El ciclo respiratorio y regulación

La respiración, también conocida como ventilación, es el proceso por el cual el aire entra y sale de los pulmones. Consiste en ciclos repetitivos de inspiración, cuando el aire entra en los pulmones; espiración, cuando el aire sale de los pulmones; y una breve pausa, llamada periodo de descanso, entre ambos.

Ahora bien, la dirección del flujo de aire a lo largo del ciclo respiratorio depende de la diferencia entre la presión atmosférica, que es la presión del aire en el ambiente, y la presión alveolar, o la presión dentro de los alvéolos, que son los diminutos sacos de aire donde se produce el intercambio gaseoso en los pulmones.

Un parámetro adicional es la presión intrapleural, también llamada presión intratorácica, que es la presión del líquido dentro de la cavidad pleural que rodea los pulmones.

La presión intrapleural suele ser negativa en comparación con la presión alveolar o atmosférica, y esto es importante, porque la presión alveolar menos la presión intrapleural da como resultado la presión transmural.

Mientras la presión transmural se mantenga positiva, las vías respiratorias permanecerán abiertas durante todas las fases del ciclo respiratorio.

La respiración normal y tranquila implica la inspiración y espiración de un volumen corriente, o VC para abreviar, de unos 500 mL, que incluye el volumen de aire que llena los alvéolos más el volumen de aire que llena las vías respiratorias.

Ahora bien, según lo que se conoce como ley de Boyle, a temperatura constante, la presión y el volumen están inversamente relacionados entre sí, por lo que, cuando la presión alveolar disminuye, entrará más aire en los pulmones y aumentará el volumen de aire.Teniendo esto en cuenta, establezcamos el punto de partida de estas variables observando los pulmones durante la fase de reposo del ciclo respiratorio.

Durante el reposo, el diafragma se encuentra en su posición de equilibrio. La presión alveolar es igual a la presión atmosférica a un valor de cero centímetros de H2O, por lo que no hay gradiente de presión y no entra ni sale aire de los pulmones.

La presión intrapleural es negativa, aproximadamente -5 cm H2O, porque los pulmones y la pared torácica actúan como fuerzas opuestas, lo que significa que los pulmones tienen tendencia a colapsarse durante el reposo, mientras que la pared torácica tiene tendencia a expandirse.

Dado que la presión alveolar, que es de 0 cm H2O, menos la presión intrapleural, que es de -5 cm H2O, es igual a una presión transmural de +5 cm H2O, eso significa que las vías respiratorias están abiertas durante el reposo.

Ahora bien, la inspiración, y un nuevo ciclo respiratorio, comienzan cuando se produce una variación de la presión arterial de oxígeno, o PaO2, que normalmente es de unos 100 mmHg; de la presión arterial de dióxido de carbono, o PaCO2, normalmente de unos 40 mmHg; y del pH arterial, que normalmente es de 7,4.

Los cambios relacionados con estos marcadores activan una serie de receptores, llamados quimiorreceptores, que son células sensoriales especializadas que convierten la concentración de una sustancia química en la sangre, como el dióxido de carbono o el oxígeno, en una señal biológica para el centro respiratorio, situado en el tronco del encéfalo.

El centro respiratorio consta de tres grandes grupos de neuronas respiratorias. El grupo respiratorio dorsal y el grupo respiratorio ventral se encuentran en la medulla oblongata, mientras que el grupo respiratorio pontino se encuentra en la protuberancia y consta de dos zonas, conocidas como centro neumotáxico y centro apneúsico.De ellos, el grupo respiratorio dorsal, o GRD, es el que inicia la respiración, y también determina el ritmo básico de la respiración ajustando la frecuencia de la inspiración para mantener la PaO2, la PaCO2 y el PH arterial en el rango normal.

Cuando el GRD recibe información sobre el aumento de la PaCO2, envía una orden a través del nervio frénico al diafragma, que se contrae para aumentar la longitud vertical de la cavidad torácica, y a través de los nervios intercostales a los músculos intercostales externos, que se contraen y hacen que las costillas se muevan hacia arriba y hacia fuera, aumentando el tamaño lateral de la cavidad torácica.

Según la ley de Boyle, a medida que aumenta el volumen pulmonar, disminuye la presión alveolar, concretamente a -1 cm H2O.

Esta es inferior a la presión atmosférica, por lo que ahora hay un gradiente de presión, que hace que el aire se precipite hacia los pulmones como un vacío.

Con el tiempo, todo este aire hace que la presión alveolar vuelva a subir y, una vez que se iguala a la presión atmosférica, el flujo de aire hacia el pulmón se detiene.

Al mismo tiempo, al aumentar el volumen pulmonar, se comprime la cavidad intrapleural, pero la presión intrapleural permanece siempre inferior a la presión alveolar, y alcanza el valor de -8 cm H2O al final de una inspiración normal.

Esto significa que la presión transmural permanece positiva en un valor de 8 cm H2O, y las vías respiratorias permanecen abiertas.

Así pues, el volumen presente en los pulmones al final de una inspiración normal es la suma del volumen corriente y el volumen de aire que queda en los pulmones al final de la espiración anterior, lo que se denomina capacidad residual funcional, o CRF.Ahora bien, cuando las necesidades de oxígeno son mayores, como durante el ejercicio, se activa el centro apneúsico de la protuberancia (o puente de Varolio).

La estimulación de las neuronas del centro apnéusico excita el grupo respiratorio dorsal en la médula, prolongando el periodo de potenciales de acción en el nervio frénico y, por tanto, la contracción del diafragma, lo que conduce a una inspiración prolongada.

Además, los músculos intercostales externos que se encuentran entre las costillas y los músculos accesorios, como los esternocleidomastoideos y escalenos del cuello, también se contraen durante una inspiración vigorosa, haciendo que las costillas se muevan hacia arriba y hacia fuera.

Por último, llevemos este escenario al extremo: Digamos que está haciendo un ejercicio muy intens, y sucentro apnéusico estaba tan hiperestimulado que todavía estaba tratando de hacerle inhalar cuando sus pulmones ya estaban completamente inflados.

Para evitarlo, se activa el centro neumotáxico, que limita el estallido de potenciales de acción en el nervio frénico y hace que el diafragma se contraiga menos.

Esto detiene la inspiración y permite que se produzca la espiración, para que podamos seguir ventilando los pulmones.En circunstancias normales, una vez que se detiene el movimiento del aire y termina la inspiración, comienza la espiración.

Normalmente, la espiración es un proceso pasivo, lo que significa que no es necesario que ningún grupo de neuronas estimule la contracción muscular.

El diafragma se relaja y el aire sale de los pulmones gracias a su elasticidad, lo que les permite recuperar su forma tras la inspiración como un globo lleno que deja salir el aire si no lo sellas tras inflarlo.

Así que, esencialmente, los pulmones vuelven a su tamaño inicial y ejercen presión sobre el volumen de aire dentro de los alvéolos.

Esto hace que la presión alveolar aumente a +1 cm H2O, que es superior a la presión atmosférica, lo que crea otro gradiente de presión.

Pero esta vez, el gradiente de presión empuja el aire fuera de los pulmones, pero unos 500 mililitros de aire, que representan el CRF, permanecen dentro de los pulmones para evitar que los alvéolos se cierren.

La presión intrapleural se vuelve menos negativa durante la espiración en comparación con la inspiración, volviendo a un valor de -5 cm H2O.

Básicamente, al final de esta fase, todos los volúmenes y presiones vuelven a sus valores en reposo y comienza un nuevo ciclo respiratorio.Una situación particular es la espiración forzada, que es cuando una persona expulsa el aire a la fuerza, como un vocalista que intenta mantener una nota musical.

Entonces el grupo respiratorio ventral, o GRV, se activa. El GRV envía impulsos inhibitorios al centro apnéusico, que tiene la función de aumentar la duración de la inspiración.

Así, cuando el GRV inhibe el centro apnéusico, la inspiración será más corta, dejando más tiempo para una espiración más larga.Por último, todas las fases del ciclo respiratorio pueden controlarse voluntariamente mediante órdenes de la corteza cerebral.

Por ejemplo, una persona puede optar por hiperventilar, lo que significa que aumentará la frecuencia y el volumen de la respiración, o contener la respiración y, por tanto, hipoventilar.Y ahora, un resumen rápido: la respiración implica inspiración, espiración y un periodo de descanso entre ambas.

La inspiración es la fase activa en la que el aire entra en el cuerpo, mientras que la espiración es la fase pasiva en la que el aire sale de los pulmones.Para que este ciclo se produzca, existe un centro respiratorio que controla la respiración.

Este centro recibe información de un grupo de receptores, conocidos como quimiorreceptores, que detectan cualquier cambio relativo a las presiones de los gases implicados en la respiración.