Introducción

El patrón respiratorio se ha estudiado en estado de reposo en humanos1, durante ejercicio submáximo2-4 y máximo2,3,5. Un hallazgo común en todos los estudios ha sido que la relación volumen corriente-tiempo inspiratorio (VT/tI) muestra una respuesta similar a la descrita por Clark y Von Euler6 cuando se respiraba aire enriquecido con anhídrido carbónico (CO2). Estos autores describieron el curso de la relación VT/tI en 2 fases: fase I, de incremento de la ventilación a expensas del VT, y fase II, de aumento de la ventilación principalmente por descenso del tI.

La relación VT/tI puede indicar, indirectamente, la activación del reflejo y muestra 2 fases bien delimitadas por la activación de receptores pulmonares, descritas por Von Euler y Clark6,7. Este patrón indica, por tanto, el paso de una respiración donde la ventilación aumenta fundamentalmente a expensas del VT a una respiración taquipneica. Durante el ejercicio de intensidad creciente, se produce precisamente este cambio de patrón. Hay unanimidad en señalar que a partir de cierta intensidad el VT alcanza un valor estable8-10 o aumenta ligeramente en ciclistas muy entrenados11. A partir de cierta intensidad, aumenta notablemente la participación de la frecuencia respiratoria en el incremento del volumen espirado (VE). Durante el ejercicio, es objeto de controversia la contribución del reflejo de Hering-Breuer en el control de la ventilación, pues en animales con doble denervación (hiliar y de los cuerpos carotídeos) se ha observado cómo se modificaba el patrón respiratorio en los animales sometidos a denervación respecto a los normales12. Por otra parte, personas que han recibido un trasplante cardiopulmonar13 alcanzan una adecuada ventilación durante el ejercicio mediante un incremento considerable del VT y una reducción de la frecuencia respiratoria, lo que indica la activación de receptores pulmonares en el control respiratorio. Estas 2 evidencias experimentales, en animales y seres humanos, permiten establecer la hipótesis de que, en parte, el incremento de la ventilación durante el ejercicio puede atribuirse a la información procedente de receptores de volumen u otro tipo que, por vía vagal, informarían a los centros de control de la respiración7.

El umbral ventilatorio segundo (VT2) es uno de los parámetros más utilizados en la evaluación ergoespirométirca. Se define como la intensidad de la carga en la cual pierde la relación lineal el consumo de oxígeno con la producción de CO214-16. Creemos que esta variable debería tenerse en cuenta en los estudios de la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) por su demostrada sensibilidad al entrenamiento11.

El objetivo de este estudio ha sido analizar la respuesta del patrón respiratorio para intentar justificar, de forma indirecta, la participación del reflejo de Hering-Breuer en la regulación de la respiración y si existe relación con el VT2. La hipótesis inicial consiste en que la relación VT/tI durante un ejercicio dinámico de intensidad creciente presenta una respuesta igual o similar a la observada por primera vez por Clark y Von Euler mediante la inhalación de CO2, que demostraba la activación vagal por vía de receptores de volumen6. De confirmarse la relación entre los 2 parámetros del patrón respiratorio, sería importante para poder aplicarla a los enfermos con EPOC.

Sujetos y métodos

Sujetos

Los datos descriptivos de la muestra se encuentran en la tabla I. Participaron 9 sujetos varones ciclistas aficionados, triatletas y estudiantes de educación física que regularmente practican ciclismo. Se informó de la naturaleza del trabajo a todos ellos y firmaron un consentimiento por escrito para participar en el estudio, que se desarrolló según las pautas éticas dictadas en la Declaración de Helsinki de la Asociación Médica Mundial para la investigación con los seres humanos17.

Medidas de intercambio respiratorio

Las mediciones de composición y volúmenes del aire espirado se realizaron con un equipo Jaeger Oxycon Pro® (Erich Jaeger, Würzberg, Alemania) . La turbina es bidireccional digital (Triple V®, Erich Jaeger, Würzberg, Alemania), de bajo espacio muerto y resistencia, y cumple la normativa de la American Thoracic Society y la European Community for Steel and Coal18. Todos los parámetros de intercambio de gases se midieron respiración a respiración y se promediaron cada 15 s. La frecuencia cardíaca se determinó con un equipo de electrocardiografía, modelo Hellige Cardiotest EK 53 (Hellige, Freiburg, Alemania) de 3 canales.

Protocolo de estudio

A la llegada al laboratorio, se realizó a cada sujeto un examen médico, consistente en la historia clínica y deportiva, electrocardiograma basal y espirometría. Las pruebas se realizaron sobre un cicloergómetro Jaeger ER800® (Erich Jaeger, Alemania) de resistencia variable y freno electromagnético con un rango de 25 a 1.000 W e incrementos mínimos de 1 W/s. El protocolo de esfuerzo usado consistió en 1 min totalmente en reposo, 3 min de calentamiento a 50 W y prueba progresiva con incrementos de 5 W cada 12 s. Finalizado el esfuerzo, se realizaban 2 min de recuperación activa a 50 W (70 rpm) y 3 min en reposo completo en la bicicleta. La cadencia de pedaleo se estableció entre 70 y 90 rpm. Todas las pruebas se llevaron a cabo en condiciones atmosféricas similares (21-24 °C, un 45-55% de humedad relativa y presión atmosférica entre 700 y 715 mmHg). Los valores se expresaron en condiciones STPD (standard temperature and pressure dry).

Análisis de la transición aeróbica-anaeróbica

Los datos de intercambio de gases se analizaron con una técnica de identificación visual propuesta por Wassermann et al19 en 1973. En este método se relacionan VE/producción de CO2, VE/consumo de oxígeno, la presión espiratoria total de CO2 y la presión espiratoria total de oxígeno respecto a la carga, para determinar la transición aeróbica-anaeróbica, usando los criterios habituales. Se ha demostrado que la combinación de diversos métodos es más fiable en la determinación de los umbrales ventilatorios15.

Para cada sujeto se representaron los valores correspondientes al VT respecto al tI de la prueba de esfuerzo realizado en función de sus datos individuales, al objeto de determinar de manera visual las 2 fases en el patrón respiratorio adoptado mediante la inhalación de CO2 propuesto por Clark y Von Euler6: a) fase I, donde los incrementos de la ventilación se producen a expensas del aumento del VT con un ligero descenso del tI, y b) fase II, en la que el incremento ventilatorio se produce tanto por el aumento del VT como por el descenso del tI, siendo la relación inversa. Esta variación en la respuesta ventilatoria se alcanza cuando el VT es unas 2 veces el valor de reposo.

En el patrón de Clark y Von Euler el paso de fase se produce bruscamente; es el denominado punto de ruptura Hering-Breuer (PHB). Utilizando el método de inspección visual se determinó el punto donde la relación VT/tI se desplaza hacia la izquierda en un diagrama de coordenadas, es decir, el punto donde el tI disminuye de manera significativa con un pequeño incremento del VT. Dos observadores ciegos e independientes determinaron el VT2 y el PHB en momentos diferentes sin conocer la identidad de cada sujeto.

Análisis estadístico

Se calcularon las medias (± desviación estándar) de todas las variables. Tras realizar el estudio de normalidad se aplicó la prueba de la t de Student para muestras relacionadas apareadas. También se realizó un estudio de correlación de Pearson para establecer si existían relaciones positivas entre la transición aeróbica-anaeróbica y el PHB. Se utilizó el procedimiento de Bland y Altam20 para analizar la fiabilidad del análisis del VT2 a través de las gráficas de VT/tI. El nivel de significación fue de p < 0,05. Para el análisis estadístico se utilizó el programa SPSS versión 11.5 (SPSS Worldwide Headquarters, Chicago, EE.UU.).

Resultados

En la tabla I se muestran los datos de antropometría, espirometría de reposo y consumo máximo de oxígeno de la población estudiada. Los valores de consumo máximo de oxígeno son superiores (57,1 ± 12,4 ml · kg · min-1) a los correspondientes a la población sedentaria, alcanzando una carga media de 336 W. En la tabla II se recogen los valores correspondientes al momento en que se producía el cambio de fase del patrón respiratorio. En cada una de las pruebas realizadas se distinguieron las 2 fases señaladas anteriormente en el apartado "Sujetos y métodos".

El PHB se producía cuando el tI era de 0,96 ± 0,11 s, correspondiente a un VT de 2.576 ± 441 ml. Este volumen supone un porcentaje medio del 84,6 ± 6,3% en relación con el máximo valor de VT (3.065 ± 566 ml) alcanzado durante la prueba máxima, y de un 48 ± 7,2% respecto al valor de capacidad vital forzada medida en la espirometría de reposo (5.416 ± 823 ml). El VT máximo durante la prueba fue un 56,8 ± 7,6% respecto a la capacidad vital forzada.

El PHB se relacionó de forma positiva (r = 0,93; p = 0,02) con el VT2 (fig. 1). La prueba de Bland y Altman demuestra que tan sólo en un sujeto existen diferencias entre el valor de ambas medidas. En la tabla II se muestra el consumo de oxígeno medio en el que se produce el PHB, que precede en aproximadamente 300 ml al consumo de oxígeno medio donde se produce el VT2.

Fig. 1. En la parte izquierda se muestra la relación entre el consumo de oxígeno (VO2) en que se produce el punto de Hering-Breuer (HB) y el VO2 en que se produce el umbral ventilatorio segundo (VT2). En la parte derecha se muestra el procedimiento de Bland y Altman (1986) para el análisis de la fiabilidad en el procedimiento de identificación del VT2.

Discusión

En este estudio se ha demostrado que el comportamiento de la relación VT/tI durante un esfuerzo de intensidad creciente es similar al observado por Clark y Von Euler en animales sometidos a inhalación de CO2. La respuesta de la relación muestra 2 fases bien diferenciadas (fig. 2). En la fase I, el incremento del VE se produce por un aumento, principalmente, del VT y una reducción del tI. Por el contrario, en la fase II la hiperventilación es el resultado de una mayor reducción del tI con un ligero incremento del VT. El momento en que se cambia de fase, se denomina PHB, y en el estudio realizado se corresponde con el VT2. Hay unanimidad en señalar que a partir de cierta intensidad el VT alcanza un valor estable9,10,21 o aumenta ligeramente11 en función del grado de entrenamiento. Algunos autores han demostrado que el entrenamiento de alta intensidad puede aumentar el VT en enfermos con EPOC22. Sin embargo, otros investigadores no han observado la modificación del patrón respiratorio en esfuerzo23 o bajo anestesia10, pero sí en personas con trasplante cardiopulmonar13,24. Las divergencias entre los resultados obtenidos por Kay et al23 y los del presente estudio podrían deberse a que en su caso el protocolo de esfuerzo era de carga limitada, de 50 a 200 W, mientras que el protocolo aplicado por nosotros ha sido incremental máximo.

Fig. 2. Gráficas de la relación entre volumen corriente y tiempo inspiratorio de los sujetos que participaron en este estudio. Las líneas punteadas corresponden a las ecuaciones de regresión con las que se determinó el punto de incidencia del reflejo de Hering-Breuer. Las escalas se ajustaron para observar más correctamente el fenómeno de manera individual.

Por otra parte, el estudio realizado no permite establecer de forma concluyente la intervención de reflejos vagales en el control ventilatorio durante el ejercicio, debido a que, por tratarse de un estudio con seres humanos, no han podido controlarse muchas variables que podrían explicar el comportamiento de la relación VT/tI. Los mecanismos fisiológicos propuestos de regulación de la respiración en ejercicio no explican completamente la respuesta del VE y se pueden agrupar en: prealimentación (feedforward), retroalimentación (feedback) y potenciación a corto plazo (short term potentiation)25. La retroalimentación puede proceder de las propias estructuras del sistema nervioso central (retroalimentación central) o de receptores localizados en el aparato respiratorio (parénquima y tórax), en la musculatura de la locomoción y en el sistema cardiovascular (quimiorreceptores periféricos), es decir, retroalimentación periférica. Por tanto, no hemos podido controlar la información de: a) las terminaciones III de la musculatura implicada; b) los quimiorreceptores periféricos, y c) los receptores sensibles a determinadas moléculas e iones (potasio, protones).

A pesar de las limitaciones señaladas, los resultados del estudio demuestran que la relación VT/tI en esfuerzo de intensidad creciente sigue un patrón bifásico con un punto de ruptura a un valor de VT del 84,6 ± 6,3% respecto al máximo alcanzado. Consideramos que una posible explicación sería la activación del reflejo de Hering Breuer. La intervención de este mecanismo reflejo en el control respiratorio se ha demostrado en animales de experimentación26. Las razones fisiológicas en que apoyamos la intervención del reflejo de Hering-Breuer para explicar los resultados tienen su base en que la relación inversa entre el VT y el tI se ve alterada en diversas condiciones experimentales (vagotonía, denervación hiliar, hipercapnia, bloqueo de receptores beta, presión generada en la boca), tanto en animales como en seres humanos.

La vagotonía determina el incremento del VE a expensas del VT con un descenso mínimo del tI, de manera que la relación VT/tI estaría en zona I13,27. En un interesante estudio12 encaminado a demostrar los efectos sobre la respiración de la doble denervación --hiliar y de los quimiorreceptores carotídeos--, se comprobó que las aferencias pulmonares vía nervios del hilio influían en el patrón respiratorio de los ponis en reposo y esfuerzo. Además, el efecto se relacionaba con la atenuación de la retroalimentación del volumen pulmonar.

La hipercapnia, tanto en animales28 como en seres humanos9, demuestra la participación vagal en el control de la respiración durante el ejercicio. Joyner et al29 demostraron que la administración de bloqueadores beta de receptores 1 y 2 determinaba reducciones más importantes de VT que la de fármacos bloqueadores beta específicos de los receptores 1.

Estudios realizados mediante la técnica más sencilla, esto es, la presión generada en la boca a 0,1 s5,30,31 para valorar la relación VT/tI, demuestran que en esfuerzos ligeros los incrementos de la ventilación se producen por aumentos de VT.

Los resultados de nuestro estudio permiten conjeturar, con la base científica de los resultados experimentales comentados, la importancia de la información procedente de receptores localizados en las vías respiratorias y parénquima pulmonar. La modificación del patrón respiratorio a partir del PHB podría deberse a la retroalimentación originada en receptores de volumen u otro tipo de receptores que podrían ser, en parte, responsables del descenso del tI cuando se incrementa el VT. El papel del reflejo de Hering-Breuer en la regulación de la respiración en reposo ha suscitado gran controversia26, debido a que los receptores no sólo descargan con los cambios de volumen, sino también con variaciones de la concentración de determinadas moléculas. Por consiguiente, otras posibilidades fisiológicas de los resultados obtenidos en relación con el PHB pueden ser las siguientes: variaciones en la concentración de CO2 y aumento de la concentración de determinados parámetros.

Se ha demostrado que cambios ligeros de la presión parcial de CO2 estimulan los receptores implicados en el reflejo de Hering-Breuer32, los cuales, por vía vagal, podrían desencadenar una mayor activación de los centros bulbares de la respiración. En nuestro estudio, la relación del PHB con el VT2, a partir del cual se eleva la presión espiratoria total de CO2, indica que han podido producirse variaciones en la presión parcial del CO2 que justificarían la estimulación de receptores pulmonares sensibles a este gas.

A intensidades elevadas, aumenta la concentración de protones en plasma (acidosis metabólica) y se produce una variación en la concentración de potasio, que puede alcanzar valores tan elevados como 7 mEq/l, lo cual podría explicar en parte la hiperventilación en esfuerzo, bien por estimulación de los quimiorreceptores periféricos o centrales33,34. En nuestro estudio no hemos obtenido parámetros del estado ácido-base, de manera que no podemos saber si se ha producido un aumento de la concentración de potasio y de protones en sangre que justificara el cambio en el patrón respiratorio. No obstante, la presión espiratoria total de CO2 cambia a partir del punto de ruptura, de manera que una ligera oscilación de este parámetro podría explicar la estimulación de receptores de volumen u de otro tipo al CO235.

También se ha demostrado que puede utilizarse el procedimiento de análisis del VT2 a través de la relación VT/tI, aunque con cierta cautela, ya que el PHB precede al primero en aproximadamente 300 ml, muy probablemente como proceso de anticipación de la ventilación. Nuestros resultados de la relación entre el VT y la capacidad vital forzada están de acuerdo con los presentados por otros autores36. Estos demostraron que existen diferencias significativas entre personas con y sin EPOC. Esta variable ha demostrado ser un buen indicador de la mejora de la ventilación con el entrenamiento22. Por tanto, el PHB puede ser un procedimiento para ver la evolución de los pacientes con EPOC.

En conclusión, la relación VT/tI durante un ejercicio de intensidad creciente muestra un comportamiento en 2 fases: en la primera se produce un aumento de la ventilación a expensas del VT y, en menor medida, un incremento de la frecuencia respiratoria (reducción del tI); en la segunda, aumenta la frecuencia respiratoria, lo que condiciona el incremento del VT. El paso de fase se muestra por un punto de ruptura, denominado PHB, que se relaciona con el VT2. Siendo conscientes de las limitaciones del estudio, proponemos que el PHB puede deberse a la estimulación de receptores de volumen, de manera que determinado grado de distensión pulmonar podría informar a los centros de regulación al objeto de incrementar la ventilación. Este procedimiento podría aplicarse a los enfermos con EPOC.

Recibido: 18-10-2004; aceptado para su publicación: 11-10-2005.

Correspondencia: Dr. P.J. Benito-Peinado.

Facultad de Ciencias de la Educación Física y del Deporte (INEF).

Universidad Politécnica de Madrid.

Martín Fierro, s/n. 28040 Madrid. España.

Correo electrónico: pedroj.benito@upm.es