Velocidad de Conducción de Fibras Nerviosas: Aspectos Fisiológicos

El comportamiento nervioso a la estimulación eléctrica ha sido ampliamente estudiado. La amplitud de respuesta en segmentos de nervios es producto de los potenciales de acción compuestos resultantes a la estimulación eléctrica.

Las fibras de diámetros diferentes que forman un nervio generan potenciales de acción individuales que se suman para dar un potencial de acción compuesto que corresponde a la amplitud de respuesta del total de fibras de un nervio con diferentes velocidades de conducción. Con el osciloscopio de rayos catódicos, Gasser y Erlanger (1922) pudieron registrar varios picos en el potencial de acción registrado del nervio ciático de rana.

Conceptos Clave en la Estimulación Nerviosa

La caracterización de las respuestas a la estimulación nerviosa para un nervio aislado compuesto de una morfología neuronal heterogénea debe entenderse ya no como subumbral, umbral y supraumbral para una sola neurona, sino más bien como estimulo-respuesta submaxima, máxima y supramaxima para un nervio compuesto por muchas neuronas. Se entiende que un estimulo submaximo es subumbral para algunas fibras no activadas por el potencial eléctrico evocado y umbral y/o supraumbral para las fibras del nervio activadas.

Por lo tanto, estas respuestas registradas como potenciales de acción compuestos son técnicamente, potenciales de campo cuyas características pueden ser diversas dependiendo de algunos aspectos. Las evaluaciones de excitabilidad y conductividad de potenciales de acción compuestos pueden realizarse directamente sobre un nervio (aislado o in situ) o mediante inferencias como en el caso de la mayoría de las evaluaciones de neuroconducción motora realizada en humanos con fines clínicos. En este último caso, se suele aplicar una estimulación neuronal transdérmica y se registra la activación eléctrica del músculo inervado por ese nervio.

El estudio del potencial de acción compuesto en nervio aislado, ofrece como ventaja el que las respuestas eléctricas son obtenidas directamente del nervio activado, por tal motivo, esta observación directa permite análisis más específicos relacionados con la función neuronal.

Factores que Influyen en la Amplitud de las Respuestas Electrofisiológicas

La amplitud de las respuestas electrofisiológicas de órganos completos, en general, dependen de:

1. El número de fibras que componen el órgano.
2. La sincronización de la respuesta o si se quiere ser más preciso, la derivada de la respuesta (en voltios) en función del tiempo (dV/dt), lo que a su vez está fuertemente asociado a los umbrales y a las velocidades de conducción de las fibras individuales.
3. La resistencia eléctrica entre el órgano activado y los electrodos de registro, lo que está muy relacionado (entre otras cosas) con la distancia y las propiedades de conductividad eléctrica de los tejidos interpuestos entre los electrodos de registro y el órgano activado.
4. Del componente vectorial registrado en el potencial de campo, donde el paralelismo entre los dispositivos de registro bipolar y el vector de despolarización de un órgano determinan mayores amplitudes en las ondas de registro.
5. De las propiedades de los instrumentos de registro.

De esta forma, si se evalúa de manera consecutiva las respuestas eléctricas musculares o nerviosas en un montaje experimental donde no cambien de ubicación los electrodos de estimulación y los de registro ni las propiedades del equipo de registro, las variaciones en las amplitudes de las respuestas dependerán esencialmente del número de fibras activadas en el órgano blanco y de la sincronización de las mismas.

Usualmente, la evaluación de la amplitud de la respuesta de un órgano excitable, está relacionada con el pico máximo del voltaje obtenido en la respuesta, sin embargo, tomando en consideración lo anteriormente expuesto, este valor estará íntimamente determinado por la máxima sincronización de las fibras de ese órgano, esto es, tal pico de voltaje ocurrirá por la sumatoria de los potenciales de campo obtenidos en el instante en que ocurrió ese pico. Esto puede subvalorar las activaciones de otras fibras del órgano que también han respondido frente al estímulo pero cuya respuesta no coincide temporalmente con las registradas en el momento del pico.

En esa dirección, si se pretende obtener una idea más global de la activación de un órgano frente a estímulos conocidos, es probable que sea más conveniente, considerar el área bajo la curva de la onda de respuesta, es decir, la carga movilizada durante toda la respuesta. Igualmente podría ser útil tener parámetros de evaluación basados en la sincronización instantánea como los valores de las máximas derivadas (positivas y negativas) del voltaje en función del tiempo.

La respuesta a un estimulo eléctrico se observa gráficamente como ondas que permiten evidenciar una despolarización en la que se disminuye la diferencia o gradiente de cargas del exterior y el interior celular seguida de una repolarizacion en la que se invierte este proceso y se recuperan los gradientes electroquímicos de las membranas nerviosas de cada neurona que compone este nervio y se logra alcanzar igualmente su potencial de reposo.

En tal sentido la excitabilidad de un nervio y sus neuronas (o de cualquier órgano con células excitables) dependerá de la proximidad entre el potencial de reposo y los correspondientes umbrales de cada fibra individual lo que a su vez se traduce en un órgano completo como el nervio o el músculo, en potenciales de campo submáximos, máximos o supramáximos de acuerdo a la cantidad de fibras reclutadas en la activación.

Resultados Experimentales

La electroestimulación se realizó en cuatro nervios ulnares de humano y cinco nervios aislados de Bufo marinus. Se observaron respuestas crecientes de amplitud bajo estímulos submáximos y una estabilización de las respuestas (saturación) bajo estímulos máximos. Se observó una relación lineal entre área bajo la curva (carga movilizada) y la amplitud máxima. Cada una de las respuestas a estímulos crecientes presentó una dispersión importante en todos sus valores de amplitud de respuesta.

Las velocidades máximas de despolarización (dV+/dt) y repolarización (dV-/dt) muestran el comportamiento del nervio en la máxima pendiente de cada fase de potencial de acción compuesto frente al estimulo escalonado y creciente aplicado.

Las respuestas de amplitud neuronal a estímulos escalonados aunque heterogéneo intra e ínter-especie se expresa de manera creciente y predecible en sentido cualitativo. La representación grafica de las respuestas a los estímulos nerviosos llega a saturarse lo que significa que a partir de un punto de estimulación no existirán más respuestas crecientes.

Cuando se relacionan la máxima amplitud de respuesta y el área bajo la curva de la misma se puede observas como las máximas amplitudes de respuesta tienden igualmente a "saturarse" mientras que el área bajo la curva aún puede continuar incrementando La amplitud de respuesta en iguales nervios del mismo espécimen (ipsi y contralateral) mostraron respuestas de amplitud diferentes.

Hermann von Helmholtz y la Medición de la Velocidad Nerviosa

El nacimiento de la electrofisiología y la biofísica modernas se sitúa en la primera medición de la velocidad de propagación de una señal nerviosa. Este fue el fruto del trabajo del investigador alemán, físico, fisiólogo y matemático, Hermann von Helmholtz.

Uno de los colaboradores del célebre fisiólogo Emile Du Bois-Reymond (a quien se le debe el descubrimiento del potencial de acción en la excitación nerviosa), y que fue también alumno de Johannes Müller, fue el fisiólogo y físico Hermann von Helmholtz. Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz nació en 1821, en Potsdam. Era el hijo mayor de un maestro de literatura y filología en la escuela secundaria de la ciudad. Hermann sintió rápidamente una inclinación por la física, pero la precaria situación económica familiar le hizo aceptar una beca para estudiar medicina en el Kónigliches Medizinisch-Chirurgisches Friedrich-Wilhelm Institut en Berlín, lugar donde ingreso en 1838. Esta beca le significaba el compromiso de trabajar como médico militar, lo que hizo entre 1843 a 1848, en un regimiento en su ciudad natal, Potsdam.

Durante su estadía en el instituto de medicina, Helmholtz se convirtió en uno de los estudiantes de Johannes Müller, ingresando a su vez a la recientemente fundada Sociedad Física de Berlín. Con Müller investigó el origen de las fibras nerviosas que se derivan a partir de las células ganglionares. Además, hizo estudios sobre la llamada "fuerza vital", un tema que en aquel tiempo atraía la atención de físicos, químicos y biólogos; el resultado fue un trabajo de física que apareció en 1847, Uber die Erhaltung der Kraft, en el cual aplicó el principio de conservación de la energía descrito por Robert Mayer (1814-1878) y James Joule (1818-1889) aotras áreas de la ciencia, incluida la fisiología.

En 1848 Helmholtz comenzó a dar clases en la Academia de Artes de Berlín y un año mas tarde fue nombrado Profesor de Fisiología y Anatomía Patológica en la Universidad de Kónigsberg. Aquí realizó su famoso experimento sobre la velocidad del impulso nervioso. En 1858 se cambió a Bonn como Profesor de Anatomía y Fisiología y, en 1868, a Heidelberg como Profesor de Fisiología. En 1871 ocupó la cátedra de Física en Berlín. Helmholtz fue miembro de las academias y sociedades científicas más importantes de su tiempo y en 1882 el Kaiser Wilhem I lo elevó a la nobleza, con lo cual su nombre cambió a von Helmholtz. Fue, además, Presidente del recientemente fundado Physikalisch-Technische Reichsanstalt de Berlín, lugar en el que permaneció hasta su muerte.

La breve comunicación de dos páginas en que Helmholtz reporta la velocidad de conducción nerviosa puede ser considerada el punto de partida de la neurofisiología y biofísica modernas. Los primeros fisiólogos, incluyendo su maestro Johannes Müller, creían que la función de los nervios era servir como base para la propagación de un agente inmensurable, el llamado "espíritu animal". Más aún, Müller sostenía que nadie sería capaz de medir la velocidad de la acción nerviosa, ya que los tiempos involucrados eran demasiado pequeños.

En su trabajo de 1850, Helmholtz estableció que el tiempo necesario para que se propague la excitación de un nervio por una breve corriente eléctrica, desde el plexo sacro hasta la inserción del nervio tibial en el músculo gas-i (en la rana), era finito. En enero de 1850, Helmholtz envió este informe a su amigo y colega Du Bois-Reymond, con la petición de que lo enviara a la Sociedad de Física en Berlín a fin de "depositarlo en su archivo y salvaguardar la prioridad". Johannes Müller presentó el estudio de Helmholtz como el primero realizado por el grupo físico-matemático de la Kóniglich-le Akademie der Wissenchaften, de Berlín.

El experimento de Helmholtz estableció que la velocidad de conducción nerviosa era de entre 25 y 43 m/s, un resultado extraordinariamente preciso y muy cercano a lo que establecen las mediciones hechas con las técnicas actuales. En una investigación siguiente, Helmholtz se refiere a la importancia de la temperatura en la velocidad de conducción nerviosa. Menciona que obtuvo los valores más bajos de la velocidad cuando los nervios estaban fríos, un hecho que habla de la manera exacta y crítica con que trabajaba.

Es interesante notar que las refinadas técnicas que Helmholtz usó eran una consecuencia de la tecnología desarrollada por el militarismo prusiano. Un problema importante para la artillería de la mitad del siglo XIX era calcular la trayectoria de una bala de cañón, para lo que era necesario conocer su velocidad y el tiempo requerido para que la pólvora prendiera. En una conferencia, el 13 de diciembre de 1850, Helmholtz narra la historia de las mediciones de pequeños intervalos de tiempo. En ella describe los instrumentos empleados, en particular, el cilindro rotatorio de Siemens, que permitía resolver hasta 40 milésimas de segundo, y el aparato de Foucault y Fizeau -ellos lo usaron para medir la velocidad de la luz- y con el cual se podía medir hasta 77 millonésimas de segundo. Finalmente, recalcó: "... ustedes ven como la microscopía del tiempo ha sobrepasado por mucho a la del espacio".

Anestesia Espinal y sus Efectos en el Sistema Nervioso

La anestesia espinal es una técnica ampliamente utilizada hoy en día en contextos intraoperatorios. Esta posee efectos fisiológicos característicos en los diferentes sistemas corporales, los cuales son esenciales de conocer a la hora de utilizar este método anestésico. Dichos efectos pueden cobrar principal relevancia en ciertos pacientes según sus requerimientos, comorbilidades o el procedimiento al cual serán sometidos. En esta revisión se destacan los efectos que la anestesia espinal produce en los principales sistemas del organismo.

En el sistema nervioso autonómico, los efectos dependerán de la regulación de los sistemas simpático y parasimpático secundaria al nivel de bloqueo, el cual puede ser estimado mediante el nivel de discriminación térmica. El bloqueo simpático producido se traduce en vasodilatación arterial y venosa sistémica, lo que a su vez causa una disminución de la resistencia vascular periférica, retorno venoso, frecuencia cardiaca y contractilidad miocárdica.

En cuanto al sistema nervioso central, la anestesia espinal causaría un efecto sedante mediante distintas teorías. En condiciones normales, la función ventilatoria no resulta significativamente afectada, pero podría volverse insuficiente en ciertos pacientes o verse afectada en cuanto a la regulación de la broncodilatación. Debido a la redistribución de flujo, se ve afectada la termorregulación, presentando disminuciones en la temperatura corporal.

Tabla 1: Distribución de la Inervación Visceral

El bloqueo simpático producido durante la anestesia espinal induce vasodilatación arterial y venosa, determinantes de los principales cambios de la fisiología cardiovascular durante esta técnica. La vasodilatación arterial es de una magnitud de 15%-20% del diámetro de los vasos. La dilatación arterial supone una disminución de la resistencia vascular sistémica, cuya intensidad dependerá del área corporal denervada y la compensación vasoconstrictiva de los territorios no afectados.

La venodilatación en las áreas sujetas al efecto del bloqueo espinal es prácticamente máxima. La consecuencia es un aumento de la capacitancia con un aumento del débito cardíaco, aunque con hipotensión arterial si este aumento del débito no es suficiente para compensar. La contractilidad miocárdica está disminuida por efecto de la caída del retorno venoso y el volumen de fin de diástole ventricular, a través del fenómeno de Frank Starling.

La frecuencia cardiaca disminuye a causa de varios reflejos relacionados a un menor retorno venoso. En primer lugar, el nodo sinusal descarga con una periodicidad proporcional al grado de estiramiento de sus células; a menor estiramiento, por menor volumen auricular dado por menor retorno venoso, menor frecuencia de disparos. Este no es un reflejo nervioso, sino una respuesta intrínseca de las células del nodo. Por otro lado, a nivel de la pared de la aurícula se genera una respuesta refleja nerviosa en la cual, al detectar un mayor estiramiento, aumenta el tono simpático y la frecuencia cardiaca; fenómeno conocido como reflejo de Bainbridge.

Los efectos predecibles son disminución de la frecuencia cardiaca y fuerza contráctil. La frecuencia no se ve afectada significativamente por la falta de inervación en el paciente sano en reposo, ya que basalmente hay predominio de la inervación parasimpática con baja actividad simpática. La bradicardia de la anestesia espinal normalmente está asociada al bloqueo de fibras cardioaceleradoras.

En condiciones normales de reposo, sólo la inspiración es un esfuerzo activo, el cual es realizado por el diafragma, que está inervado por el nervio frénico (C2-C5). No es sorprendente, entonces, que la anestesia espinal, en pacientes sin patología agregada, no se asocie a grandes cambios en la mecánica respiratoria. Sin embargo, la función espiratoria es activa y es una función que depende de la musculatura abdominal y la musculatura intercostal interna, la cual es inervada por nervios espinales somáticos torácicos. En una anestesia neuroaxial esta musculatura quedará parcialmente denervada dependiendo del nivel máximo alcanzado.

La anestesia espinal se ha asociado con disminución del nivel de conciencia (sedación). Esto se ha medido por observación clínica, monitores de profundidad anestésica e, indirectamente, por la disminución en los requerimientos de sedantes intravenosos como midazolam y propofol. Si bien el mecanismo causal no está dilucidado, podría pensarse en la disminución del flujo cerebral consecuente con la hipotensión arterial como posible explicación.

El intestino y vísceras intraabdominales están inervados por fibras simpáticas de T6 a L1 y fibras parasimpáticas provenientes tanto del nervio vago como de S2 a S4, por medio de los nervios hipogástricos, para colon descendente y recto. El bloqueo de fibras simpáticas deja sin contrapeso la inervación parasimpática del nervio vago, resultando en un intestino contraído, esfínteres relajados y aumento del peristaltismo, lo que pudiera interferir en algunas cirugías que requieren que el intestino esté relajado e inmóvil.

Clínicamente la función renal durante una anestesia intratecal tiene cambios de baja magnitud en el sujeto sano. La caída de la presión arterial sistémica podría disminuir el flujo renal. La presencia de mecanismos de autorregulación y la reserva renal mantienen la función renal normal a pesar de los cambios anteriores.

La inervación sacra de la vejiga y el reflejo de micción están precozmente expuestos al bloqueo nervioso de la anestesia espinal. El bloqueo de las fibras sensitivas impide la señal de distensión y el bloqueo parasimpático, disminuye el tono contráctil del músculo detrusor facilitando la acumulación de orina y distensión de la vejiga.

Durante la anestesia espinal hay una disminución de la temperatura corporal central, por redistribución del calor del cuerpo entre compartimentos internos y periféricos afectados por la vasodilatación cutánea, consecuencia del bloqueo simpático.

Tabla 2: Velocidad de Conducción de Fibras Nerviosas

Factores que Afectan el Bloqueo Nervioso en la Anestesia Espinal

Por lo general, el bloqueo nervioso está determinado por tres factores principales:

1. La distribución del anestésico local en el líquido cefalorraquídeo (LCR), que a su vez se ve afectado por una gran variedad de factores, destacando entre estos el volumen de LCR.
2. La absorción, la cual es mayor en los sitios en donde la concentración del fármaco también lo es: para esto afecta la accesibilidad, el contenido lipídico y la irrigación vascular de cada zona.
3. La eliminación, mediada principalmente por la irrigación de los distintos compartimentos, y cuyo orden es distinto a la imagen especular del inicio de acción.

La inyección de anestésicos locales en el espacio subaracnoideo, en cantidad y concentración suficiente, produce interrupción de la transmisión neural desde la periferia hacia el sistema central y viceversa. El sitio de acción fundamental son las raicillas espinales que transitan por el espacio subaracnoideo entre la médula espinal y el saco dural. En modelos animales, los estudios histológicos han medido niveles medulares de anestésicos incluso mayores que en nervios espinales, sugiriendo que éste también puede ser un sitio de acción.

Durante la instalación del bloqueo es posible observar diferencias en el tiempo de establecimiento de los bloqueos motor y sensitivo, más aún, diferencias en la instalación de distintas percepciones sensitivas. La clásica descripción es una secuencia de eventos clínicos en el siguiente orden:

1. Vasodilatación cutánea y sensación de calor.
2. Pérdida de la sensibilidad dolorosa y térmica.
3. Pérdida de la sensibilidad de tacto.
4. Bloqueo motor.

Una vez establecido el nivel anestésico al pinchazo cutáneo (pin prick) es posible establecer bloqueo térmico y simpático a niveles más altos, lo que se conoce como bloqueo diferencial. Este comportamiento se explica por varias razones: en primer lugar, existen diferencias de sensibilidad entre fibras mielínicas y amielínicas. In vitro, en modelos de nervios en baño de anestésico, las fibras mielínicas son más sensibles que las fibras amielínicas; en segundo lugar, existen diferencias de afinidad de los anestésicos locales por las fibras nerviosas.

El mecanismo de acción de la anestesia espinal es principalmente por el efecto de los anestésicos locales a nivel de los canales de Na+ de las neuronas. Bajo condiciones ideales el bloqueo nervioso es un fenómeno todo-o-nada. Esto significa que los axones de un nervio que estén expuestos a una concentración mayor o igual a la concentración mínima para esa fibra (Cm) asociado a un volumen suficiente para bloquear 3 o más nodos de Ranvier adyacentes, estará sólidamente anestesiado.

Tabla 3: Factores que Afectan la Distribución del Anestésico Local en el Espacio Subaracnoideo

• Edad
• Altura
• Configuración anatómica de la columna
• Sitio de inyección
• Dirección de la aguja
• Volumen de LCR
• Densidad del LCR
• Baricidad del AL
• Posición del paciente
• Dosis y volumen del anestésico inyectado

Para acceder a las fibras nerviosas, el anestésico una vez depositado en el espacio subaracnoideo, debe distribuirse para entrar en contacto con las neuronas. La absorción del AL por el tejido neural (uptake) dependerá de cuatro factores operativos simultáneos: accesibilidad, concentración del AL, contenido lipídico y flujo sanguíneo tisular.

Para el caso de un bloqueo epidural, el número de nodos de Ranvier bloqueados a nivel lumbar será numeroso y, por lo tanto, no será un factor determinante del bloqueo. Se han identificado al menos 25 factores que potencialmente pueden afectar la distribución del AL en el espacio subaracnoideo.

La distribución del AL determina la absorción que ocurrirá en el tejido neural en el canal espinal. Esta será mayor donde exista mayor concentración del anestésico. La magnitud del bloqueo será mayor donde exista más absorción y decrecerá en función de la distancia del sitio de inyección. La absorción por los diferentes tejidos neurales dependerá de 3 factores: 1) accesibilidad; 2) contenido lipídico y 3) flujo sanguíneo tisular.

Los anestésicos locales son removidos del espacio subaracnoideo por absorción vascular intratecal, vascular medular y por difusión a través de la duramadre-aracnoides hacia el espacio epidural, donde habrá absorción vascular epidural. La tasa de absorción vascular de los tres compartimientos está inversamente relacionada a la solubilidad lipídica.

tags: