CAPÍTULO 36: Regulación de la respiración

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 probables funciones de los grupos dorsal y ventral de las neuronas respiratorias, el centro neumotorácico y el centro apnéusico en el tronco del encéfalo.

• Numerar las funciones respiratorias específicas de los nervios vagos y los receptores respiratorios 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 dióxido 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 respiración. 

• Describir los efectos del ejercicio en la ventilación y el intercambio de oxígeno en los tejidos.

• Definir la respiración periódica y explicar su ocurrencia en varios estados de enfermedad.

La respiración espontánea surge por las descargas rítmicas de las neuronas motoras que inervan los músculos respiratorios. Esta descarga depende por completo de impulsos nerviosos del cerebro; la respiración se detiene si la médula espinal se corta por arriba del origen de los nervios frénicos. Las descargas rítmicas del cerebro que producen la respiración están reguladas por modificaciones en la PO₂, PCO₂ y la concentración de hidrogeniones (H⁺); dicho control químico de la respiración es complementado por varias influencias no químicas. En este capítulo se describen las bases fisiológicas de tales fenómenos.

SISTEMAS DE CONTROL

Dos mecanismos nerviosos separados regulan la respiración. Uno está encargado del control voluntario y el otro, del automático. El sistema voluntario se encuentra en la corteza cerebral y envía impulsos a las neuronas motoras respiratorias mediante los haces corticoespinales. El sistema automático está impulsado por un grupo de células marcapasos en el bulbo raquídeo. Los impulsos de estas células activan neuronas motoras en las porciones cervical y torácica de la médula espinal que inervan los músculos respiratorios. Los de la porción cervical estimulan el diafragma mediante los nervios frénicos y los de la porción torácica hacen lo propio con los músculos intercostales externos. Sin embargo, los impulsos también llegan a la inervación de los músculos intercostales internos y otros músculos espiratorios.

Las neuronas motoras que llegan a los músculos espiratorios se inhiben cuando se activan aquellas que inervan a los músculos inspiratorios y viceversa. Aunque los reflejos raquídeos contribuyen a esta inervación recíproca, esta se debe sobre todo a la actividad de las vías descendentes. Los impulsos de dichas vías excitan a los agonistas e inhiben a los antagonistas. La única excepción a la inhibición recíproca es una ligera actividad en los axones frénicos durante un periodo corto después de la inspiración. Al parecer, la función de esta eferencia posinspiratoria es frenar la recuperación elástica de los pulmones y suavizar la respiración.

SISTEMAS BULBARES

Los principales componentes del generador del patrón de control respiratorio encargados de la respiración automática se localizan en el bulbo raquídeo. La respiración rítmica se inicia en un pequeño grupo de células marcapasos acopladas mediante sinapsis en el complejo pre-Bötzinger (pre-BÖTC) a ambos lados de la médula, entre el núcleo ambiguo y el núcleo reticular lateral (fig. 36-1). Tales neuronas descargan de manera rítmica y producen descargas rítmicas en las neuronas motoras frénicas, las cuales se abolen con la sección entre el complejo pre-Bötzinger y dichas neuronas motoras. Asimismo, ellas establecen contacto con los núcleos hipoglosos y la lengua participa en la regulación de la resistencia de la vía respiratoria.

Las neuronas del complejo pre-Bötzinger producen descargas rítmicas en preparaciones de cortes cerebrales in vitro y, si las secciones sufren hipoxia, la descarga cambia a una relacionada con el jadeo. La adición de cadmio a estos cortes cerebrales causa tipos ocasionales de descarga parecidos a suspiros. Dichas neuronas tienen receptores NK1 y opioides μ e, in vivo, la sustancia P estimula la respiración, pero los opioides la inhiben. La depresión respiratoria es un efecto colateral que limita el uso de los opioides en el tratamiento del dolor. Sin embargo, hoy se sabe que existen receptores 5HT₄ en el complejo pre-Bötzinger y el tratamiento con agonistas 5HT₄ antagoniza el efecto inhibidor de los opioides en la respiración en animales de experimentación, sin bloquear su efecto analgésico.

Además, se conocen grupos dorsal y ventral de neuronas respiratorias en el bulbo raquídeo (fig. 36-2). No obstante, las lesiones de estas neuronas no suprimen la actividad respiratoria; al parecer, estas se proyectan a las neuronas marcapasos pre-Bötzinger.

INFLUENCIAS PONTINAS Y VAGALES

Aunque la descarga rítmica de las neuronas bulbares encargadas de la respiración es espontánea, se modifica por influencia de neuronas en la protuberancia y las aferentes del vago provenientes de receptores en las vías respiratorias y los pulmones. Un área conocida como centro neumotáxico en los núcleos parabraquial medial y de Kölliker-Fuse de la región dorsolateral de la protuberancia contiene neuronas que se activan durante la inspiración y otras que lo hacen en el curso de la espiración. Cuando esta área se daña, la respiración se vuelve más lenta y el volumen por latido aumenta; cuando los nervios vagos también se cortan en animales anestesiados, ocurren espasmos inspiratorios prolongados semejantes a la pausa respiratoria (apneusia; sección B, fig. 36-2). Se desconoce la función normal del centro neumotáxico, pero tal vez participe en el cambio entre la inspiración y la espiración.

El estiramiento de los pulmones durante la inspiración inicia impulsos en las fibras vagales pulmonares aferentes, que inhiben la descarga inspiratoria. Por tal razón, la profundidad de la inspiración se incrementa después de la vagotomía (fig. 36-2) y hay apneusia cuando se cortan los nervios vagos después del daño al centro neumotáxico. La actividad de la retroalimentación vagal no altera la velocidad de elevación de la actividad nerviosa en las neuronas motoras respiratorias (fig. 36-3).

Si la actividad de las neuronas inspiratorias aumenta en animales intactos, se incrementa la frecuencia y la profundidad de la respiración. Dicha profundidad se eleva porque los pulmones se estiran en mayor medida antes que la magnitud de la actividad vagal y del centro neumotáxico sea suficiente para contrarrestar la descarga más intensa de las neuronas inspiratorias. La frecuencia respiratoria aumenta porque la posdescarga de las aferentes vagales y tal vez las neumotáxicas hacia el bulbo raquídeo se contrarrestan con rapidez.

Un incremento en la PCO₂ o la concentración de hidrogeniones en sangre arterial, o un descenso de la PO₂ aumenta el grado de actividad de las neuronas respiratorias en el bulbo raquídeo; los cambios en sentido contrario tienen efecto inhibidor. Los efectos de las variaciones en la química sanguínea sobre la ventilación están mediados por los quimiorreceptores respiratorios, los cuerpos carotídeos y aórticos, así como los grupos de células en el bulbo raquídeo y en otros sitios sensibles a los cambios en la química sanguínea. Se inician los impulsos que estimulan el centro respiratorio. A esto se superpone el control químico de la respiración básico, otras aferentes aportan controles no químicos que afectan la respiración en situaciones particulares (cuadro 36-1).

Los mecanismos reguladores químicos ajustan la ventilación de tal manera que en estados normales, la PCO₂ alveolar se mantiene constante, se combaten los efectos del exceso de hidrogeniones en sangre y la PO₂ se eleva cuando disminuye a un nivel que pudiera ser peligroso. El volumen respiratorio por minuto es proporcional a la tasa metabólica, pero el vínculo entre el metabolismo y la ventilación es el dióxido de carbono, no el oxígeno. Los receptores de los cuerpos carotídeos y aórticos se estimulan por el aumento de la PCO₂ o la concentración de hidrogeniones en la sangre arterial, o por el descenso de la PO₂. Después de la desnervación de los quimiorreceptores carotídeos, se suprime la respuesta a un decremento en la PO₂; el efecto predominante de la hipoxia después de la desnervación de los cuerpos carotídeos es una depresión directa del centro respiratorio. La respuesta a los cambios en la concentración 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 cambios en la PCO₂ arterial solo se altera un poco; esta se reduce no más de 30 a 35%.

CUERPOS CAROTÍDEOS Y AÓRTICOS

Hay un cuerpo carotídeo cerca de la bifurcación carotídea en ambos lados y casi siempre se observan dos o más cuerpos aórticos cerca del cayado aórtico (fig. 36-4). Cada cuerpo (glomo) carotídeo y aórtico contiene islas de dos tipos de células: I y II, que se encuentran rodeadas por capilares sinusoidales fenestrados. Las células del glomo o tipo I están muy relacionadas con terminaciones cóncavas en los nervios aferentes (fig. 36-5). Las células del glomo se parecen a las células cromafines suprarrenales; presentan densos gránulos centrales que contienen catecolaminas, que se liberan por la exposición a hipoxia y cianuro. Las células se estimulan por la hipoxia y parece que el principal transmisor es la dopamina, la cual estimula las terminaciones nerviosas mediante los receptores D₂. Las células tipo II son parecidas a las gliales y cada una rodea a cuatro a seis células tipo I. La función de las células tipo II no está completamente definida.

Fuera de la cápsula de cada cuerpo, las fibras nerviosas adquieren una vaina de mielina, pero solo miden 2 a 5 μm de diámetro y conducen a una velocidad relativamente lenta de 7 a 12 m/s. Las aferentes de los cuerpos carotídeos ascienden al bulbo raquídeo por el seno carotídeo y los nervios glosofaríngeos; las células de los cuerpos aórticos ascienden por los vagos. Los estudios en los que se aísla un cuerpo carotídeo y se perfunde mientras se registra la actividad de sus fibras nerviosas aferentes, muestran la aparición de un aumento gradual en el tránsito de los impulsos de estas fibras aferentes conforme disminuye la PO₂ o aumenta la PCO₂ de tales fibras aferentes (fig. 36-6).

Las células del glomo tipo I tienen conductos de potasio sensibles al oxígeno, cuya conductancia se reduce en proporción al grado de hipoxia al que se exponen. Esto disminuye la salida de iones de potasio (K⁺), despolariza la célula e induce entrada de iones de calcio (Ca²⁺), sobre todo por los conductos de calcio tipo L. La entrada de calcio inicia potenciales de acción y liberación de transmisor, con la excitación subsiguiente de las terminaciones nerviosas aferentes. El músculo liso de las arterias pulmonares posee conductos de potasio similares sensibles al oxígeno, que median la vasoconstricción causada por la hipoxia. Esto contrasta con las arterias sistémicas, que contienen conductos de potasio dependientes de trifosfato de adenosina (ATP); ellos hacen posible mayor salida de iones potasio con la hipoxia y, por consiguiente, inducen vasodilatación en lugar de vasoconstricción.

El flujo sanguíneo de cada 2 mg del cuerpo carotídeo es cercano a 0.04 ml/min, o 2 000 ml/100 g de tejido/min, en comparación con un flujo sanguíneo de 54 ml o 420 ml/100 g/min en el cerebro y los riñones, respectivamente. Como el flujo sanguíneo por unidad de tejido es enorme, las necesidades de oxígeno de las células pueden satisfacerse en gran medida solo con el oxígeno disuelto. Por tanto, los receptores no se estimulan en estados patológicos, como anemia o intoxicación por monóxido de carbono, en los que 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 disminuido. Los receptores se estimulan cuando la PO₂ arterial es baja y si disminuye la cantidad de oxígeno que llega a los receptores por unidad de tiempo a causa de estasis vascular. El cianuro También genera estimulación potente, ya que impide la utilización del oxígeno en los tejidos. En dosis suficientes, la nicotina y la lobelina activan los quimiorreceptores. Asimismo, hay informes de que la infusión de potasio aumenta la velocidad de descarga en las aferentes de los quimiorreceptores, y este incremento tal vez contribuya a la hiperpnea inducida por el ejercicio.

Por su ubicación anatómica, los cuerpos aórticos no se han estudiado con tanto detalle como los carotídeos. Es probable que sus respuestas sean similares, pero de menor magnitud. En seres humanos con extirpación de los cuerpos carotídeos, pero con los aórticos intactos, las respuestas son las mismas comparadas con la desnervación de los cuerpos carotídeos y aórticos en animales: poco cambio de la ventilación en reposo, pero pérdida de la respuesta ventilatoria a la hipoxia y reacción ventilatoria al dióxido de carbono reducida 30%.

En las vías respiratorias, se encuentran los cuerpos neuroepiteliales, compuestos por cúmulos inervados de células que contienen amina. Tales células tienen una corriente de potasio ionizado hacia el exterior que se reduce con la hipoxia, lo cual se esperaría que generara despolarización. Sin embargo, se desconoce la función de estas células sensibles a la hipoxia porque, como se indicó antes, la eliminación de los cuerpos carotídeos solos elimina la respuesta respiratoria a la hipoxia.

QUIMIORRECEPTORES EN EL TRONCO DEL ENCÉFALO

Los quimiorreceptores que median la hiperventilación producida por aumento en la PCO₂ arterial después de la desnervación de los cuerpos carotídeos y aórticos, se localizan en el bulbo raquídeo y, por consiguiente, se llaman quimiorreceptores bulbares. Están separados de las neuronas respiratorias dorsales y ventrales, y se sitúan en la superficie ventral del bulbo raquídeo (fig. 36-7). Los indicios recientes indican que los quimiorreceptores adicionales se encuentran en la vecindad del núcleo del haz solitario, el locus cerúleo y el hipotálamo.

Los quimiorreceptores vigilan la concentración de hidrogeniones en el líquido cefalorraquídeo (LCR), incluido el líquido intersticial cerebral. El dióxido de carbono penetra con facilidad las membranas, también la barrera hematoencefálica, en tanto los hidrogeniones y el bicarbonato (HCO₃^–) las atraviesan despacio. El dióxido de carbono que ingresa al cerebro y al líquido cefalorraquídeo se hidrata pronto. El H₂CO₃ se disocia, por lo que la concentración local de hidrogeniones se eleva. La concentración de hidrogeniones en el líquido intersticial cerebral es paralela a la PCO₂ arterial. Los cambios experimentales en la PCO₂ del LCR tienen efectos menores y variables en la respiración, siempre que la concentración de hidrogeniones se mantenga constante, pero cualquier incremento en dicha concentración en el líquido cefalorraquídeo estimula la respiración. La magnitud de la estimulación es proporcional al aumento en la concentración de hidrogeniones. Por tanto, los efectos del dióxido de carbono en la respiración se deben sobre todo a su desplazamiento hacia el líquido cefalorraquídeo y el líquido intersticial cerebral, donde aumenta la cifra de hidrogeniones y estimula los receptores sensibles a los iones de hidrógeno.

RESPUESTAS VENTILATORIAS A LOS CAMBIOS EN EL EQUILIBRIO ACIDOBÁSICO

En la acidosis metabólica generada, por ejemplo por acumulación de cuerpos cetónicos ácidos en la circulación de pacientes diabéticos, existe una estimulación respiratoria pronunciada (respiración de Kussmaul). La hiperventilación disminuye la PCO₂ alveolar (“expulsa el dióxido de carbono”) y así produce un descenso compensador en la concentración sanguínea de hidrogeniones. Por el contrario, en la alcalosis metabólica causada, por ejemplo, por el vómito prolongado con pérdida de ácido clorhídrico, la ventilación se deprime y la PCO₂ se eleva, lo cual incrementa la concentración de hidrogeniones hacia el valor normal. Si hay un aumento ventilatorio que no se deba al aumento de la concentración arterial de hidrogeniones, la caída de la PCO₂ reduce la concentración de estos por debajo de lo normal (alcalosis respiratoria); por el contrario, la hipoventilación que no es consecutiva a la disminución de la concentración plasmática de hidrogeniones, causa acidosis respiratoria.

RESPUESTAS VENTILATORIAS AL DIÓXIDO DE CARBONO

La PCO₂ arterial normal se conserva en 40 mmHg. Cuando la PCO₂ arterial se eleva a causa del aumento en el metabolismo, se estimula la ventilación y se incrementa la velocidad de excreción pulmonar de dióxido de carbono hasta que la PCO₂ se normaliza, lo cual termina con el estímulo. La operación de este mecanismo de retroalimentación conserva la excreción y la producción de dióxido de carbono en equilibrio.

Cuando se inhala una mezcla de gas que contiene CO₂, la presión alveolar de este compuesto se eleva, lo cual aumenta la PCO₂ arterial y estimula la ventilación en cuanto la sangre que contiene más dióxido de carbono llega al bulbo raquídeo. La eliminación de este último gas se incrementa y la PCO₂ alveolar regresa a la normalidad. Por tal razón, las elevaciones grandes en la PCO₂ del gas inspirado (p. ej., 15 mmHg) generan aumentos relativamente pequeños en la PCO₂ alveolar (p. ej., 3 mmHg). Sin embargo, esta última no regresa a lo normal y se alcanza un nuevo equilibrio en el que se encuentra un poco elevada y la hiperventilación persiste, siempre que se inhale dióxido de carbono. La relación lineal entre el volumen respiratorio por minuto y la PCO₂ alveolar se muestra en la figura 36-8.

Por supuesto que esta linealidad tiene un límite superior. Cuando la PCO₂ del gas inspirado está cerca de la PCO₂ alveolar, la eliminación de este gas se vuelve difícil. Cuando el contenido de dióxido de carbono en el gas inspirado es mayor de 7%, las PCO₂ alveolar y arterial empiezan a incrementarse de manera súbita a pesar de la hiperventilación. La acumulación resultante de dióxido de carbono en el organismo (hipercapnia) deprime al SNC, incluido el centro respiratorio; ocurre cefalea, confusión y, al final, coma (narcosis por dióxido de carbono).

RESPUESTA VENTILATORIA A LA DEFICIENCIA DE OXÍGENO

Si el contenido de oxígeno del aire inspirado disminuye, el volumen ventilatorio por minuto aumenta. La estimulación es ligera cuando la PO₂ en el aire inspirado es mayor de 60 mmHg y solo hay una estimulación marcada con cifras menores de PO₂ (fig. 36-9). Sin embargo, cualquier disminución en la PO₂ arterial por debajo de 100 mmHg causa incremento en la descarga de los nervios de los quimiorreceptores carotídeo y aórtico. Hay dos razones por las que este incremento en el tránsito de impulsos no aumenta la ventilación en cualquier medida en personas normales, hasta que la PO₂ es menor de 60 mmHg. Primero, como la hemoglobina es un ácido más débil que la oxihemoglobina (HbO₂), existe un leve descenso en la concentración de hidrogeniones en sangre arterial cuando la PO₂ arterial se halla menos saturada con oxígeno. La disminución en la concentración de hidrogeniones tiende a inhibir la respiración. Además, cualquier incremento en la ventilación que ocurra reduce la PCO₂ alveolar, y esto también tiende a impedir la respiración. Por tanto, los efectos estimulantes de la hipoxia en la ventilación no son muy manifiestos hasta que se tornan lo bastante fuertes para rebasar los efectos inhibidores contrarios de un declive en la concentración arterial de hidrogeniones y la PCO₂.

En la figura 36-10 se grafican los efectos ventilatorios del descenso de la PO₂ alveolar mientras se conserva constante la PCO₂ alveolar. Cuando esta última se estabiliza en un nivel de 2 a 3 mmHg por arriba de lo normal, existe una relación inversa entre la ventilación y la PO₂ alveolar, incluso en el intervalo de 90 a 110 mmHg, pero cuando la PCO₂ alveolar se fija en valores menores de lo normal, la hipoxia no estimula la ventilación hasta que la PO₂ alveolar caiga por debajo de 60 mmHg.

EFECTOS DE LA HIPOXIA EN LA CURVA DE RESPUESTA DEL DIÓXIDO DE CARBONO

Cuando se realiza el experimento contrario, es decir, cuando la PO₂ se mantiene constante mientras se prueba la respuesta a cantidades variables de dióxido de carbono inspirado, se obtiene una reacción lineal (fig. 36-11). Si se valora la respuesta de dióxido de carbono a distintos valores fijos de PO₂, la pendiente de la curva de respuesta cambia, se hace más marcada si disminuye la PO₂ alveolar. En otras palabras, la hipoxia vuelve al individuo más sensible a los aumentos en la PCO₂ arterial. Sin embargo, no se modifica el nivel de PCO₂ alveolar en el que las curvas de la figura 36-11 se cruzan. En la persona normal, esta cifra umbral está justo debajo de la PCO₂ alveolar normal, lo cual indica que en condiciones habituales hay un “impulso del dióxido de carbono” ligero, pero definitivo, en el área respiratoria.

EFECTO DE LOS HIDROGENIONES EN LA RESPUESTA DEL DIÓXIDO DE CARBONO

Los efectos estimulantes de los hidrogeniones y el dióxido de carbono en la respiración parecen ser aditivos y no complejamente interrelacionados, como los de dióxido de carbono y el oxígeno. En la acidosis metabólica, las curvas de respuesta al dióxido de carbono son similares a las de la figura 36-11, salvo que se desvían a la izquierda. En otras palabras, aparece una estimulación respiratoria de la misma magnitud con cifras arteriales más bajas de PCO₂. Se calcula que la curva de respuesta del dióxido de carbono se desvía 0.8 mmHg a la izquierda por cada nanomol de aumento en los hidrogeniones arterial. Se elimina cerca de 40% de la reacción ventilatoria al dióxido de carbono si se previene el aumento del hidrogenión arterial causado por este gas. Como se indicó antes, tal vez 60% restante se deba al efecto del dióxido de carbono en el líquido espinal o a la concentración de hidrogeniones en el líquido intersticial cerebral.

PAUSA RESPIRATORIA

La respiración puede inhibirse por control voluntario por algún tiempo, pero al final se vence este control. El punto en el que la respiración ya no puede impedirse de forma voluntaria se llama punto de quiebre. Este se debe al aumento de la PCO₂ arterial y al descenso de la PO₂. Las personas pueden detener la respiración más tiempo luego de eliminar los cuerpos carotídeos. La respiración de oxígeno al 100% antes de detener la respiración eleva la PO₂ al principio, por lo que el punto de quiebre se retrasa. Lo mismo se aplica a la hiperventilación de aire ambiental, ya que se expulsa dióxido de carbono y la PCO₂ es más baja al principio. Al parecer hay factores reflejos o mecánicos que influyen en el punto de quiebre, ya que los sujetos que pausan la respiración lo más posible y luego respiran una mezcla gaseosa baja en oxígeno y alta en dióxido de carbono pueden detener la respiración por cerca de 20 s más. Los factores psicológicos también participan y los sujetos pueden interrumpir la respiración más tiempo cuando se les dice que su desempeño es muy bueno en comparación a cuando no se les dice.

RESPUESTAS MEDIADAS POR RECEPTORES EN VÍAS RESPIRATORIAS Y PULMONES

Los receptores de las vías respiratorias y los pulmones están inervados por fibras vagales mielinizadas y no mielinizadas. Estas últimas son fibras C. Los receptores inervados por las fibras mielinizadas a menudo se dividen en receptores de adaptación lenta y receptores de adaptación rápida con base en si la estimulación sostenida genera descarga prolongada o pasajera en las fibras nerviosas aferentes (cuadro 36-2). Se supone que el otro grupo de receptores consiste en terminaciones de fibras C y se clasifican en subgrupos pulmonar y bronquial según su ubicación.

El acortamiento de la inspiración que produce la actividad aferente vagal (fig. 36-3) está mediado por receptores de adaptación lenta, como los reflejos de Hering-Breuer. El reflejo de inflación de Hering-Breuer es un aumento en la duración de la espiración originado por la inflación pulmonar constante, y el reflejo de desinflación de Hering-Breuer corresponde al decremento en la duración de la espiración producido por la desinflación marcada de los pulmones. Como los receptores de adaptación rápida son estimulados por sustancias como la histamina, se les llama receptores irritantes. La activación de los receptores de adaptación rápida en la tráquea causa tos, broncoconstricción y secreción mucosa; la activación de los receptores de activación rápida en los pulmones tal vez ocasione hiperpnea.

Las terminaciones de las fibras C se hallan cerca de los vasos pulmonares y se les denomina receptores J (yuxtacapilares, [juxtacapillary]). Estos se estimulan por la hiperinflación pulmonar, pero reaccionan también a la administración intravenosa o intracardiaca de sustancias, como la capsaicina. La reacción refleja generada es la apnea, seguida de respiración rápida, bradicardia e hipotensión (quimiorreflejo pulmonar). Se obtiene una respuesta similar con los receptores del corazón (reflejo de Bezold-Jarisch o quimiorreflejo coronario). La participación fisiológica de este reflejo es incierta, pero quizá se presente en estados patológicos, como congestión pulmonar o embolismo, en los cuales aquél se debe a sustancias endógenas.

TOS Y ESTORNUDO

La tos inicia con una inspiración profunda seguida de espiración forzada a través de la glotis cerrada. Esto aumenta la presión intrapleural a 100 mmHg o más. Luego, la glotis se abre de manera súbita, lo cual da lugar a la salida explosiva de aire a velocidades de hasta 965 km/h. El estornudo es un esfuerzo espiratorio similar con la glotis abierta todo el tiempo. Estos reflejos expulsan irritantes y conservan limpias las vías respiratorias. En el recuadro clínico 36-1 se consideran otros aspectos de la inervación en un caso especial.

AFERENTES DE LOS PROPIOCEPTORES

Algunos experimentos controlados de manrea cuidadosa muestran que los movimientos activos y pasivos de las articulaciones estimulan la respiración, tal vez porque los impulsos en las vías aferentes de los propioceptores en músculos, tendones y articulaciones estimulan las neuronas inspiratorias. Posiblemente este efecto ayude a aumentar la ventilación durante el ejercicio. Otras vías aferentes se consideran en el recuadro clínico 36-2.

COMPONENTES RESPIRATORIOS DE LOS REFLEJOS VISCERALES

La inhibición de la respiración y el cierre de la glotis durante el vómito, la deglución y los estornudos no solo evita la aspiración de alimento hacia la tráquea, en el caso del vómito, también fija el tórax para que la contracción de los músculos abdominales aumente la presión intraabdominal. Hay cierre de la glotis e inhibición de la respiración similares durante el pujo voluntario y el involuntario.

El hipo constituye una contracción espasmódica del diafragma y otros músculos inspiratorios; esto origina una inspiración durante la cual la glotis se cierra de forma súbita. El cierre glótico es el causante de la sensación y el sonido característicos. El hipo ocurre en el feto dentro del útero y durante toda la vida extrauterina. Su función se desconoce. La mayoría de los episodios de hipo es de corta duración y a menudo responde a la pausa respiratoria u otras medidas que aumentan la PCO₂ arterial. El hipo intratable, que puede ser debilitante, a veces reacciona a los antagonistas de la dopamina y tal vez a algunos compuestos analgésicos de acción central.

El bostezo es un acto respiratorio peculiar “contagioso”, cuyas bases e importancia fisiológicas se desconocen. Como el hipo, se observa en la vida intrauterina; existe en peces y tortugas, así como en los mamíferos. Ya se desacreditó la idea de que es necesario para aumentar el ingreso de oxígeno. Los alveolos hipoventilados presentan tendencia a colapsar y se sugirió que la inspiración profunda con estiramiento de los mismos previene el desarrollo de atelectasias. Sin embargo, en experimentos reales no pudo demostrarse que el bostezo tuviera un efecto preventivo de estas últimas. El bostezo aumenta el retorno venoso al corazón, lo cual beneficia la circulación; se sugirió que es una señal no verbal empleada para la comunicación entre monos en un grupo y podría argumentarse que a un nivel distinto, lo mismo se aplica a los seres humanos.

EFECTOS RESPIRATORIOS DE LA ESTIMULACIÓN DE LOS BARORRECEPTORES

Las fibras aferentes de los barorreceptores en senos carotídeos, cayado aórtico, aurículas y ventrículos relevan la información a las neuronas respiratorias, así como a las neuronas vasomotoras e inhibidoras cardiacas en el bulbo raquídeo. Los impulsos de estos receptores impiden la respiración, pero el efecto inhibidor es leve y tiene poca importancia fisiológica. En el estado de choque, la hiperventilación se debe a estimulación de los quimiorreceptores causada por acidosis e hipoxia consecutivas al estancamiento local del flujo sanguíneo; aquélla no está mediada por barorreceptores. La actividad de las neuronas inspiratorias influye en la presión sanguínea y la frecuencia cardiaca, y la actividad de las áreas vasomotora y cardiaca del bulbo raquídeo quizá cause efectos menores en la respiración.

EFECTOS DEL SUEÑO

La respiración se controla de modo menos riguroso durante el sueño en comparación con la vigilia, los adultos normales tienen breves periodos de apnea durante el sueño. Los cambios en la respuesta ventilatoria a la hipoxia varían. Si la PCO₂ cae durante la vigilia, varios estímulos de los propioceptores y el ambiente mantienen la respiración, pero en el curso del sueño estos estímulos se hallan disminuidos y el descenso de la PCO₂ puede causar apnea. Durante el sueño con movimientos oculares rápidos, la respiración es irregular y la respuesta al dióxido de carbono es muy variable.

ASFIXIA

En la asfixia generada por oclusión de la vía respiratoria, se desarrollan juntas la hipercapnia y la hipoxia agudas. La estimulación respiratoria es pronunciada, con esfuerzos respiratorios violentos. La presión sanguínea y la frecuencia cardiaca se elevan de manera aguda, aumenta la secreción de catecolaminas y el pH sanguíneo tiene una reducción súbita. Al final los esfuerzos 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 a la fibrilación ventricular, tal vez por la combinación de daño miocárdico hipóxico y los valores altos de catecolaminas circulantes. Si no se inicia la respiración artificial, el paro cardiaco ocurre en 4 o 5 min.

AHOGAMIENTO

Este corresponde a la asfixia generada por inmersión, casi siempre en agua. En cerca de 10% de los ahogamientos, los primeros 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 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 plasma y causa hemólisis intravascular. El agua de mar es muy hipertónica y atrae líquido desde el sistema vascular a los pulmones; esto reduce el volumen plasmático. El objetivo inmediato en el tratamiento del ahogamiento es la reanimación, por supuesto, pero las medidas terapéuticas a largo plazo también deben considerar los efectos circulatorios del agua en los pulmones.

RESPIRACIÓN PERIÓDICA

Los efectos agudos de la hiperventilación voluntaria demuestran la interacción de los mecanismos químicos que regulan la respiración. Cuando una persona normal hiperventila durante 2 a 3 min, se detiene y permite que la respiración continúe sin ejercer un control voluntario sobre ésta, hay un periodo de apnea. Este va seguido de unas cuantas respiraciones superficiales y luego otro periodo de apnea, seguido de nuevo por unas cuantas respiraciones (respiración periódica). Los ciclos pueden durar algún tiempo antes de reanudarse la respiración normal (fig. 36-12). Al parecer, la apnea se debe a la falta de dióxido de carbono porque no se presenta luego de la hiperventilación con mezclas de gas que contienen 5% de dióxido de carbono. Durante la apnea, la PO₂ alveolar cae y la PCO₂ se eleva. La respiración continúa por la estimulación hipóxica de los quimiorreceptores carotídeos y aórticos antes que el nivel de dióxido de carbono se normalice. Unas cuantas respiraciones eliminan el estímulo hipóxico y la respiración se detiene hasta que la PO₂ cae de nuevo. Sin embargo, la PCO₂ regresa de forma gradual a la normalidad y se reanuda la respiración habitual. Los cambios en los tipos respiratorios tal vez sean síntoma de enfermedad (recuadro clínico 36-3).

El ejercicio representa un ejemplo fisiológico para explorar muchos de los sistemas de control explicados antes. Por supuesto que deben operar muchos mecanismos cardiovasculares y respiratorios de manera integrada para satisfacer las necesidades de oxígeno del tejido activo, así como para eliminar del organismo el dióxido de carbono y el calor adicionales durante el ejercicio. Los cambios circulatorios aumentan el flujo sanguíneo muscular al tiempo que mantienen la circulación adecuada en el resto del cuerpo. Además, se incrementa la extracción de oxígeno de la sangre en los músculos activos, así como la ventilación. Esto aporta oxígeno adicional, elimina parte del calor y excreta el dióxido de carbono adicional. A continuación, se presenta una descripción enfocada en la regulación ventilatoria y el oxígeno hístico, ya que muchos otros aspectos de la regulación se analizaron en los capítulos previos.

CAMBIOS EN LA VENTILACIÓN

Durante el ejercicio, se eleva la cantidad de oxígeno que entra a la sangre en los pulmones porque la cantidad de oxígeno agregada a cada unidad de sangre y el flujo sanguíneo pulmonar por minuto aumentan. La PO₂ de sangre que fluye a los capilares pulmonares disminuye de 40 a 25 mmHg o menos, por lo que el gradiente alveolocapilar de PO₂ se incrementa y entra más oxígeno en la sangre. El flujo sanguíneo por minuto se eleva de 5.5 L/min hasta 20 a 35 L/min. Por tanto, la cantidad total de oxígeno que ingresa a la sangre aumenta de 250 ml/min en reposo hasta valores de 4 000 L/min. La cantidad de dióxido de carbono eliminada de cada unidad de sangre se eleva y la excreción de dióxido de carbono se incrementa de 200 ml/min hasta 8 000 L/min. El aumento en la captación de oxígeno es proporcional a la carga de trabajo, hasta un máximo. Por arriba de este máximo, el consumo de oxígeno se nivela y la concentración sanguínea de lactato continúa creciendo (fig. 36-13). El lactato proviene de los músculos en los cuales la síntesis aeróbica de las reservas energéticas no puede conservarse al ritmo de su utilización; por ello se incurre en una deuda de oxígeno.

La ventilación aumenta de forma súbita al inicio del ejercicio, luego sigue una pausa breve con un incremento ulterior más gradual (fig. 36-14). Con el ejercicio moderado, el incremento se debe sobre todo a un aumento en la profundidad de la respiración; esto se acompaña de incremento en la frecuencia respiratoria cuando el ejercicio es más intenso. La ventilación disminuye de manera abrupta cuando el ejercicio se interrumpe, le sigue una pausa breve y luego un declive más parcial hasta los valores previos al ejercicio. Es probable que el incremento súbito al principio del ejercicio se deba a estímulos psíquicos e impulsos aferentes de los propioceptores en músculos, tendones y articulaciones. El aumento más gradual tal vez sea de origen humoral, aunque el pH, la PCO₂ y la PO₂ permanecen relativamente constantes durante el ejercicio moderado. La elevación de la ventilación es proporcional a la del consumo de oxígeno, pero aún se debate mucho sobre los mecanismos que estimulan la respiración. Quizá participe el aumento de la temperatura corporal. El ejercicio incrementa la concentración plasmática de iones potasio y este aumento podría estimular los quimiorreceptores periféricos. Además, tal vez aumente la sensibilidad de las neuronas que controlan la respuesta al dióxido de carbono o quizá las fluctuaciones respiratorias en la PCO₂ arterial se eleven, de manera que aunque la PCO₂ arterial media no aumenta, el dióxido de carbono es la causa del incremento en la ventilación. Asimismo, al parecer el oxígeno participa a pesar de la falta de descenso en la PO₂ arterial, ya que durante la realización de un trabajo de cierta magnitud, el aumento en la ventilación cuando se respira oxígeno al 100% es 10 a 20% menor comparado con el incremento mientras se respira aire ambiental. Por ende, por ahora parece que distintos factores se combinan para generar el aumento observado en la ventilación durante el ejercicio moderado.

Cuando el ejercicio se vuelve más vigoroso, la amortiguación de las mayores cantidades de ácido láctico que se produce libera más dióxido de carbono, lo que incrementa aún más la ventilación. La respuesta al ejercicio graduado se muestra en la figura 36-15. Con la elevación de la producción de ácido, los incrementos en la ventilación y la síntesis de dióxido de carbono se mantienen proporcionales; por ello, el dióxido de carbono alveolar y arterial cambia relativamente poco (amortiguación isocápnica). La PO₂ alveolar se eleva a causa de la hiperventilación. Con la acumulación adicional de ácido láctico, el aumento 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 causa una compensación respiratoria para la acidosis metabólica inducida por el ácido láctico adicional. El aumento ulterior en la ventilación producido por la acidosis depende de los cuerpos carotídeos y no ocurre si estos se extirpan.

La frecuencia respiratoria después del ejercicio no llega a valores basales hasta no reponer la deuda de oxígeno. Esto quizá tarde hasta 90 min. El estímulo para la ventilación después del ejercicio no es la PCO₂ arterial, la cual es normal o baja, ni la PO₂ arterial, que es normal o elevada, sino la concentración arterial alta de hidrogeniones consecutiva a la acidemia láctica. La magnitud de la deuda de oxígeno es la cantidad a la cual el consumo de oxígeno rebasa al consumo basal desde el final del esfuerzo hasta que el consumo de oxígeno regresa a los niveles previos al ejercicio. Durante el pago de la deuda de oxígeno, la concentración de este en la mioglobina muscular se eleva un poco. Se sintetizan de nuevo ATP y fosforilcreatina, y se elimina el ácido láctico, del cual 80% se convierte en glucógeno y 20% se metaboliza hasta dióxido de carbono y agua (H₂O).

CAMBIOS EN LOS TEJIDOS

La captación máxima de oxígeno durante el ejercicio está limitada por la velocidad máxima a la que se transporta este gas a las mitocondrias en el músculo activo. Sin embargo, tal limitación no suele deberse a la captación deficiente de oxígeno en los pulmones; la hemoglobina de la sangre arterial se halla saturada, incluso durante el ejercicio más intenso.

Durante el ejercicio, los músculos que se contraen usan más oxígeno y la PO₂ del tejido y de la sangre venosa proveniente del músculo activo cae casi a cero. Más oxígeno difunde desde la sangre, la PO₂ de la sangre en los músculos se reduce súbitamente y se extrae más oxígeno de la hemoglobina. Como el lecho capilar del músculo activo se dilata y se abren muchos capilares que habían estado cerrados, la distancia media desde la sangre a las células de ese tejido disminuye mucho; esto facilita el desplazamiento de oxígeno de la sangre a las células. La curva de disociación de oxígeno-hemoglobina tiene una pendiente marcada en el intervalo de PO₂ menor de 60 mmHg; se aporta una cantidad relativamente grande de oxígeno por cada descenso de 1 mmHg en la PO₂ (fig. 35-2). Se aporta oxígeno adicional porque como resultado de la acumulación de dióxido de carbono y el aumento en la temperatura de los tejidos activos (y tal vez por un incremento en el 2,3-difosfoglicerato eritrocítico), la curva de disociación se desplaza a la derecha. El efecto neto es un incremento al triple en la extracción de oxígeno de cada unidad de sangre (fig. 35-3). Como este aumento se acompaña de una elevación de 30 veces o más en el flujo sanguíneo, es posible que la tasa metabólica del músculo aumente hasta 100 veces durante el ejercicio.

TOLERANCIA AL EJERCICIO Y FATIGA

¿Qué determina la máxima cantidad de ejercicio que puede realizar una persona? Es obvio que la tolerancia al ejercicio tiene una dimensión de tiempo y una de intensidad. Por ejemplo, un varón joven con buena condición física puede generar una potencia cercana a 700 watts por un minuto en una bicicleta, 300 watts por 5 min y 200 watts durante 40 min. Solía argumentarse que los factores limitantes en el desempeño de ejercicio eran la velocidad a la cual podía aportarse oxígeno a los tejidos o la velocidad a la que el oxígeno era capaz de entrar en el organismo y en los pulmones. Estos factores participan, pero está claro que otros elementos también contribuyen a que el ejercicio se detenga cuando la sensación de fatiga progresa a la sensación de agotamiento. La fatiga surge en parte por el bombardeo al cerebro con impulsos nerviosos provenientes de los músculos y porque el declive del pH sanguíneo generado por la acidosis láctica también hace que el sujeto se sienta cansado, así como el incremento de la temperatura corporal, la disnea y, tal vez, la sensación incómoda producida por la activación de los receptores J en los pulmones.

• La respiración está bajo el control voluntario (ubicado en la corteza cerebral) y la regulación automática (impulsada por células marcapasos en el bulbo raquídeo). Existe inervación recíproca en los músculos espiratorios e inspiratorios, ya que las neuronas motoras que inervan los músculos espiratorios se encuentran inactivas cuando las neuronas motoras de los músculos inspiratorios están activas y viceversa.

• El complejo pre-Bötzinger a ambos lados del bulbo raquídeo contiene células marcapaso acopladas mediante sinapsis que permiten la generación rítmica de la respiración. La actividad espontánea de estas neuronas puede alterarse a causa de las neuronas del centro neumotáxico, aunque no se comprende la función reguladora total de estas neuronas en la respiración normal.

• Los tipos respiratorios son sensibles a sustancias químicas en la sangre mediante la activación de quimiorreceptores respiratorios. Hay quimiorreceptores en los cuerpos carotídeos y aórticos, así como en grupos celulares del bulbo raquídeo. Estos quimiorreceptores reaccionan a los cambios en la PO₂ y la PCO₂, así como a los hidrogeniones para regular la respiración.

• Además, los receptores de la vía respiratoria están inervados por fibras vagales mielinizadas de adaptación rápida. Los receptores de adaptación lenta pueden activarse con la inflación pulmonar. Los receptores de adaptación rápida, o receptores de irritantes, se activan por sustancias como la histamina; estos generan tos e incluso hiperpnea.

• Los receptores de las vías respiratorias también se hallan inervados por fibras vagales no mielinizadas (fibras C), las cuales casi siempre se encuentran junto a los vasos pulmonares. Aquéllos se estimulan a causa de la hiperinflación (o sustancias exógenas, incluida capsaicina) e inducen un reflejo químico pulmonar. No se comprende aún la participación fisiológica de esta respuesta.