El control neural y químico de la respiración es el conjunto de mecanismos fisiológicos que regulan la frecuencia, la profundidad y el patrón de los movimientos respiratorios para mantener un intercambio adecuado de oxígeno y dióxido de carbono entre el organismo y el ambiente. Su función principal consiste en ajustar la ventilación pulmonar a las necesidades metabólicas de los tejidos y conservar la estabilidad del medio interno, especialmente la presión parcial de dióxido de carbono, la concentración de hidrogeniones y el equilibrio ácido-base. Este control depende de la interacción permanente entre centros nerviosos del tronco encefálico, quimiorreceptores centrales y periféricos, receptores pulmonares y musculares, y estructuras superiores del sistema nervioso.
La respiración se desarrolla de manera automática durante la mayor parte del tiempo, aunque también puede modificarse voluntariamente. Esta capacidad permite adaptar la ventilación a situaciones como el ejercicio, el sueño, el habla, el canto, las emociones y los cambios en la composición química de la sangre. El sistema respiratorio no funciona de manera aislada: mantiene una comunicación continua con el sistema cardiovascular y con los tejidos metabólicamente activos, de modo que la ventilación y la circulación contribuyen conjuntamente a conservar una disponibilidad adecuada de oxígeno y a eliminar el dióxido de carbono producido por el metabolismo celular.
El control neural se organiza principalmente en el tronco encefálico, formado por el bulbo raquídeo y la protuberancia. Estas estructuras contienen redes neuronales que generan el ritmo respiratorio, coordinan las fases de inspiración y espiración y modifican la actividad de los músculos respiratorios. El bulbo raquídeo participa de manera fundamental en la generación del ritmo básico, mientras que la protuberancia modula la transición entre las fases respiratorias y contribuye a ajustar la duración y la intensidad de cada movimiento.
En el bulbo raquídeo se encuentra el complejo pre-Bötzinger, una región de la columna respiratoria ventral que desempeña una función esencial en la generación del ritmo inspiratorio. Sus neuronas forman circuitos interconectados capaces de producir actividad rítmica y coordinar la descarga de otras poblaciones neuronales respiratorias. La actividad de esta red no debe entenderse como la acción de un único marcapasos aislado, sino como el resultado de interacciones entre diferentes grupos neuronales que contribuyen a generar y organizar el patrón respiratorio. La interrupción experimental de la actividad del complejo pre-Bötzinger puede alterar gravemente o abolir el ritmo respiratorio, lo que demuestra su importancia funcional.
La columna respiratoria ventral contiene poblaciones neuronales que participan en la inspiración y la espiración. Durante la respiración tranquila, la inspiración requiere una activación motora que provoca la contracción del diafragma y de los músculos intercostales externos. La espiración suele ser pasiva, porque ocurre principalmente por la relajación de los músculos inspiratorios y el retroceso elástico de los pulmones y de la pared torácica. Sin embargo, durante el ejercicio intenso, la tos o el aumento de la demanda ventilatoria, la espiración puede convertirse en un proceso activo mediante la participación de los músculos abdominales y de los músculos intercostales internos.
La protuberancia contiene regiones neuronales que regulan la organización temporal de la respiración. Sus circuitos se comunican con las redes bulbares y contribuyen a controlar la duración de la inspiración, la transición hacia la espiración y la adaptación del patrón respiratorio a diferentes condiciones fisiológicas. Por tanto, la protuberancia no sustituye al generador del ritmo bulbar, sino que modula su actividad y contribuye a producir movimientos respiratorios coordinados.
Una vez generado el patrón respiratorio, las señales nerviosas descienden hacia las motoneuronas de la médula espinal. Las neuronas motoras cervicales, especialmente las que forman los nervios frénicos, transmiten impulsos al diafragma. La activación del diafragma provoca su contracción y desplazamiento hacia abajo, aumenta el volumen de la cavidad torácica y reduce la presión intrapulmonar, permitiendo la entrada de aire. De manera simultánea, las motoneuronas torácicas activan los músculos intercostales externos, que contribuyen a elevar las costillas y expandir el tórax. La coordinación entre estas estructuras permite transformar la actividad neuronal en movimientos ventilatorios efectivos.
El control químico de la respiración depende de receptores especializados que detectan modificaciones en la composición de la sangre y del líquido cefalorraquídeo. Los principales estímulos reguladores son la presión parcial de dióxido de carbono, la concentración de hidrogeniones y la presión parcial de oxígeno. Estos cambios son detectados por los quimiorreceptores centrales y periféricos, que envían información hacia los centros respiratorios para modificar la ventilación. En condiciones fisiológicas habituales, el dióxido de carbono constituye uno de los estímulos más importantes para regular la actividad ventilatoria.
Los quimiorreceptores centrales se localizan en regiones del tronco encefálico, especialmente en áreas próximas a la superficie ventrolateral del bulbo raquídeo y en el núcleo retrotrapezoide. Su respuesta está relacionada principalmente con las modificaciones del pH del entorno cerebral producidas por los cambios en la presión parcial de dióxido de carbono arterial. El dióxido de carbono atraviesa con facilidad la barrera hematoencefálica y, al ingresar al líquido cefalorraquídeo, participa en una reacción química reversible con el agua que genera ácido carbónico. Este compuesto se disocia y produce hidrogeniones y bicarbonato, lo que disminuye el pH del líquido cefalorraquídeo. El aumento de la concentración de hidrogeniones estimula las redes quimiosensibles y eleva la actividad respiratoria.
Este mecanismo explica por qué el incremento de dióxido de carbono en la sangre, denominado hipercapnia, suele provocar un aumento de la ventilación. Cuando se eleva la presión parcial arterial de dióxido de carbono, una mayor cantidad de este gas difunde hacia el sistema nervioso central, favorece la acidificación del líquido cefalorraquídeo y estimula los centros respiratorios. Como respuesta, aumenta la frecuencia respiratoria, el volumen de aire movilizado en cada respiración o ambos parámetros, lo que incrementa la eliminación pulmonar de dióxido de carbono. Cuando la presión parcial de dióxido de carbono disminuye, como ocurre durante la hiperventilación, se reduce la concentración de hidrogeniones en el líquido cefalorraquídeo y disminuye el estímulo ventilatorio.
La sensibilidad central al dióxido de carbono no depende de un único tipo de neurona. El núcleo retrotrapezoide contiene neuronas sensibles a los cambios de acidez que participan en la activación de la respiración. Entre los mecanismos moleculares implicados se encuentran los sensores de protones TASK-2 y GPR4. Además, los astrocitos y las señales químicas locales pueden modular la actividad de estas neuronas, lo que demuestra que la detección central del dióxido de carbono depende de interacciones entre diferentes tipos celulares y mecanismos de señalización.
Los quimiorreceptores periféricos se encuentran principalmente en los cuerpos carotídeos, situados en la bifurcación de las arterias carótidas comunes, y en los cuerpos aórticos, localizados cerca del arco de la aorta. Los cuerpos carotídeos tienen una importancia especialmente destacada en la detección de la disminución de oxígeno arterial. También responden al aumento de dióxido de carbono y a la disminución del pH sanguíneo. Su información sensorial llega al sistema nervioso central mediante el nervio glosofaríngeo, en el caso de los cuerpos carotídeos, y el nervio vago, en el caso de los cuerpos aórticos.
En los cuerpos carotídeos, las células glómicas de tipo I desempeñan una función fundamental en la detección de la hipoxia. Cuando disminuye la presión parcial de oxígeno arterial, se modifican los mecanismos celulares sensibles al oxígeno, se inhiben determinados canales de potasio y se produce una despolarización de la membrana celular. Esta despolarización favorece la apertura de canales de calcio dependientes del voltaje y la liberación de neurotransmisores, que activan las terminaciones nerviosas sensitivas. La información llega al tronco encefálico y estimula el aumento de la ventilación.
La respuesta ventilatoria a la disminución del oxígeno se vuelve especialmente importante cuando la presión parcial arterial de oxígeno desciende de manera considerable. En condiciones normales, el organismo mantiene la presión parcial de oxígeno dentro de un intervalo relativamente estable, por lo que los quimiorreceptores periféricos presentan una actividad basal que puede aumentar intensamente durante la hipoxemia. Esta respuesta permite incrementar la entrada de aire a los pulmones y favorecer la captación de oxígeno. Sin embargo, la ventilación también depende de la presión parcial de dióxido de carbono y del pH, por lo que la respuesta final surge de la integración de varios estímulos químicos.
La participación de los quimiorreceptores centrales y periféricos permite que el organismo mantenga un control coordinado de los gases sanguíneos. Los receptores centrales responden principalmente a las modificaciones del pH cerebral inducidas por el dióxido de carbono, mientras que los receptores periféricos detectan de manera destacada la disminución del oxígeno arterial y también responden al dióxido de carbono y a los hidrogeniones. Esta distribución funcional explica por qué el dióxido de carbono tiene una influencia importante sobre la regulación ventilatoria en condiciones habituales, mientras que la disminución marcada del oxígeno adquiere una relevancia mayor durante la hipoxemia.
Además del control químico, la respiración recibe información procedente de receptores mecánicos y sensoriales distribuidos en los pulmones, las vías respiratorias, la pared torácica y los músculos respiratorios. Los receptores de estiramiento pulmonar detectan la expansión de los pulmones durante la inspiración y pueden contribuir a limitar la distensión excesiva mediante el reflejo de Hering-Breuer. Este reflejo se transmite principalmente a través del nervio vago y participa en la regulación de la duración de la inspiración, aunque su importancia es más evidente durante volúmenes corrientes elevados, como los que se producen durante el ejercicio o la ventilación aumentada.
También existen receptores irritantes en el epitelio de las vías respiratorias, sensibles a partículas, humo, sustancias químicas y otros estímulos potencialmente nocivos. Su activación puede desencadenar tos, broncoconstricción y modificaciones del patrón respiratorio. Por otra parte, los receptores yuxtacapilares, situados cerca de los capilares pulmonares, responden a determinados cambios intersticiales y vasculares, y pueden contribuir a producir respiración rápida y superficial cuando se activan. Los propioceptores de los músculos respiratorios y de las articulaciones aportan información sobre el movimiento y la carga muscular, lo que permite ajustar la actividad ventilatoria a las condiciones mecánicas del organismo.
El control respiratorio también recibe influencia de estructuras nerviosas superiores. La corteza cerebral permite modificar voluntariamente la respiración durante actividades como hablar, cantar, contener momentáneamente el aire o realizar maniobras respiratorias deliberadas. Sin embargo, el control voluntario tiene límites: cuando se acumula dióxido de carbono o disminuye considerablemente el oxígeno, los estímulos químicos activan mecanismos automáticos que tienden a restablecer la ventilación. De esta manera, el control voluntario puede modificar temporalmente el patrón respiratorio, pero no sustituye de forma permanente los mecanismos automáticos encargados de mantener la homeostasis gaseosa.
El hipotálamo y las estructuras del sistema límbico también modifican la respiración en respuesta a las emociones, el estrés, el miedo, el dolor y los cambios en el estado de alerta. Por esta razón, una situación emocional intensa puede producir modificaciones de la frecuencia y la profundidad respiratorias incluso sin que exista una alteración inicial de los gases sanguíneos. Estas influencias conductuales y emocionales se integran con las señales químicas y mecánicas en los circuitos del tronco encefálico, que ajustan finalmente la actividad de los músculos respiratorios.
Durante el ejercicio físico, el control de la respiración adquiere una complejidad particular. El incremento de la actividad muscular eleva el consumo de oxígeno y la producción de dióxido de carbono, por lo que la ventilación debe aumentar para favorecer el intercambio gaseoso. Esta respuesta no depende exclusivamente de los quimiorreceptores: también intervienen señales procedentes de las áreas motoras cerebrales que activan el movimiento, así como información sensorial proveniente de los músculos y las articulaciones. Estos mecanismos permiten que la ventilación aumente desde el inicio del ejercicio, antes de que se produzcan modificaciones importantes en las concentraciones sanguíneas de los gases. Posteriormente, los ajustes químicos contribuyen a mantener la presión parcial arterial de dióxido de carbono y el pH dentro de límites fisiológicos.
Durante el sueño, la actividad de los circuitos respiratorios y la sensibilidad de los mecanismos quimiorreceptores experimentan modificaciones relacionadas con el estado de conciencia. La respuesta ventilatoria a los cambios de dióxido de carbono y oxígeno puede variar entre la vigilia y las diferentes fases del sueño. En determinadas circunstancias, una respuesta ventilatoria excesiva puede reducir demasiado la presión parcial de dióxido de carbono y favorecer la aparición de pausas respiratorias centrales, especialmente cuando el sistema de control presenta inestabilidad. Por el contrario, una respuesta insuficiente ante el incremento de dióxido de carbono puede contribuir a la hipoventilación. Estos fenómenos muestran que la estabilidad respiratoria depende tanto de la sensibilidad de los receptores como de la capacidad de los centros nerviosos para integrar y responder adecuadamente a sus señales.
El control neural y químico de la respiración funciona mediante un sistema de retroalimentación negativa. Cuando aumenta la presión parcial de dióxido de carbono, disminuye el pH o desciende la presión parcial de oxígeno, los quimiorreceptores detectan las modificaciones y transmiten señales a los centros respiratorios. Estos centros incrementan o modifican la actividad de los músculos respiratorios, lo que cambia la ventilación pulmonar. El aumento de la ventilación favorece la eliminación de dióxido de carbono y, cuando existe una respuesta adecuada, contribuye a recuperar el equilibrio ácido-base y mejorar la oxigenación. Cuando los estímulos químicos disminuyen, también se reduce la señal que impulsa la ventilación, evitando una respuesta respiratoria innecesariamente elevada.
La importancia de este sistema radica en que la respiración no consiste únicamente en introducir y expulsar aire de los pulmones. Es un proceso regulado continuamente por redes neuronales y mecanismos de detección química que ajustan la ventilación a las necesidades del organismo. La integración de los centros respiratorios del bulbo raquídeo y la protuberancia, los quimiorreceptores centrales y periféricos, los receptores pulmonares y las estructuras nerviosas superiores permite conservar la estabilidad de los gases sanguíneos, mantener el equilibrio ácido-base y proporcionar a los tejidos el oxígeno necesario para su metabolismo.
Fuente y lecturas recomendadas:
1. Corne, S., & Bshouty, Z. (2005). Basic principles of control of breathing. Respiratory Care Clinics of North America, 11(2), 147–172. https://doi.org/10.1016/j.rcc.2005.02.011
2. Chowdhuri, S., & Badr, M. S. (2017). Control of ventilation in health and disease. Chest, 151(4), 917–929. https://doi.org/10.1016/j.chest.2016.12.002
3. Feldman, J. L., Del Negro, C. A., & Gray, P. A. (2013). Understanding the rhythm of breathing: So near, yet so far. Annual Review of Physiology, 75, 423–452. https://doi.org/10.1146/annurev-physiol-040510-130049
4. Rekling, J. C., & Feldman, J. L. (1998). PreBötzinger complex and pacemaker neurons: Hypothesized site and kernel for respiratory rhythm generation. Annual Review of Physiology, 60, 385–405. https://doi.org/10.1146/annurev.physiol.60.1.385
5. Dutschmann, M., & Dick, T. E. (2012). Pontine mechanisms of respiratory control. Comprehensive Physiology, 2(4), 2443–2469. https://doi.org/10.1002/cphy.c100015
6. Guyenet, P. G., & Bayliss, D. A. (2015). Neural control of breathing and CO₂ homeostasis. Neuron, 87(5), 946–961. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2015.08.001
7. Guyenet, P. G., & Bayliss, D. A. (2022). Central respiratory chemoreception. Handbook of Clinical Neurology, 188, 37–72. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-91534-2.00007-2
8. Kumar, P., & Prabhakar, N. R. (2012). Peripheral chemoreceptors: Function and plasticity of the carotid body. Comprehensive Physiology, 2(1), 141–219. https://doi.org/10.1002/cphy.c100069
9. Herrero, J. L., Khuvis, S., Yeagle, E., Cerf, M., & Mehta, A. D. (2018). Breathing above the brain stem: Volitional control and attentional modulation in humans. Journal of Neurophysiology, 119(1), 145–159. https://doi.org/10.1152/jn.00551.2017
10. Dempsey, J. A., & Smith, C. A. (2014). Pathophysiology of human ventilatory control. European Respiratory Journal, 44(2), 495–512. https://doi.org/10.1183/09031936.00048514
11. Eckert, D. J., Jordan, A. S., Merchia, P., & Malhotra, A. (2007). Central sleep apnea: Pathophysiology and treatment. Chest, 131(2), 595–607. https://doi.org/10.1378/chest.06.2287
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