La vital interacción entre la respiración y el cerebro

Si tiene la suerte de vivir hasta los 80 años, respirará hasta mil millones de veces a lo largo de su vida, inhalando y exhalando aire suficiente para llenar unos 50 dirigibles Goodyear o más. Respiramos unas 20.000 veces al día, aspirando oxígeno para alimentar nuestras células y tejidos, y eliminando del cuerpo el dióxido de carbono que se acumula como resultado del metabolismo celular. La respiración es tan esencial para la vida que la gente suele morir en cuestión de minutos si deja de respirar.

Es un comportamiento tan automático que tendemos a darlo por sentado. Pero la respiración es una maravilla fisiológica —a la vez extremadamente fiable e increíblemente flexible—. Nuestra frecuencia respiratoria puede cambiar casi instantáneamente en respuesta al estrés o la excitación e incluso antes de un aumento de actividad física. Y la respiración está tan perfectamente coordinada con otros comportamientos, como comer, hablar, reír y suspirar, que es posible que usted nunca se haya dado cuenta de cómo cambia su respiración para adaptarse a ellos. La respiración también puede influir en el estado de ánimo, como demuestran las prácticas de respiración controlada del yoga y otras antiguas tradiciones meditativas.

En los últimos años, los investigadores han empezado a desentrañar algunos de los mecanismos neuronales subyacentes de la respiración y sus múltiples influencias en el cuerpo y la mente. A finales de los años ochenta, los neurocientíficos identificaron una red de neuronas en el tronco encefálico que marca el ritmo de la respiración. Ese descubrimiento ha servido de trampolín para investigar cómo el cerebro integra la respiración con otros comportamientos. Al mismo tiempo, los investigadores han hallado pruebas de que la respiración puede influir en la actividad de amplias zonas del cerebro, incluidas las que desempeñan un papel importante en la emoción y la cognición.

“La respiración tiene muchos trabajos”, afirma Jack L. Feldman, neurocientífico de la Universidad de California en Los Ángeles y coautor de un reciente artículo sobre la interacción de la respiración y la emoción publicado en el Annual Review of Neuroscience. “Es muy complicado porque cambiamos constantemente de postura y metabolismo, y tiene que coordinarse con todos estos otros comportamientos”.

Cada respiración es una sinfonía de pulmón, músculo y cerebro

Cada vez que inhalamos, los pulmones se llenan de aire rico en oxígeno que se difunde por el torrente sanguíneo para distribuirse por todo el cuerpo. Un par de pulmones humanos típicos contiene unos 500 millones de pequeños sacos llamados alvéolos, cuyas paredes son el punto de paso de los gases entre las vías respiratorias y el torrente sanguíneo. La superficie total de esta interfaz es de unos 750 pies cuadrados —un poco más que el área de un típico apartamento de un dormitorio en San Francisco y un poco menos que los de una cancha de ráquetbol—.

“Lo extraordinario de los mamíferos, incluidos los humanos, es que tenemos una enorme superficie torácica”, afirma Feldman. Más superficie significa más intercambio de gases por segundo.

Pero los pulmones no pueden hacerlo solos. Son básicamente sacos de tejido blando. “Para que esto funcione, los pulmones tienen que bombear como un fuelle”, dice Feldman. Y así es: con cada inhalación, el músculo del diafragma, situado en la parte inferior de la cavidad torácica, se contrae y desciende unos dos centímetros. Al mismo tiempo, los músculos intercostales situados entre las costillas mueven la caja torácica hacia arriba y hacia fuera, lo que expande los pulmones y permite la entrada de aire. (Si alguna vez se ha quedado sin aliento por un golpe en el estómago, conoce bien lo que es el diafragma; y si ha comido costillas a la barbacoa, se has topado con los músculos intercostales).

En reposo, estos músculos solo se contraen durante la inspiración. La espiración se produce de forma pasiva cuando los músculos se relajan y los pulmones se desinflan. Durante el ejercicio, se contraen diferentes grupos de músculos para expulsar activamente el aire y acelerar la respiración.

A diferencia del músculo cardiaco, que tiene células marcapasos que fijan su ritmo, los músculos que controlan la respiración reciben órdenes del cerebro. Tomando en cuenta la importancia vital de estas señales cerebrales, es sorpresivo lo mucho que se tardó en descubrirlas. Uno de los primeros en considerar su origen fue Galeno, el médico griego que observó que los gladiadores a los que les quebraban el cuello por encima de cierto nivel eran incapaces de respirar con normalidad. Experimentos posteriores apuntaron al tronco encefálico y, en los años treinta, el fisiólogo británico Edgar Adrian demostró que el tronco encefálico disecado de un pez dorado sigue produciendo actividad eléctrica rítmica, que él creía que era la señal generadora de patrones subyacente a la respiración.

Pero la ubicación exacta del generador del patrón respiratorio del tronco encefálico permaneció desconocida hasta finales de los años ochenta, cuando Feldman y sus colegas lo redujeron a una red de unas 3.000 neuronas en el tronco encefálico de los roedores (en los humanos contiene unas 10.000 neuronas). Ahora se denomina Complejo preBötzinger (preBötC). Las neuronas de este complejo muestran espontáneamente ráfagas rítmicas de actividad eléctrica que, transmitidas a través de neuronas intermedias, dirigen los músculos que controlan la respiración.

A lo largo de los años, algunas personas han dado por sentado que Bötzinger debía de ser un anatomista famoso, dice Feldman, quizá alemán o austriaco. Pero en realidad el nombre se le ocurrió de repente durante una cena en un congreso científico en el que sospechaba que un colega estaba a punto de apropiarse del descubrimiento. Feldman chocó su copa para proponer un brindis y sugirió bautizar la región cerebral con el nombre del vino que se servía, procedente de los alrededores de Bötzingen, Alemania. Quizás lubricados por dicho vino, los demás estuvieron de acuerdo y el nombre quedó grabado. “Los científicos somos igual de raros que los demás”, dice Feldman. “Nos divertimos haciendo cosas así”.

Identificar los marcadores del ritmo respiratorio

Gran parte de la investigación posterior de Feldman se ha centrado en comprender exactamente cómo las neuronas del preBötC generan el ritmo respiratorio. Este trabajo también ha sentado las bases para que su laboratorio y otros investiguen cómo el cerebro orquesta la interacción entre la respiración y otros comportamientos que requieren alteraciones de la respiración.

La acción de suspirar es un ejemplo interesante. Un suspiro largo y profundo puede expresar muchas cosas: tristeza, alivio, resignación, anhelo, agotamiento. Pero los humanos no somos los únicos que suspiramos —se cree que todos los mamíferos lo hacen— y puede que sea porque suspirar tiene una importante función biológica, además de sus cualidades expresivas. Los humanos suspiran cada pocos minutos, y cada suspiro comienza con una inhalación que absorbe aproximadamente el doble de aire que una respiración normal. Los científicos sospechan que esto ayuda a abrir los alvéolos colapsados, las diminutas cámaras del pulmón donde se produce el intercambio de gases, del mismo modo que soplar en un guante de látex abre los dedos. Varias líneas de evidencia apoyan esta idea: los ventiladores de hospital programados para incorporar suspiros periódicos, por ejemplo, han demostrado mejorar la función pulmonar y mantener los niveles de oxígeno en sangre de los pacientes.

En un estudio publicado en 2016 en Nature, Feldman y sus colegas identificaron cuatro pequeñas poblaciones de neuronas que parecen ser responsables de generar suspiros en roedores. Dos de estos grupos de neuronas residen en una región del tronco encefálico cercana al preBötC, y envían señales a los otros dos grupos, que residen en el interior del preBötC. Cuando los investigadores mataron estas neuronas preBötC con una toxina altamente selectiva, las ratas dejaron de suspirar, pero su respiración siguió siendo robusta. Por otro lado, cuando los científicos inyectaron neuropéptidos que activan las neuronas, las ratas suspiraron con una frecuencia 10 veces mayor. En esencia, concluyen los investigadores, estos cuatro grupos de neuronas forman un circuito que indica a preBötC que interrumpa su programa regular de respiraciones de tamaño normal y ordene una respiración más profunda.

El preBötC también desempeña un papel en la coordinación de otros comportamientos con la respiración. Uno de los colaboradores de Feldman en el trabajo sobre los suspiros, el neurocientífico Kevin Yackle, y sus colegas utilizaron recientemente ratones para investigar las interacciones entre la respiración y las vocalizaciones. Cuando se separan de su nido, los ratones recién nacidos emiten gritos ultrasónicos, demasiado agudos para que los oigan los humanos. Suelen emitir varios gritos a intervalos regulares dentro de una misma respiración, algo parecido a las sílabas del habla humana, explica Yackle, que ahora trabaja en la Universidad de California en San Francisco. “Hay un ritmo respiratorio más lento y, dentro de él, un ritmo de vocalización más rápido”, explica.

Para averiguar cómo funciona, los investigadores echaron atrás hasta la laringe, la parte de la garganta que produce el sonido. Utilizaron trazadores anatómicos para identificar las neuronas que controlan la laringe y seguir sus conexiones hasta un grupo de células del tronco encefálico, en una zona que denominaron oscilador reticular intermedio (iRO, por sus siglas en inglés). Mediante diversas técnicas, los investigadores descubrieron que matar o inhibir las neuronas iRO elimina la capacidad de vocalizar un llanto, y estimularlas aumenta el número de llantos por respiración.

Cuando los investigadores diseccionaron rebanadas de tejido cerebral con neuronas iRO, las células seguían disparándose, siguiendo un patrón regular. “Estas neuronas producen un ritmo que es exactamente igual al de los gritos en el animal, donde es más rápido que el ritmo respiratorio preBötC, pero anidado en él”, afirma Yackle.

Otros experimentos sugirieron que las neuronas iRO ayudan a integrar las vocalizaciones con la respiración indicando al preBötC que realice pequeñas inhalaciones que interrumpan la exhalación, lo que permite que una serie de gritos breves encajen perfectamente en una sola exhalación. Es decir, el llanto rítmico no se produce por una serie de espiraciones, sino por una espiración larga con varias interrupciones.

Los resultados, publicados en 2022 en Neuron, pueden tener implicaciones para la comprensión del lenguaje humano. Según Yackle, el número de sílabas por segundo es relativamente bajo en todas las lenguas humanas. Quizá se deba a las limitaciones impuestas por la necesidad de coordinar las vocalizaciones con la respiración.

Marcar el ritmo en el cerebro

Estudios recientes sugieren que la respiración puede influir en el rendimiento de las personas en una gama sorprendentemente amplia de pruebas de laboratorio. El punto en el que una persona se encuentra en el ciclo de inhalación y exhalación puede influir en capacidades tan diversas como detectar un leve roce o distinguir objetos tridimensionales. Un estudio descubrió que las personas tienden a inhalar justo antes de realizar una tarea cognitiva —y que hacerlo tiende a mejorar el rendimiento—. Varios estudios han descubierto que solo la respiración por la nariz tiene estos efectos, no así la respiración por la boca.

Una idea emergente sobre cómo podría funcionar se centra en las bien documentadas oscilaciones rítmicas de la actividad eléctrica del cerebro. Estas ondas, que a menudo se miden con electrodos en el cuero cabelludo, captan la actividad acumulada de miles de neuronas y, durante décadas, algunos neurocientíficos han sostenido que reflejan la comunicación entre regiones cerebrales muy distantes que podrían subyacer a aspectos importantes de la cognición. Podrían ser, por ejemplo, la forma en que el cerebro integra la información sensorial procesada por separado en las partes auditiva y visual del cerebro para producir lo que experimentamos como una percepción perfecta de los sonidos y las vistas de una escena. Algunos científicos incluso han propuesto que esta actividad sincronizada podría ser la base de la propia conciencia (aunque, como puede imaginar, eso ha resultado difícil de demostrar).

Cada vez hay más pruebas de que la respiración puede marcar el ritmo de algunas de estas oscilaciones. En experimentos con roedores, varios equipos de investigación han descubierto que el ritmo respiratorio influye en las ondas de actividad del hipocampo, una región fundamental para el aprendizaje y la memoria. Durante la vigilia, la actividad eléctrica colectiva de las neuronas del hipocampo aumenta y disminuye a un ritmo constante, normalmente entre seis y diez veces por segundo. Este ritmo theta, como se denomina, se da en todos los animales que se han estudiado, incluidos los humanos.

En un estudio de 2016, el neurocientífico Adriano Tort, de la Universidad Federal de Rio Grande do Norte, en Brasil, y sus colegas se propusieron estudiar las oscilaciones theta, pero se dieron cuenta de que sus electrodos también captaban otro ritmo, más lento, con unos tres picos por segundo, aproximadamente el mismo que la frecuencia respiratoria de un ratón en reposo. Al principio les preocupó que se tratara de un accidente, dice Tort, quizá causado por un electrodo inestable o por los movimientos del animal. Pero otros experimentos les convencieron de que la actividad rítmica no solo era real y estaba sincronizada con la respiración, sino que además actuaba como un metrónomo que marcaba el ritmo de las oscilaciones theta más rápidas del hipocampo.

Más o menos al mismo tiempo, la neurocientífica Christina Zelano y sus colegas comunicaron hallazgos similares en humanos. Utilizando datos de electrodos colocados por cirujanos en el cerebro de pacientes epilépticos para controlar sus ataques, los investigadores descubrieron que la respiración natural sincroniza las oscilaciones de varias regiones cerebrales, entre ellas el hipocampo y la amígdala, un actor importante en el procesamiento emocional. Este efecto sincronizador disminuía cuando los investigadores pedían a los sujetos que respiraran por la boca, lo que sugiere que la retroalimentación sensorial del flujo de aire nasal desempeña un papel clave.

Zelano y sus colegas descubrieron que el ritmo respiratorio no solo sincroniza la actividad de las regiones cerebrales implicadas en la emoción y la memoria, sino que también puede afectar al rendimiento de las personas en tareas relacionadas con la emoción y la memoria. En un experimento, controlaron la respiración de los sujetos y les pidieron que identificaran la emoción expresada por las personas en una serie de fotos desarrolladas por psicólogos para evaluar el reconocimiento de emociones. Los sujetos identificaban más rápidamente los rostros temerosos cuando la foto aparecía mientras inhalaban que durante la espiración. En otra prueba, los sujetos recordaban con más precisión si habían visto una foto anteriormente cuando se presentaba mientras inhalaban. También en este caso, los efectos fueron mayores cuando los sujetos respiraban por la nariz.

Trabajos más recientes sugieren que el ritmo respiratorio podría sincronizar la actividad no solo dentro de las regiones cerebrales, sino también entre ellas. En un estudio, los neurocientíficos Nikolaos Karalis y Anton Sirota descubrieron que el ritmo respiratorio sincroniza la actividad entre el hipocampo y el córtex prefrontal en ratones dormidos. Esta sincronización podría desempeñar un papel en la creación de recuerdos a largo plazo, sugieren Karalis y Sirota en un artículo publicado a principios de 2022 en Nature Communications. Muchos neurocientíficos piensan que los recuerdos se forman inicialmente en el hipocampo antes de ser transferidos durante el sueño al córtex para su almacenamiento a largo plazo, un proceso que se cree que requiere una actividad sincronizada entre el hipocampo y el córtex.

Para Tort, estos hallazgos sugieren que puede haber importantes vínculos entre la respiración y la función cerebral, pero afirma que es necesario seguir trabajando para atar cabos. Las pruebas de que la respiración influye en las oscilaciones cerebrales son sólidas. El reto ahora es averiguar qué significa eso para el comportamiento, la cognición y la emoción.

¿Respiración controlada, mente tranquila?

Durante milenios, los practicantes de yoga y otras antiguas tradiciones de meditación han practicado la respiración controlada como medio para influir en su estado de ánimo. En los últimos años, los investigadores se han interesado cada vez más por los mecanismos biológicos de estos efectos y por cómo podrían aplicarse para ayudar a las personas con ansiedad y trastornos del estado de ánimo.

Un reto ha sido separar los efectos de la respiración de otros aspectos de estas prácticas, dice Helen Lavretsky, psiquiatra de la UCLA. “Es muy difícil distinguir qué es lo más eficaz cuando se realiza esta intervención multicomponente en la que hay estiramientos, movimiento, visualización y cánticos”, afirma. Por no hablar de los componentes culturales y espirituales que muchas personas atribuyen a esta práctica.

Durante muchos años, Lavretsky ha colaborado con neurocientíficos y otras personas para investigar cómo los distintos tipos de meditación afectan al cerebro y a los marcadores biológicos del estrés y la función inmunitaria. Ha descubierto, entre otras cosas, que la meditación puede mejorar el rendimiento en pruebas de laboratorio sobre la memoria y alterar la conectividad cerebral en personas mayores con deterioro cognitivo leve, un posible precursor de la enfermedad de Alzheimer y otros tipos de demencia. En estudios más recientes, que aún no se han publicado, ha pasado a investigar si los métodos de control de la respiración por sí solos pueden ayudar.

“Aunque soy psiquiatra, mi investigación se centra en cómo evitar [recetar] fármacos”, dice Lavretsky, que también es instructora de yoga titulada. Cree que los ejercicios de respiración podrían ser una buena alternativa para muchas personas, sobre todo si se investiga más sobre qué técnicas respiratorias funcionan mejor para qué afecciones y cómo podrían adaptarse a cada persona. “Todos tenemos esta herramienta, solo tenemos que aprender a utilizarla”, afirma.

Artículo traducido por Debbie Ponchner