CAPITULO 7

CONTROL DE LA VENTILACION

 
     
     
     
     

 

 
 

 

Si bien en clínica es infrecuente que se necesite medir individualmente  los mecanismos que se analizaran en este capítulo, los conceptos involucrados son esenciales para comprender y manejar múltiples problemas de esta area. Para mantener niveles normales de PaO2 y PaCO2 en las variadas condiciones de demanda metabólica, la ventilación alveolar es regulada por una red de centros y vías neuronales que genera los estímulos que activan rítmicamente, no sólo los músculos respiratorios , sino también los músculos faríngeos que mantienen abierta la vía aérea superior. Aparte de esta función específica, el control de la ventilación opera también en otras actividades de naturaleza muy diferente, como son la fonación, la risa, el llanto, la tos, los estornudos, la regulación del pH, etc.

En este capítulo nos centraremos en aquellos aspectos relacionados con problemas clínicos del control de la respiracion, sin entrar en detalles morfológicos y funcionales del sistema regulador, que pueden ser consultados en los textos especializados.

Para analizar esta función consideraremos las organizaciones neuronales que elaboran e integran los estímulos, las vías que los conducen y los mecanismos aferentes que informan sobre las demandas metabólicas y retroalimentan el sistema.

CENTROS DE LA RESPIRACION

La alternancia de inspiración y espiración es determinada por actividad rítmica y automática de centros nerviosos situados en el tronco cerebral. Estos centros reciben información de otras zonas del cerebro y de sensores situados en diversas partes de organismo , todo lo cual permite que la respiración se adecúe a variadas demandas metabólicas y se coordine para realizar otras funciones diferentes, como la fonación, deglución, risa, tos. etc.

La inspiración comienza por activación de las neuronas inspiratorias, que envían impulsos a la musculatura inspiratoria, básicamente el diafragma, alrededor de cada 5 segundos en el adulto.

Los músculos faríngeos, que estabilizan y mantienen abierta la vía aérea superior, se activan antes que el diafragma y los intercostales, lo que impide que la faringe se colapse por efecto de la presión negativa generada durante la inspiración , mecanismo que puede alterarse patológicamente durante el sueño.

Durante la respiración normal en reposo, la musculatura espiratoria casi no participa, ya que la espiración es un evento pasivo debido a la retracción elástica del pulmón distendido por la inspiración previa. Durante la primera parte de la espiración, persiste alguna activación de los músculos inspiratorios que aminoran la velocidad del flujo aéreo en la primera parte de la espiración Los músculos espiratorios son estimulados sólo cuando aumenta la demanda ventilatoria en forma importante.

MECANISMOS AFERENTES

La información moduladora llega al sistema neuronal por las vías humoral y nerviosa. La sensibilidad de estos mecanismos varía entre individuos y parece estar genéticamente determinada. También se producen adaptaciones adquiridas, como las que ocurren con el crecimiento, con el ejercicio intenso habitual o con la residencia en la altura.

REGULACION HUMORAL

Los principales moduladores humorales de la ventilación son los niveles arteriales de O2, CO2 e hidrogeniones.

CONCENTRACION DE CO2 E HIDROGENIONES

La capacidad de responder a niveles anormales de PaCO2 con cambios en la ventilación alveolar es fundamental para la homeostasis ácido-base y es un mecanismo muy sensible: una alza de PaCO2 de 40 a 50 mmHg sube la ventilación a 30 litros/min.

La hipercapnia aumenta tanto la actividad de las motoneuronas que controlan los músculos de la bomba respiratoria, como de las que estimulan de los músculos faríngeos, que abren la vía aérea.

Para evaluar, en parte, este aspecto se usa la medición de la respuesta ventilatoria a la inhalación de CO2 . La inhalación de concentraciones crecientes de CO2 produce un aumento de la ventilación, tanto por aumento del volumen corriente como de la frecuencia respiratoria (Fig. 7-1).


 

 

 

 

 

 

Figura 7-1. Respuesta ventilatoria al CO2. Los sujetos inspiran mezclas gaseosas con concentraciones elevadas de CO2. La ventilación (E) aumenta en forma lineal dentro del rango estudiado y la respuesta se evalúa mediante la pendiente de la recta (E/PCO2). Esta respuesta se potencia en presencia de hipoxemia. La respuesta es variable de un individuo a otro y se mide a través del cambio de ventilación en litros por minuto, provocado por cada mmHg de aumento de la PaCO2. El promedio normal es de 2.5 L/min/mmHg.

Existen dos tipos de receptores para el CO2: centrales y periféricos.

a) centrales: son los más sensibles al CO2  y sus células receptoras están principalmente ubicadas en el bulbo, en contacto con el líquido cefalorraquídeo (LCR). Sus neuronas son diferentes de las inspiratorias y espiratorias, a las cuales envían su información. Para algunos investigadores el estímulo específico sería el CO2 mismo; para otros sería el cambio de concentración de hidrogeniones que el CO2 determina en el LCR.
b) periféricos: Aunque son básicamente sensores de hipoxemia, también responden a los cambios de pH y PaCOEstán ubicados principalmente en los cuerpos carotídeos y, en menor cantidad, en los cuerpos aórticos. Su información es transmitida a los centros respiratorios a través del noveno y décimo pares craneanos. .Como la mayor parte de la respuesta ventilatoria al CO2 se mantiene luego de la denervación de los quimiorreceptores periféricos, se deduce que los receptores centrales al CO2 son los más importantes en esta respuesta.

Por la existencia de una barrera hematoencefálica de permeabilidad selectiva, el equilibrio ácido-base en el LCR experimenta un desfase con el de la sangre. Entre los factores que influyen en este fenómeno están:

  • • El poder tapón del LCR es bajo, por su baja cantidad de proteínas y por la ausencia de hemoglobina.

  • Los iones HCO3-  difunden muy lentamente desde la sangre al LCR, por lo que en las acidosis y alcalosis metabólicas el pH del LCR inicialmente no varía o lo hace, incluso, en sentido contrario al de la sangre.
  • El CO2, en cambio, difunde libremente, modificando en forma rápida el pH del LCR. Así, un aumento de PaCO2 lleva a un aumento paralelo de la PaCO2 en el LCR, lo que produce un cambio de pH mayor que en la sangre por la escasez de tapones en este compartimiento. Con el tiempo, el bicarbonato del plasma, que traspasa la barrera lentamente y llega a corregir el pH del LCR en forma aun más completa que en la sangre.

La disociación que se observa entre sangre y LCR explica, como lo veremos en patología, que la respuesta de la ventilación ante modificaciones humorales agudas sea diferente a la que se observa en etapas crónicas, en las que hay tiempo para que se produzcan las modificaciones en el LCR. Estos mismos factores explican la evolución de los fenómenos de adaptación ventilatoria que se observan en la altura y en la insuficiencia respiratoria crónica.

NIVEL DE OXIGENACION ARTERIAL

Al contrario de lo que ocurre con el CO2, el nivel de oxígeno arterial es regulado por los receptores periféricos, prácticamente sin participación de los receptores centrales.

Quimiorreceptores periféricos

Los principales receptores periféricos son los carotídeos, situados en la bifurcación de la carótida. Su irrigación proviene de una arteriola que nace directamente de la carótida y provee a las células receptoras de un alto flujo sanguíneo que, por gramo de tejido, es 40 veces mayor que el del cerebro. Los estímulos específicos para su activación son:

a) La disminución de la PaO2. El descenso del contenido de O2 no estimula estos receptores, lo que explica la escasa respuesta ventilatoria que se observa en reposo en la anemia y en la intoxicación por CO, situaciones en las cuales está disminuido el contenido de O2  pero la PaO2 es normal.
b) La disminución del flujo sanguíneo. Este factor actuaría a través de los cambios locales de pH que se producen debido a una menor remoción de metabolitos. Este mecanismo explicaría la hiperventilación que se observa en el shock.

Los quimiorreceptores no modifican su frecuencia de descarga hasta que la PaO2 baja hasta 50-70 mmHg, y su efecto máximo es relativamente escaso, pues aumentan la ventilación alveolar solo en un 68% (Figura 7-2).

Figura 7-2. Respuesta ventilatoria a la hipoxemia. Los sujetos inspiran mezclas gaseosas con concentraciones decrecientes de O2 , lo que disminuye la PaO2 . La ventilación aumenta en forma alinear y entre 100 y 60 mmHg los cambios de PaO2 prácticamente no modifican la E. Bajo esta cifra se produce un ascenso de la E , primero moderado que se torna exponencial por debajo de 40 mmHg

 

Estos receptores periféricos tienen, en cambio, la importante característica de que no se inhiben frente a una serie de condiciones que deprimen los receptores bulbares, como son la propia hipoxemia, la hipercarbia, los hipnóticos, anestésicos, etc. En estas circunstancias la respiración del paciente pasa a depender exclusivamente de la actividad del receptor carotídeo. Por estas características de los quimiorreceptores periféricos, la PaO2 no es el principal factor de regulación durante la respiración normal, pero puede llegar a ser ser vital en condiciones en que hay depresión del sistema nervioso central. Debe destacarse que en algunas condiciones de hipoxemia crónica el cuerpo carotídeo puede llegar a hipertrofiarse hasta 8 veces su tamaño normal. La acción del O2 sobre los quimiorreceptores periféricos se potencia si aumenta la PaCO2 o aumenta la concentración de H+.

Es interesante lo que ocurre con la respuesta ventilatoria de un sujeto que reside a nivel del mar y que sube a zonas de gran altitud. La ventilación aumenta en respuesta a la disminución de la PaO2, aunque no todo lo que cabe esperar, debido al efecto inhibitorio que tiene la alcalosis respiratoria secundaria a la hipocapnia causada por la misma hiperventilación. Con la aclimatación a la altura, el organismo se adapta a una menor PaCO2 y la alcalosis se compensa por disminución del bicarbonato, con lo que disminuyen los factores frenadores de la ventilación y ésta puede aumentar de acuerdo a la magnitud de la hipoxemia.

 

REGULACION NEUROLOGICA

CONTROL CENTRAL VOLUNTARIO

La actividad respiratoria puede ser modificada en forma voluntaria por actividad de la corteza cerebral, pero sólo en forma temporal, ya que los cambios fisiológicos secundarios a la modificación ventilatoria terminan por imponer el control automático. Una hiperventilación voluntaria termina por mareos y pérdida de conciencia secundarios a la alcalosis respiratoria aguda que provoca y una apnea voluntaria tiene una duración limitada por la hipercarbia

CONTROL CENTRAL INCONSCIENTE

. Muchos actos automáticos, como la deglución, fonación, tos, preparación para el ejercicio, etc., involucran una adecuación automática del ritmo respiratorio que es comandada por vía neurológica. Dentro de esta misma categoría cae el jadeo utilizado para el control del calor por algunos animales de pelo largo o que carecen de glándulas sudoríparas, en los cuales el aumento de ventilación superficial sirve para disipar calor sin que se produzca alcalosis respiratoria, porque se ventila sólo el espacio muerto. Además, es una observación común que las emociones influyen marcadamente en la ventilación

REFLEJOS DE ORIGEN PULMONAR

Existen tres tipos de receptores en el pulmón, cuya información va a los centros respiratorios a través del vago:

Receptores de distensión. Son de adaptación lenta y se encuentran en relación con el músculo liso de la vía aérea, cuya elongación en inspiración sería el estímulo específico. Uno de los efectos de la vía refleja en la que participan es la frenación de la inspiración (reflejo de Hering-Breuer) que en algunos animales regularía la alternancia de las fases respiratorias, pero que en el hombre es activo sólo en el recién nacido o cuando se respira con volúmenes corrientes muy grandes.

Receptores de irritación. Son de adaptación rápida y se les supone una finalidad primariamente defensiva. Son estimulados por gases irritantes, estímulos mecánicos, histamina, reacciones alérgicas, congestión pulmonar pasiva, embolia pulmonar, etc. Su respuesta es la broncoconstricción, constricción laríngea y tos. Se localizan preferentemente en la laringe y vías aéreas centrales, aparentemente en relación con el epitelio.

Receptores J o juxtacapilares. Son receptores localizados en el intersticio alveolar, en la cercanía de los capilares. Se estimulan por procesos que comprometen esta área, tales como el edema intersticial y la acción de irritantes químicos. Contribuirían a la taquipnea y a la sensación de disnea que acompaña a estas condiciones. Los impulsos de los receptores de irritación son enviados al centro respiratorio a través del vago.

RECEPTORES MUSCULARES

Los músculos intercostales y el diafragma poseen husos musculares que captan el grado de elongación del músculo. Esta información es importante para el control reflejo de la fuerza de contracción. Se ha planteado que estos receptores intervienen en la sensación de disnea cuando captan que el esfuerzo muscular es excesivo para el efecto ventilatorio que se consigue (capítulo 18). .En los músculos en ejercicio se activarían sensores que captan condiciones locales como acidosis o falta de aporte de oxigeno.Esto último explicaría por que un ejercicio provoca hiperpnea en anemia, a pesar que no lo hace en reposo.

 

INTEGRACION DE LOS MECANISMOS REGULADORES

En un organismo que no está sometido a las condiciones controladas de un experimento, los mecanismos que hemos descrito separadamente operan como un todo. Así, la respuesta global de un individuo ante uno o más estímulos será la suma de:

1.-La acción del o los estímulos sobre los diferentes receptores, cuyas respuestas pueden ser concordantes o contrapuestas.

2.-Las reacciones secundarias del organismo ante estas respuestas.
3.-La asociación de otros estímulos sinérgicos o antagónicos.

4.-La sensibilidad de los receptores, que puede variar por factores concomitantes o fenómenos de adaptación:  

5.-El efecto del factor tiempo.

6.-El estado de la conducción nerviosa.

7.-El estado de los efectores de la ventilación.

Es importante tener presente esta complejidad cuando se pretende intervenir terapéuticamente sobre alguno de los eslabones de la cadena o cuando se quiere interpretar un hecho patológico.

REGULACION DE LA RESPIRACION EN EL EJERCICIO

El ejercicio físico es la condición fisiológica que con mayor frecuencia e intensidad genera una demanda sobre el sistema respiratorio . Para ello los centros reguladores se coordinan en una compleja secuencia cuyo objetivo no es reaccionar ante la alteración de gases ya producida, sino mantener la homeostasia aunque aumente el consumo de O2o la producción de CO2. La eficacia de este proceso puede apreciarse en el hecho que en un ejercicio extremo el consumo de oxigeno puede decuplicar  los 250 ml/min del reposo.

Aunque no todas sus fases y mecanismos tienen un comprobado nivel de evidencia, el proceso puede sintetizarse de la siguiente manera:

Lo primero que aumenta es el volumen corriente, que puede llegar a duplicarse. El organismo evitaría usar volúmenes mayores ya que esto significaría respirar en un nivel de mayor volumen pulmonar tiene menor distensibilidad, o sea, se necesita generar mayores cambios de presión  por unidad de volumen lograda. Si es necesaria mayor ventilación ésta se logra con un menor aumentando la frecuencia respiratoria.

Mejorada la oferta pulmonar de O2el sistema circulatorio es el encargado de transportarla a los músculos aumentando el volumen sistólico y frecuencia cardíaca, lo que puede quintuplicar el volumen de sangre que circula por minuto. Por vasoconstricción selectiva la sangre se deriva de los demás órganos a los músculos en acción que están vasoldilatados , pudiendo cuadruplicar su perfusión, reclutando capilares que en reposo están colapsados. La acidificación y calor local, ligados a la contracción muscular,  también contribuyen a abrir capilares.

Similar efecto se observa en el pulmón en el cual la mayor perfusión significa llevar sangre a los vértices que en posición vertical en reposo forman parte del espacio muerto alveolar. A pesar de esto, a veces se puede producir un aumento de la diferencia alvéolo-arterial porque la sangre venosa vuelve mas insaturada. que en reposo.

En ejercicio leve o moderado, que significa un consumo de O2  alrededor del 50-60% del consumo máximo del individuo, los músculos metabolizan principalmente la glucosa en forma aerobia, liberando mucha energía (36 moléculas de ATP por molécula de glucosa). Si ante un mayor o mas prolongado esfuerzo el aporte O2 no sigue aumentando la metabolizacion de glucosa se hace anaerobia liberándose mucho menos energía (2 ATP por molécula de glucosa) y se forma ácido láctico que, al ser tamponado por bicarbonato produce más CO2. Este umbral anaeróbico depende del nivel usual de actividad física de cada sujeto( en un atleta puede ser de 80% de  su consumo máximo) y  de la eficacia de su pulmón y sistema cardiovascular.

Durante el ejercicio, la PaCO2 no sólo no aumenta, sino que incluso puede disminuir un poco si el ejercicio muy intenso. La PaO2 en general se eleva y el pH se mantiene casi constante hasta el momento en que empieza a producirse ácido láctico.

En la génesis del aumento de la ventilación se han identificado varios estímulos:

  1. Impulsos nerviosos que partirían del encéfalo, al prepararse para el ejercicio.
  2. Estímulos que se originan en las extremidades durante el ejercicio y que son transmitidos por vía nerviosa a los centros respiratorios. Los movimientos pasivos de una extremidad en un animal anestesiado provocan un aumento de la ventilación, fenómeno que se mantiene aunque se liguen los vasos sanguíneos de la extremidad, pero que cesa si se seccionan los nervios. Este mecanismo y el  anterior se consideran como anticipatorios, ya que la ventilación aumenta más de lo que exige la demanda metabólica con la consiguiente alcalosis respiratoria.(Fase neurológica)
  3. Aumento de la producción muscular de CO2, que estimula y aumenta la sensibilidad de los centros bulbares, con incremento de la ventilación, manteniéndose así niveles normales o levemente bajos de CO2 en la sangre arterial. (Fase metabólica)
  4. Con la prolongación del ejercicio , se suma la acumulación de metabolitos musculares, como el ácido láctico, con la consiguiente acidosis que exige hiperventilación compensatoria. Esta situación es la principal responsable de la mantención de una ventilación aumentada durante el período de reposo después del ejercicio (Fase compensatoria)
  5. La disminución de contenido de O2 arterial actuaría en ejercicios intensos a nivel de sensores musculares que captan la baja de disponibilidad local de oxígeno.

En sujetos normales cuando el ejercicio llega a a ser intolerable aun es posible aumentar el volumen corriente y la frecuencia respiratoria y, por lo tanto, la ventilación global . En cambio los aspectos circulatorios como el débito sistólico, frecuencia cardíaca y extracción de oxigeno en los capilares coronarios han llegado o están muy cerca de sus niveles máximos, por lo cual se constituyen en el factor limitante del ejercicio. Diferente puede ser la situación en casos de enfermedad pulmonar o de musculatura de las extremidades alterada.

Terminado el ejercicio la hiperpnea persiste por algunos minutos hasta que se cubre la deuda de O2 que significa el metabolismo anaeróbico.

 

Un hecho de extrema importancia es que parte importante de los mecanismos mencionados están mas desarrollados en las personas con mayor actividad física y que pueden recuperarse, en parte significativa , mediante entrenamiento, en los enfermos

 

 

CONTROL DE LA VENTILACION DURANTE EL SUEÑO

Durante el sueño, la ventilación disminuye más allá de lo esperable por la reducción de las demandas metabólicas: cae 6-10% al pasar del estado vigil a la etapa de sueño no-REM y un 16% al pasar a la etapa REM (rápid eye movements), con la consiguiente caída en la PaO2 y aumento en la PaCO2.

Dos mecanismos contribuyen a la hipoventilación:

a) Aumento de la resistencia de la vía aérea alta por hipotonía de los músculos dilatadores de la faringe. En el individuo despierto, la vía aérea central, que tendería a colapsarse por efecto de la presión negativa inspiratoria intraluminal, se mantiene abierta por estimulación de los músculos dilatadores de la faringe y de la laringe. Durante el sueño, la hipotonía normal de los músculos dilatadores de la faringe provoca un leve aumento de la resistencia al flujo de aire, lo que se traduce muchas veces en ronquidos y, en hombres mayores de 40 años, en episodios cortos y alejados de apnea obstructiva, tema que es abordado en el Capítulo 57

b) Variación de la actividad de los centros respiratorio.

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MEDICION DE LA ACTIVIDAD DE LOS CENTROS RESPIRATORIOS

Dentro del área de la investigación y de la especialización  la actividad de los centros respiratorios se ha estudiado habitualmente midiendo el cambio de la ventilación frente a un determinado estímulo, como es la inhalación de mezclas con concentraciones altas de CO2 o bajas de O2. En condiciones de integridad mecánica del aparato respiratorio, este método resulta adecuado, pero no lo es cuando existen alteraciones del efector toracopulmonar. En estas condiciones, una respuesta ventilatoria disminuida puede deberse tanto a falla del efector como a disminución de la actividad de los centros respiratorios. En la Figura 7-3 se muestra en forma esquemática la serie de estructuras que intervienen en la generación, transmisión y transformación del estímulo en respuesta ventilatoria.

Figura 7-3. La ventilación pulmonar es secundaria a la actividad automática de los centros respiratorios, que se transmite a las motoneuronas de los músculos inspiratorios; el impulso generado por éstas se propaga por los nervios hacia las placas motoras y a los músculos inspiratorios, cuya contracción ensancha la caja torácica, lo que hace más negativas las presiones pleural, alveolar y de vía aérea, hecho que determina la entrada de aire al pulmón. La actividad de los centros respiratorios puede ser evaluada indirectamente mediante la medición de cambios electroneurográficos, electromiográficos, de la presión de vía aérea o del volumen pulmonar, en relación con un estímulo químico como cambios de PaO2 o PaCO2, o mecánicos, como cambio en la resistencia de la vía aérea o elastancia toracopulmonar.

En el esquema se destaca, además, los exámenes que se pueden utilizar para medir la actividad de cada nivel de la cadena. Se ha incluido también los arcos reflejos que pueden modificar la actividad de los centros respiratorios.

Los siguientes parámetros, propios del área especializada, pueden utilizarse como índices más directos de la actividad respiratoria central:

a) El electro-neurograma, que da información experimental sobre la actividad de los centros respiratorios por el registro de los potenciales de acción de un nervio, por lo general del frénico.

b) La electromiografía de los músculos inspiratorios, que tiene el inconveniente de proporcionar información parcial porque es difícil estudiar simultáneamente todos los músculos respiratorios.

c) La presión de oclusión (P 0.1), que es la presión generada por los músculos inspiratorios durante el primer décimo de segundo de una inspiración contra la vía aérea ocluida. Para medirla, el sujeto respira a través de una válvula cuya rama inspiratoria puede ocluirse sin que el sujeto lo note. En este momento los músculos inspiratorios han iniciado su contracción en forma proporcional al estímulo central que han recibido: como se ha interrumpido el flujo aéreo, no hay resistencias friccionales ni cambios de volumen que interfieran en la presión desarrollada. La presión de oclusión así medida es muy reproducible y su valor promedio es de 1,6 ± 0,5 cmH2O.

Se ha demostrado que su medición es válida en todo sujeto que sea capaz de generar una presión inspiratoria máxima que supere los 20 cm H2O, de modo que los trastornos musculares no la modifican, salvo que sean muy avanzados. Tiene la ventaja sobre el neurograma y electromiograma de entregar una información global, ya que capta la activación simultánea de todos los músculos inspiratorios.