La respuesta ventilatoria hipóxica ( RVH ) es el aumento de la ventilación inducido por la hipoxia que permite al cuerpo absorber y transportar concentraciones más bajas de oxígeno a tasas más altas. Inicialmente es elevada en las personas de las tierras bajas que viajan a grandes altitudes, pero se reduce significativamente con el tiempo a medida que las personas se aclimatan . [1] [2] En antropología biológica , la RVH también se refiere a la adaptación humana a las tensiones ambientales resultantes de la gran altitud. [3]
En los mamíferos , la HVR desencadena varios mecanismos fisiológicos. Es un resultado directo de la disminución de la presión parcial de oxígeno en la sangre arterial y conduce a un aumento de la ventilación. El cuerpo tiene diferentes formas de lidiar con la hipoxia aguda. Los mamíferos que dependen de la ventilación pulmonar aumentarán su ventilación para compensar la falta de oxígeno que llega a los tejidos. [2] Los mamíferos también experimentarán disminuciones en el metabolismo aeróbico y la demanda de oxígeno, junto con aumentos en la producción de ATP .
Los mecanismos fisiológicos difieren en su efecto y en su transcurso. La ventilación asistida por frecuencia (HVR) depende del tiempo y se puede dividir en dos fases: la primera (0-5 minutos) de aumento de la ventilación y la segunda (5-20 minutos) de disminución lenta. [4]
El aumento inicial de la ventilación a partir de la HVR se inicia por los cuerpos carotídeos , que se encuentran bilateralmente ubicados en el puerto de circulación cerebral . [2] Los cuerpos carotídeos contienen células sensibles al oxígeno que se vuelven más activas en respuesta a la hipoxia. Envían información al tronco encefálico que luego es procesada por los centros respiratorios . Otros mecanismos incluyen factores inducibles por hipoxia , particularmente HIF1 . [2] Los cambios hormonales también se han asociado con la HVR, particularmente aquellos que afectan el funcionamiento de los cuerpos carotídeos. [5]
Como la HVR es una respuesta a la disminución de la disponibilidad de oxígeno, [1] comparte los mismos desencadenantes ambientales que la hipoxia. Dichos precursores incluyen viajar a lugares de gran altitud [6] y vivir en un entorno con altos niveles de monóxido de carbono . [7] Combinada con el clima, la HVR puede afectar la aptitud física y la hidratación . [2] Especialmente para las personas de las tierras bajas que atraviesan más de 6000 metros de altitud, el límite de la exposición humana prolongada a la hipoxia, la HVR puede provocar hiperventilación y, en última instancia, el deterioro del cuerpo. El consumo de oxígeno se reduce a un máximo de 1 litro por minuto. [8]
Los viajeros aclimatados a grandes altitudes presentan altos niveles de HVR, ya que proporciona ventajas como un mayor consumo de oxígeno, un mejor rendimiento físico y mental y una menor susceptibilidad a las enfermedades asociadas con la gran altitud. [1] Las adaptaciones en las poblaciones que viven a grandes altitudes varían de cultural a genética y entre poblaciones. Por ejemplo, los tibetanos que viven a grandes altitudes tienen una respuesta ventilatoria hipóxica más sensible que los pueblos andinos que viven a altitudes similares, [5] [9] a pesar de que ambas poblaciones muestran una mayor capacidad aeróbica en comparación con los habitantes de las tierras bajas. [10] La causa de esta diferencia es muy probablemente genética, aunque también pueden contribuir factores de desarrollo. [10]
La primera etapa de la respuesta ventilatoria hipóxica consiste en la reacción inicial a un entorno hipóxico que conduce hasta el pico conocido como potenciación de corto plazo (STP). [11] El proceso es inducido por una disminución de la presión parcial de oxígeno en la sangre. Las células glómicas de tipo I de los cuerpos carotídeos detectan el cambio en los niveles de oxígeno y liberan neurotransmisores hacia el nervio del seno carotídeo, que a su vez estimula el cerebro, lo que finalmente produce un aumento de la ventilación. [2] El período de aumento de la ventilación varía entre diferentes individuos, pero por lo general dura menos de diez minutos. [12]
La STP es el aumento de la ventilación después de la respuesta hipóxica aguda y el retorno eventual de la ventilación a su equilibrio después de la estimulación del nervio del seno carotídeo , lo que provoca una desaceleración de la frecuencia cardíaca. Este mecanismo suele durar entre uno y dos minutos. [13] La STP es más evidente en el volumen corriente o la amplitud de la salida neural frénica .
La STD es un salto temporal en la frecuencia respiratoria al comienzo de la estimulación quimioaferente carotídea o una caída temporal en la frecuencia respiratoria al final de la estimulación quimioaferente. Este mecanismo dura desde un lapso de varios segundos hasta unos pocos minutos. [14] La STP solo se ha encontrado en la frecuencia respiratoria de la estimulación del nervio frénico, que produce la contracción del diafragma .
La presencia continua en un ambiente hipóxico durante más de 24 horas conduce a un flujo constante de ventilación. [11] Esta contingencia en el ambiente provoca hipocapnia que disminuye la ventilación . [15]
La hipoxia crónica produce cambios fisiológicos adicionales debido al factor de transcripción factor inducible por hipoxia (HIF). El HIF es un dímero compuesto por la subunidad HIF-1α y HIF-1β. El HIF-1α normalmente no puede unirse con el HIF-1β. Sin embargo, la menor presión parcial de oxígeno induce una modificación postranscripcional del HIF-1α, lo que permite que el HIF-1α se dimerice con el HIF-1β para formar el HIF-1. El HIF-1 induce muchos cambios fisiológicos que ayudan al cuerpo a adaptarse a la menor disponibilidad de oxígeno, incluida la angiogénesis , el aumento de la producción de eritropoyetina y la promoción del metabolismo anaeróbico . [2]
El sistema nervioso desempeña un papel clave en la respuesta ventilatoria hipóxica. El proceso se desencadena cuando el sistema nervioso periférico detecta un nivel bajo de oxígeno en sangre. En particular, se ha demostrado que el neurotransmisor glutamato tiene una correlación directa con un aumento de la ventilación. Un estudio realizado en perros investigó cómo responden sus sistemas cardiovasculares a varios niveles de oxígeno antes y después de recibir MK-801 , que es un antagonista del glutamato. Con el MK-801, hubo una disminución notable tanto en la frecuencia cardíaca como en las respiraciones por minuto en condiciones de hipoxia. Según el estudio, el hecho de que la HVR se redujera cuando se inhibía el glutamato demuestra que el glutamato es esencial para la respuesta. [16]
Las poblaciones que residen en altitudes superiores a los 2.500 metros se han adaptado a sus entornos hipóxicos. [18] La HVR crónica es un conjunto de adaptaciones que se encuentran entre la mayoría de las poblaciones humanas históricamente nativas de regiones de gran altitud, incluida la meseta tibetana , el altiplano andino y la meseta simia . [17] Hasta 140 millones de personas en total residen en dichas áreas, aunque no todas poseen estas adaptaciones. [19] Las poblaciones que se han establecido permanentemente en lugares de gran altitud prácticamente no muestran reacción a la hipoxia aguda . Se ha demostrado que los nativos de los Andes y el Himalaya desarrollan adaptación a la hipoxia desde el nacimiento hasta los años neonatales en forma de pulmones más grandes y mayor superficie de intercambio de gases. [20] Esta respuesta puede atribuirse a factores genéticos, pero el desarrollo de la resistencia a la hipoxia aguda se ve muy afectado por el momento en que el individuo está expuesto a la gran altitud; [20] Si bien los factores genéticos juegan un papel indefinido en la HVR de una persona, debido a que los migrantes a largo plazo no muestran una reducción en sus reacciones a las grandes altitudes incluso después de vivir en grandes altitudes durante mucho tiempo, la discrepancia sugiere que la reacción a la HVR es la combinación de exposición ambiental y factores genéticos. [18]
Los pueblos andinos son una de las tres poblaciones centrales de estudio que tienen una HVR disminuida. Estas poblaciones habitan notablemente áreas dentro y alrededor de la cordillera de los Andes , que tiene una altitud promedio de 13,000 pies (4,000 m). [21] La HVR se ha estudiado en habitantes de Cusco , Perú, que se encuentra a 11,000 pies (3,400 m). [21] Vivir en altitudes tan elevadas ha llevado a adaptaciones culturales, incluido el consumo de té de coca . El té de coca es un extracto hecho hirviendo las hojas de la planta de coca en agua y contiene el estimulante cocaína . Durante milenios, los andinos han usado el té de coca como tratamiento para el mal de altura agudo, [22] y hasta el día de hoy todavía se les da a quienes viajan a las regiones de gran altitud de Perú, aunque su efectividad ha sido cuestionada. [23] En un estudio de 2010 publicado en el Journal of Travel Medicine , el consumo de té de coca se asoció con un aumento en la incidencia del mal de altura experimentado por los viajeros que visitaban la ciudad de Cusco, Perú. [23]
Se ha descubierto que la respuesta ventilatoria es sustancialmente menos pronunciada en las poblaciones andinas que en los tibetanos, y que la respuesta HVR de los tibetanos es aproximadamente el doble que la de los andinos a una altitud de alrededor de 4.000 metros (13.000 pies). [24] Las adaptaciones a la altitud también parecen ser menos permanentes que las observadas en las poblaciones tibetanas, ya que los andinos tienen una prevalencia mucho mayor del mal crónico de montaña (CMS), en el que el cuerpo desarrolla una reacción dañina a los bajos niveles de oxígeno durante muchos años. [25]
El pueblo tibetano es un grupo étnico originario del Tíbet que vive en toda la meseta tibetana . Viven a altitudes de hasta 15.000 pies (4.600 m), [26] y, por lo tanto, son de gran interés para los investigadores que investigan HVR en poblaciones de gran altitud. Una de estas poblaciones son los sherpas , un grupo de tibetanos buscados por su conocimiento y habilidad para navegar por el Himalaya . Históricamente, los sherpas han sido contratados para guiar expediciones al Monte Everest , pero la práctica ha disminuido desde entonces a la luz de la explotación de los guías sherpas. La energía y la facilidad con la que los sherpas ascienden y descienden montañas se deben a su capacidad para utilizar el oxígeno de manera más eficiente. [27] Esta capacidad para sobresalir en el montañismo ha cambiado su cultura a su alrededor. El turismo se ha convertido en una fuerza impulsora de los ingresos financieros del pueblo sherpa. Los sherpas pueden ganar mucho más dinero [28] actuando como guías de viaje debido a su conocimiento local y su capacidad para escalar.
La evidencia genética sugiere que los pueblos tibetanos divergieron de la población china Han más grande en algún momento alrededor de 1000 a. C. [29] [30] [31] a 7000 a. C. [32] [33] Dadas las mutaciones significativas en el gen EPAS1 que contribuyen a la resistencia tibetana al mal de altura , esto sugiere que la presión evolutiva extrema sobre los pueblos tibetanos ha producido uno de los efectos de selección natural más rápidos vistos en una población humana. [34] Las adaptaciones de los tibetanos a su respuesta ventilatoria hipóxica interactúan con otras adaptaciones para promover una reproducción exitosa. Por ejemplo, los tibetanos han desarrollado una mayor saturación de oxígeno durante la infancia, lo que lleva a una tasa más baja de mortalidad infantil que la experimentada por poblaciones no adaptadas a la altitud. [35]
El pueblo amhara habita las tierras altas del centro y norte de Etiopía , en la región de Amhara , donde la altitud varía constantemente entre 1500 m (4921 pies) y 4550 m (14 928 pies). Durante más de 5000 años, los humanos han vivido cerca de las montañas Simien a altitudes superiores a los 3000 m y durante ese tiempo se adaptaron genéticamente a las condiciones hipóxicas de las grandes altitudes . [36] [37]