Control neuronal del patrón de respiración

El mecanismo para generar y controlar el patrón de respiración por parte del circuito neuronal respiratorio ha sido debatido durante algún tiempo. En 1991, un área del tronco cerebral, el complejo Pre Bötzinger (preBötC), se encontró esencial para la respiración. Una sola neurona PreBötC aislada podría generar puntas tónicas (una secuencia no interrumpida de potenciales de acción), explosión (un patrón repetitivo que consiste en una secuencia de potenciales de acción seguidos de un intervalo de tiempo sin potenciales de acción) o silencio (sin potenciales de acción). Estas señales se transmiten, a través de otras poblaciones de neuronas, a las neuronas motoras espinales que activan el músculo respiratorio.

El músculo respiratorio se contrae cuando recibe una secuencia de potenciales de acción de las neuronas motoras y se relaja cuando no llega ningún potencial de acción. Por lo tanto, la aparición de aumento tónico, estallido y silencio puede asociarse con la contención de la respiración, la respiración y la no respiración (apnea), respectivamente. La tónica, el estallido y el silencio también aparecen en una población de neuronas preBötC acopladas cuando se aíslan in vitro.

La respiración se puede realizar con diferentes combinaciones de frecuencia y amplitud para satisfacer las necesidades metabólicas del cuerpo. Sin embargo, las habilidades para contener la respiración y no respirar también son importantes para apoyar otras actividades como el buceo, las comunicaciones vocales y la alimentación. Por lo tanto, también esperamos encontrar aumento tónico, estallido y silencio en una población de neuronas preBötC acopladas cuando está incrustada en el tronco cerebral.

Se ha estudiado experimentalmente la aparición de estallidos en la preBötC cuando esta población interactúa con otras poblaciones de neuronas en el tronco del encéfalo. Se encontró que la población preBötC se activa durante la inspiración durante aproximadamente un tercio del ciclo respiratorio, mientras que otras dos poblaciones distintas de neuronas (llamadas post-I y aug-E) se activan consecutivamente durante el tiempo espiratorio restante del ciclo. Esto fue llamado un patrón de 3 fases.

Un cambio en las condiciones del tronco cerebral, como la disminución del dióxido de carbono, transforma la fase 3 en un patrón de inspiración y expiración de 2 fases donde solo una población de neuronas espiratorias (aug-E) permanece activa. En condiciones extremas de hipoxia (falta de oxígeno) y, a pesar de estar incrustado en el tronco cerebral donde podría interactuar con otras poblaciones de neuronas, solo la población preBötC permanece activa, generando un patrón de 1 fase, similar al patrón generado por la población aislada preBott. Cuando la población preBötC activa el músculo respiratorio, el patrón de 3 fases conduce a un patrón de respiración normal, mientras que el patrón de 1 fase produce jadeo, un patrón de respiración con una inspiración brusca.

Estos hallazgos ilustran la dependencia del estado y la increíble plasticidad de la red neuronal respiratoria, que son esenciales para la supervivencia. Sin embargo, la existencia de múltiples mecanismos para generar respiración también dificulta la comprensión de cómo funciona el sistema neuronal y puede explicar por qué sigue siendo difícil de alcanzar.