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Respiración

Imágenes de resonancia magnética en tiempo real del tórax humano durante la respiración. Vídeo de rayos X de una caimán americana hembra mientras respira. La respiración ( o ven...

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Imágenes de resonancia magnética en tiempo real del tórax humano durante la respiración.
Vídeo de rayos X de una caimán americana hembra mientras respira.

La respiración ( o ventilación ) es el proceso rítmico de inhalar aire hacia los pulmones , proporcionando oxígeno, y exhalar el aire, eliminando el dióxido de carbono , en el proceso de intercambio de gases .

Todos los organismos aerobios requieren oxígeno para la respiración celular , que extrae energía de los alimentos y produce dióxido de carbono como producto de desecho . La respiración externa (respiración) lleva aire a los alvéolos , donde los gases se mueven por difusión ; el sistema circulatorio transporta oxígeno y dióxido de carbono entre los pulmones y los tejidos. [ 1 ] [ 2 ]

En los vertebrados con pulmones, la respiración consiste en ciclos repetidos de inhalación y exhalación a través de un sistema ramificado de vías respiratorias que conducen el aire desde la nariz o la boca hasta los alvéolos. [ 3 ] El número de ciclos respiratorios por minuto —la frecuencia respiratoria— es un signo vital primario. [ 4 ] En condiciones normales, la profundidad y la frecuencia de la respiración se controlan inconscientemente mediante mecanismos homeostáticos que mantienen las presiones parciales arteriales de dióxido de carbono y oxígeno . Mantener estable el CO₂ arterial ayuda a mantener el pH del líquido extracelular ; la hiperventilación y la hipoventilación alteran el CO₂ y, por lo tanto, el pH y producen síntomas molestos.

La respiración también sustenta el habla , la risa y ciertos reflejos ( bostezar , toser , estornudar ) y puede contribuir a la termorregulación (por ejemplo, el jadeo en animales que no pueden sudar lo suficiente).

Mecánica

Los movimientos de las costillas como "manivela de bomba" y "manivela de cubo".
El efecto de los músculos de la inhalación en la expansión de la caja torácica . La acción particular que se ilustra aquí se denomina movimiento de la caja torácica como el de la manivela de una bomba.
En esta vista de la caja torácica se puede apreciar claramente la inclinación descendente de las costillas inferiores desde la línea media hacia afuera. Esto permite un movimiento similar al "efecto de manivela de bomba", pero en este caso se denomina movimiento de asa de cubo .
Respiración
Músculos respiratorios en reposo: inhalación a la izquierda, exhalación a la derecha. Los músculos contraídos se muestran en rojo; los relajados, en azul. La contracción del diafragma generalmente es la que más contribuye a la expansión de la cavidad torácica (azul claro). Sin embargo, al mismo tiempo, los músculos intercostales elevan las costillas (su efecto se indica con flechas), lo que también provoca la expansión de la caja torácica durante la inhalación (véase el diagrama en la otra cara de la página). La relajación de todos estos músculos durante la exhalación hace que la caja torácica y el abdomen (verde claro) regresen elásticamente a sus posiciones de reposo. Compare estos diagramas con el vídeo de resonancia magnética que aparece en la parte superior de la página.
Los músculos de la respiración forzada (inhalación y exhalación). El código de colores es el mismo que en la DERECHA. Además de una contracción más forzada y extensa del diafragma, los músculos intercostales, con la ayuda de los músculos accesorios de la inhalación, exageran el movimiento de las costillas hacia arriba, provocando una mayor expansión de la caja torácica. Durante la exhalación, además de la relajación de los músculos de la inhalación, los músculos abdominales se contraen activamente para tirar de los bordes inferiores de la caja torácica hacia abajo, disminuyendo su volumen, mientras que, al mismo tiempo, empujan el diafragma hacia arriba, hacia el interior del tórax.

Los pulmones no se inflan por sí solos; se expanden solo cuando aumenta el volumen de la cavidad torácica . [ 5 ] [ 6 ] En los mamíferos, esta expansión se produce principalmente por la contracción del diafragma y, en menor medida, por la contracción de los músculos intercostales , que elevan la caja torácica . Durante la inhalación forzada, los músculos accesorios pueden aumentar los movimientos de las costillas, como el asa de una bomba y el asa de un cubo, para incrementar aún más el volumen del tórax. En reposo, la exhalación es en gran medida pasiva, ya que los músculos inhalatorios se relajan y la retracción elástica de los pulmones y la pared torácica devuelve el tórax a su posición de reposo. En este punto de reposo, los pulmones contienen la capacidad residual funcional (aproximadamente 2,5-3,0 L en un adulto). [ 7 ]

Durante la respiración profunda ( hiperpnea ), como durante el ejercicio, la exhalación también implica una contracción activa de los músculos abdominales, que empuja el diafragma hacia arriba y reduce el volumen pulmonar al final de la espiración. Incluso en la espiración máxima, un mamífero normal retiene aire residual en los pulmones. [ 7 ]

La respiración diafragmática (o abdominal) produce un movimiento abdominal visible; el uso de músculos accesorios con elevación clavicular se observa en la respiración dificultosa , por ejemplo, durante las exacerbaciones graves del asma o de la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) .

Paso del aire

Este es un diagrama que muestra cómo la inhalación y la exhalación están controladas por diversos músculos, y cómo se ve eso desde una perspectiva general.

Vías respiratorias superiores

El aire inhalado se calienta y humedece al entrar en contacto con la mucosa nasal, que se enfría y seca. Al exhalar aire caliente y húmedo de los pulmones por la nariz, la mucosidad fría e higroscópica de la nariz, que se encuentra fresca y seca, recaptura parte del calor y la humedad del aire exhalado. En climas muy fríos, esta recaptura de agua puede provocar goteo nasal.

Idealmente, el aire se inhala y se exhala por la nariz . [ 8 ] Las cavidades nasales , divididas por el tabique nasal y revestidas por cornetes convolutos , exponen el aire inhalado a una gran superficie mucosa, de modo que se calienta y humidifica, y las partículas quedan atrapadas por el moco antes de llegar a las vías respiratorias inferiores. Parte del calor y la humedad se recuperan durante la exhalación, cuando el aire vuelve a pasar sobre el moco más frío y parcialmente seco. [ 7 ] [ 9 ]

Vías respiratorias inferiores

Las vías respiratorias inferiores :

Debajo de las vías respiratorias superiores, el sistema respiratorio de los mamíferos se describe comúnmente como un árbol respiratorio o traqueobronquial . Las vías respiratorias conductoras más grandes se ramifican repetidamente en bronquios y bronquiolos más pequeños ; en los humanos hay, en promedio, unas 23 generaciones de ramificación. Las divisiones proximales transmiten el aire, mientras que las divisiones terminales (bronquiolos respiratorios, conductos alveolares y alvéolos) están especializadas en el intercambio de gases. La tráquea y los bronquios principales comienzan fuera de los pulmones y la mayor parte de la ramificación ocurre dentro de los pulmones hasta llegar a los alvéolos, que terminan en un extremo ciego. Esta disposición produce un espacio muerto anatómico : el volumen de vías respiratorias conductoras (aproximadamente 150  ml en un adulto) que no participa en el intercambio de gases . [ 7 ] [ 10 ]

Intercambio de gases

El propósito principal de la respiración es renovar el aire alveolar para que el intercambio de gases entre el aire alveolar y la sangre capilar pulmonar pueda ocurrir por difusión . Esta difusión de gases se produce mediante la utilización de la delgada membrana respiratoria, que está compuesta por epitelio alveolar, endotelio capilar y membrana basal que se unen para formar una barrera sangre-gas. [ 11 ] Después de la exhalación, los pulmones aún contienen la capacidad residual funcional ; en una inhalación típica, solo un volumen relativamente pequeño de aire atmosférico nuevo se mezcla con la CRF, por lo que la composición de gases alveolares permanece bastante constante entre respiraciones. Por lo tanto, la sangre capilar pulmonar se equilibra con una composición de gases alveolares relativamente estable, y los quimiorreceptores periféricos y centrales detectan cambios graduales en los gases disueltos en lugar de fluctuaciones rápidas. El control homeostático de la respiración se centra, por lo tanto, en las presiones parciales arteriales de CO₂ y O₂ y en el mantenimiento del pH sanguíneo . [ 7 ]

Control

La frecuencia y profundidad respiratoria están reguladas por centros respiratorios en el tronco encefálico que reciben información de quimiorreceptores centrales y periféricos . Los quimiorreceptores centrales en el bulbo raquídeo son particularmente sensibles al pH y al CO₂ en la sangre y el líquido cefalorraquídeo ; los quimiorreceptores periféricos en los cuerpos aórtico y carotídeo son sensibles principalmente al O₂ arterial. La información de estos receptores se integra en la protuberancia y el bulbo raquídeo , que ajustan la ventilación para restablecer las tensiones de los gases sanguíneos (por ejemplo, normalizando el CO₂ arterial durante el ejercicio ). Los nervios motores , incluidos los nervios frénicos que inervan el diafragma, transmiten las señales de los centros respiratorios a los músculos respiratorios. Aunque la respiración es principalmente automática, puede modificarse voluntariamente para hablar , cantar , nadar o entrenar la contención de la respiración; las técnicas de respiración consciente pueden favorecer la relajación. Reflejos como el reflejo de inmersión alteran la respiración y la circulación durante la inmersión para conservar oxígeno. [ 7 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

Composición

Siguiendo con el diagrama anterior, si el aire exhalado se exhala por la boca en condiciones frías y húmedas , el vapor de agua se condensará formando una nube o niebla visible .

El aire inhalado está compuesto en volumen por un 78 % de nitrógeno , un 20,95 % de oxígeno y pequeñas cantidades de otros gases, incluidos argón , dióxido de carbono, neón , helio e hidrógeno . [ 18 ]

El gas exhalado es de 4% a 5% en volumen de dióxido de carbono, aproximadamente cien veces mayor que la cantidad inhalada. El volumen de oxígeno se reduce en aproximadamente una cuarta parte, de 4% a 5%, del volumen total de aire. La composición típica es: [ 19 ]

Además del aire, los buceadores que practican buceo técnico pueden respirar mezclas de gases respiratorios ricas en oxígeno, pobres en oxígeno o ricas en helio . En ocasiones, se administra oxígeno y gases analgésicos a pacientes que reciben atención médica. La atmósfera en los trajes espaciales es de oxígeno puro. Sin embargo, se mantiene a aproximadamente el 20 % de la presión atmosférica terrestre para regular la frecuencia de la inspiración. [ 25 ]

Efectos de la presión atmosférica

Respiración en altitud

Figura 4. Presión atmosférica

La presión atmosférica disminuye con la altura sobre el nivel del mar (altitud) y, dado que los alvéolos están abiertos al aire exterior a través de las vías respiratorias, la presión en los pulmones también disminuye al mismo ritmo con la altitud. A gran altitud, se sigue requiriendo un diferencial de presión para impulsar el aire hacia dentro y hacia fuera de los pulmones, al igual que a nivel del mar. El mecanismo de respiración a gran altitud es esencialmente idéntico al de la respiración a nivel del mar, pero con las siguientes diferencias:

La presión atmosférica disminuye exponencialmente con la altitud, reduciéndose aproximadamente a la mitad con cada aumento de 5500 metros (18 000 pies) de altitud. [ 26 ] Sin embargo, la composición del aire atmosférico es casi constante por debajo de los 80 km, como resultado del efecto de mezcla continua del clima. [ 27 ] Por lo tanto , la concentración de oxígeno en el aire (mmols O 2 por litro de aire) disminuye al mismo ritmo que la presión atmosférica. [ 27 ] A nivel del mar, donde la presión ambiente es de aproximadamente 100 kPa , el oxígeno constituye el 21 % de la atmósfera y la presión parcial de oxígeno ( P O 2 ) es de 21 kPa (es decir, el 21 % de 100 kPa). En la cima del Monte Everest , a 8.848 metros (29.029 pies) , donde la presión atmosférica total es de 33,7 kPa, el oxígeno aún constituye el 21% de la atmósfera, pero su presión parcial es de solo 7,1 kPa (es decir, el 21% de 33,7 kPa = 7,1 kPa). [ 27 ] Por lo tanto, se debe inhalar un mayor volumen de aire a gran altitud que a nivel del mar para respirar la misma cantidad de oxígeno en un período determinado.          

Durante la inhalación, el aire se calienta y se satura con vapor de agua al pasar por la nariz y la faringe antes de entrar en los alvéolos. La presión de vapor saturado del agua depende únicamente de la temperatura; a una temperatura corporal central de 37  °C es de 6,3  kPa (47,0  mmHg), independientemente de cualquier otra influencia, incluida la altitud. [ 28 ] En consecuencia, a nivel del mar, el aire traqueal (inmediatamente antes de que el aire inhalado entre en los alvéolos) consiste en: vapor de agua ( P H 2 O = 6,3  kPa), nitrógeno ( P N 2 = 74,0  kPa), oxígeno ( P O 2 = 19,7  kPa) y cantidades traza de dióxido de carbono y otros gases, un total de 100  kPa. En aire seco, la P O 2 a nivel del mar es de 21,0  kPa, en comparación con una P O 2 de 19,7  kPa en el aire traqueal (21% de [100 – 6,3] = 19,7  kPa). En la cima del Monte Everest, el aire traqueal tiene una presión total de 33,7  kPa, de los cuales 6,3  kPa son vapor de agua, lo que reduce la P O 2 en el aire traqueal a 5,8  kPa (21% de [33,7 – 6,3] = 5,8  kPa), más allá de lo que se explica por una reducción de la presión atmosférica por sí sola (7,1  kPa).

El gradiente de presión que fuerza el aire hacia los pulmones durante la inhalación también se reduce con la altitud. Duplicar el volumen de los pulmones reduce a la mitad la presión en los pulmones a cualquier altitud. Reducir a la mitad la presión del aire a nivel del mar (100  kPa) resulta en un gradiente de presión de 50  kPa, pero hacer lo mismo a 5500  m, donde la presión atmosférica es de 50  kPa, una duplicación del volumen de los pulmones resulta en un gradiente de presión de solo 25  kPa. En la práctica, debido a que respiramos de manera suave y cíclica, lo que genera gradientes de presión de solo 2–3  kPa, esto tiene poco efecto en la tasa real de entrada a los pulmones y se compensa fácilmente respirando un poco más profundamente. [ 29 ] [ 30 ] La menor viscosidad del aire en altitud permite que el aire fluya más fácilmente y esto también ayuda a compensar cualquier pérdida de gradiente de presión.

Todos los efectos de la baja presión atmosférica sobre la respiración se compensan normalmente aumentando el volumen respiratorio por minuto (el volumen de aire inhalado o exhalado por minuto), y el mecanismo para ello es automático. El aumento exacto necesario viene determinado por el mecanismo homeostático de los gases respiratorios , que regula la P O 2 y la P CO 2 arteriales . Este mecanismo homeostático prioriza la regulación de la P CO 2 arterial sobre la del oxígeno a nivel del mar. Es decir, a nivel del mar, la P CO 2 arterial se mantiene muy cerca de 5,3  kPa (o 40 mmHg) en una amplia gama de circunstancias, a expensas de la P O 2  arterial , que puede variar en un amplio rango de valores antes de desencadenar una respuesta ventilatoria correctiva. Sin embargo, cuando la presión atmosférica (y, por lo tanto, la P O 2 atmosférica ) cae por debajo del 75 % de su valor a nivel del mar, la homeostasis del oxígeno tiene prioridad sobre la homeostasis del dióxido de carbono. Este cambio se produce a una altitud de aproximadamente 2500 metros (8200 pies) . Si este cambio es relativamente abrupto, la hiperventilación a gran altitud provocará una caída severa de la PCO₂ arterial, con el consiguiente aumento del pH del plasma arterial, lo que dará lugar a alcalosis respiratoria . Este es uno de los factores que contribuyen al mal de altura . Por otro lado, si el cambio a la homeostasis del oxígeno es incompleto, la hipoxia puede complicar el cuadro clínico con consecuencias potencialmente fatales. 

Respiración profunda

Esfuerzo respiratorio típico al respirar a través de un regulador de buceo.

La presión aumenta con la profundidad del agua a razón de aproximadamente una atmósfera (un poco más de 100 kPa, o un bar ) por cada 10 metros. El aire que respiran los buceadores bajo el agua está a la presión ambiente del agua circundante, lo que tiene una compleja gama de implicaciones fisiológicas y bioquímicas. Si no se gestiona adecuadamente, la respiración de gases comprimidos bajo el agua puede provocar diversos trastornos relacionados con el buceo, como barotrauma pulmonar , enfermedad por descompresión , narcosis por nitrógeno y toxicidad por oxígeno . Los efectos de respirar gases a presión se complican aún más con el uso de una o más mezclas de gases especiales .

El aire se suministra mediante un regulador de buceo , que reduce la alta presión de la botella a la presión ambiente. El rendimiento respiratorio del regulador es un factor importante a la hora de elegir el regulador adecuado para el tipo de buceo que se va a realizar. Es deseable que respirar con un regulador requiera poco esfuerzo, incluso al suministrar grandes cantidades de aire. También se recomienda que el suministro de aire sea suave, sin cambios bruscos de resistencia al inhalar o exhalar. En el gráfico de la derecha, observe el pico inicial de presión al exhalar para abrir la válvula de escape y cómo la caída inicial de presión al inhalar se supera rápidamente gracias al efecto Venturi, diseñado en el regulador para facilitar la entrada de aire. Muchos reguladores cuentan con un ajuste para modificar la facilidad de inhalación, de modo que la respiración sea sin esfuerzo.

Trastornos respiratorios

Entre los patrones respiratorios anormales se incluyen la respiración de Kussmaul , la respiración de Biot y la respiración de Cheyne-Stokes .

Otros trastornos respiratorios incluyen la dificultad para respirar (disnea), el estridor , la apnea , la apnea del sueño (más comúnmente la apnea obstructiva del sueño ), la respiración bucal y los ronquidos . Muchas afecciones están asociadas con la obstrucción de las vías respiratorias. La respiración bucal crónica puede estar asociada con enfermedades. [ 31 ] [ 32 ] La hipopnea se refiere a la respiración demasiado superficial ; la hiperpnea se refiere a la respiración rápida y profunda provocada por una demanda de más oxígeno, como por ejemplo durante el ejercicio. Los términos hipoventilación e hiperventilación también se refieren a la respiración superficial y a la respiración rápida y profunda, respectivamente, pero en circunstancias inapropiadas o en el contexto de una enfermedad. Sin embargo, esta distinción (entre, por ejemplo, hiperpnea e hiperventilación) no siempre se respeta, por lo que estos términos se usan con frecuencia indistintamente. [ 33 ]

Se pueden utilizar diversas pruebas de aliento para diagnosticar enfermedades como las intolerancias alimentarias. Un rinomanómetro utiliza tecnología acústica para examinar el flujo de aire a través de las fosas nasales. [ 34 ]

Sociedad y cultura

La palabra «espíritu» proviene del latín spiritus , que significa aliento. Históricamente, el aliento se ha considerado a menudo en términos del concepto de fuerza vital. La Biblia hebrea se refiere a Dios infundiendo aliento de vida en el barro para convertir a Adán en un alma viviente ( nephesh ). También se refiere al aliento que regresa a Dios cuando un mortal muere. Los términos espíritu, prana , el polinesio mana , el hebreo ruach y la psique en psicología están relacionados con el concepto de aliento. [ 35 ]

En el tai chi , el ejercicio aeróbico se combina con ejercicios de respiración para fortalecer los músculos del diafragma , mejorar la postura y optimizar el uso del qi del cuerpo . Diferentes formas de meditación y yoga promueven diversos métodos de respiración. Una forma de meditación budista llamada anapanasati , que significa atención plena a la respiración, fue introducida por primera vez por Buda . Las disciplinas de respiración se incorporan a la meditación, a ciertas formas de yoga como el pranayama y al método Buteyko como tratamiento para el asma y otras afecciones. [ 36 ]

En música, algunos instrumentistas de viento utilizan una técnica llamada respiración circular . Los cantantes también dependen del control de la respiración .

Las expresiones culturales comunes relacionadas con la respiración incluyen: "to take my breath" (recuperar el aliento), "me dejó sin aliento", "inspiración", "expirar", "recuperar el aliento".

Respiración y estado de ánimo

Un joven gimnasta respira profundamente antes de realizar su ejercicio.

Ciertos patrones respiratorios tienden a ocurrir con ciertos estados de ánimo. Debido a esta relación, practicantes de diversas disciplinas afirman que pueden fomentar la aparición de un estado de ánimo particular adoptando el patrón respiratorio con el que más comúnmente se presenta. Por ejemplo, y quizás la recomendación más común es que la respiración profunda que utiliza más el diafragma y el abdomen puede fomentar la relajación . [ 12 ] [ 37 ] Los practicantes de diferentes disciplinas a menudo interpretan la importancia de la regulación de la respiración y su influencia percibida en el estado de ánimo de diferentes maneras. Los budistas pueden considerar que ayuda a precipitar una sensación de paz interior , los sanadores holísticos que fomenta un estado general de salud [ 38 ] y los asesores empresariales que proporciona alivio del estrés laboral.

Respiración y ejercicio físico

Durante el ejercicio físico, se adopta un patrón de respiración más profundo para facilitar una mayor absorción de oxígeno. Otra razón para adoptar este patrón es fortalecer el tronco. Al respirar profundamente, el diafragma torácico desciende, lo que ayuda a generar presión intraabdominal y fortalece la columna lumbar. [ 39 ] Por lo general, esto permite realizar movimientos físicos más potentes. Por ello, se recomienda con frecuencia respirar profundamente o adoptar un patrón de respiración más profundo al levantar pesas.

Véase también

Referencias

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  32. ↑ Pacheco, María Cristina Thomé; Casagrande, Camila Ferreira; Teixeira, Lícia Pacheco; Finck, Nathalia Silveira; de Araújo, María Teresa Martins (2015). «Propuesta de directrices para el reconocimiento clínico de niños que respiran por la boca» . Revista Dental Press de Ortodoncia . 20 (4): 39– 44. doi : 10.1590/2176-9451.20.4.039-044.oar . ISSN 2176-9451 . PMC 4593528 . PMID 26352843 .   
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  34. ↑ EH Huizing; JAM de Groot (2003), Cirugía nasal reconstructiva funcional , Thieme, pág. 101, ISBN  978-1-58890-081-4
  35. ↑ "psíquico-, psico-, -psique, -psíquico, -psíquico, -psíquicamente - Información de la palabra" . wordinfo.info .
  36. ↑ Swami Saradananda (2009). El poder de la respiración: El arte de respirar bien para la armonía, la felicidad y la salud . Watkins Media. ISBN 978-1-84483-798-4.
  37. ↑ Zaccaro, Andrea; Piarulli, Andrea; Laurino, Marco; Garbella, Erika; Menicucci, Danilo; Neri, Bruno; Gemignani, Angelo (2018). "Cómo el control de la respiración puede cambiar tu vida: una revisión sistemática sobre los correlatos psicofisiológicos de la respiración lenta" . Frontiers in Human Neuroscience . 12 : 353. doi : 10.3389/fnhum.2018.00353 . ISSN 1662-5161 . PMC 6137615. PMID 30245619 .   
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  39. ↑ Lindgren, Hans. "Función del diafragma para la estabilidad del núcleo" .

Lecturas adicionales

  • Nestor, James (2020). Breath: The New Science of a Lost Art . Riverhead Books. ISBN 978-0-7352-1361-6.
  • Parkes, M (2006). "La contención de la respiración y su punto de ruptura" . Exp Physiol . 91 (1): 1– 15. doi : 10.1113/expphysiol.2005.031625 . PMID 16272264 . 
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