva valor de R cae a 0.5 o menos. de disociación se desplaza a la derecha. El efecto neto es un in-  CAPÍTULO 37 Regulación de la respiración 637 cremento al triple en la extracción de oxígeno de cada unidad PREGUNTAS DE OPCIÓN MÚLTIPLE de sangre (fig. 36-3). Como este aumento se acompaña de una elevación de 30 veces o más en el flujo sanguíneo, es posible que Para todas las preguntas elija una sola respuesta, a menos que se indique la tasa metabólica del músculo aumente hasta 100 veces durante lo contrario. el ejercicio. 1. Las principales neuronas de control respiratorio A) emiten oleadas regulares de impulsos a los músculos espirato- rios durante la respiración tranquila TOLERANCIA AL EJERCICIO Y FATIGA B) no se afectan por la estimulación de los receptores de dolor C) se localizan en la protuberancia ¿Qué determina la máxima cantidad de ejercicio que puede rea- D) emiten grupos regulares de impulsos a los músculos inspirato- lizar una persona? Es obvio que la tolerancia al ejercicio tiene rios durante la respiración tranquila una dimensión de tiempo y una de intensidad. Por ejemplo, un E) no se alteran por impulsos de la corteza cerebral varón joven con buena condición física puede generar una po- 2. El ácido láctico intravenoso aumenta con la ventilación. Los recep- tencia cercana a 700 watts por un minuto en una bicicleta, 300 tores generadores de este reflejo se localizan en watts por 5 min y 200 watts durante 40 min. Solía argumentar- A) el bulbo raquídeo se que los factores limitantes en el desempeño de ejercicio eran B) los cuerpos carotídeos la velocidad a la cual podía aportarse oxígeno a los tejidos o la C) el parénquima pulmonar velocidad a la que el oxígeno era capaz de entrar en el organis- D) los barorreceptores aórticos mo y en los pulmones. Estos factores participan, pero está claro E) la tráquea y los bronquios grandes que otros elementos también contribuyen a que el ejercicio se 3. La respiración espontánea se interrumpe después de detenga cuando la sensación de fatiga progresa a la sensación de agotamiento. La fatiga surge en parte por el bombardeo al A) sección del tallo encefálico por arriba de la protuberancia B) sección del tallo encefálico en el extremo caudal del bulbo ra- cerebro con impulsos nerviosos provenientes de los músculos quídeo y porque el declive del pH sanguíneo generado por la acidosis C) vagotomía bilateral láctica también hace que el sujeto se sienta cansado, así como D) vagotomía bilateral combinada con sección del tallo encefálico el incremento de la temperatura corporal, la disnea y, tal vez, la en el borde superior de la protuberancia sensación incómoda producida por la activación de los recepto- E) sección de la médula espinal al nivel del primer segmento torá- res J en los pulmones. cico 4. Los siguientes fenómenos fisiológicos que ocurren in vivo se listan en desorden: 1) disminución del pH del LCR; 2) aumento de la Pco2 RESUMEN DEL CAPÍTULO arterial; 3) aumento de la Pco2 del líquido cefalorraquídeo; 4) esti- mulación de los quimiorreceptores bulbares; 5) incremento de la La respiración está bajo el control voluntario (ubicado en la corteza Pco2 alveolar. cerebral) y la regulación automática (impulsada por células marca- ¿Cuál es la secuencia usual en la que ocurren cuando afectan la pasos en el bulbo raquídeo). Existe inervación recíproca en los múscu- respiración? los espiratorios e inspiratorios, ya que las neuronas motoras que inervan los músculos espiratorios se encuentran inactivas cuando A) 1, 2, 3, 4, 5 las neuronas motoras de los músculos inspiratorios están activas y B) 4, 1, 3, 2, 5 viceversa. C) 3, 4, 5, 1, 2 D) 5, 2, 3, 1, 4 El complejo pre-Bötzinger a ambos lados del bulbo raquídeo con-