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A. Homeostasis

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El concepto de homeostasis apareció por primera vez en los 1860s, cuando el fisiólogo Claude Bernard (1813-1878) describió la capacidad que tiene el cuerpo para mantener y regular sus condiciones internas. Esta homeostasis es crítica para asegurar el funcionamiento adecuado del cuerpo, ya que si las condiciones internas están reguladas pobremente, el individuo puede sufrir grandes daños o incluso la muerte.
Posteriormente, en 1933, Walter B. Cannon (1871-1945) acuñó la palabra "homeostasis" (gr. homeo- constante + gr. stasis, mantener) para describir los mecanismos que mantienen constantes las condiciones del medio interno de un organismo, a pesar de grandes oscilaciones en el medio externo. Esto es, funciones como la presión sanguínea, temperatura corporal, frecuencia respiratoria y niveles de glucosa sanguínea, entre otras, son mantenidas en un intervalo restringido alrededor de un punto de referencia, a pesar de que las condiciones externas pueden estar cambiando.
Las células de un organismo sólo funcionan correctamente dentro de un intervalo estrecho de condiciones como temperatura, pH, concentraciones iónicas y accesibilidad a nutrientes, y deben sobrevivir en un medio en el que estos parámetros varían hora con hora y día con día. Los organismos requieren mecanismos que mantengan estable su medio interno intracelular a pesar de los cambios en el medio interno o externo, por lo que la homeostasis se ha convertido en uno de los conceptos más importantes en fisiología y medicina.
Por ejemplo, el cuerpo humano mantiene el pH de la sangre entre 7.35 y 7.45, aunque el metabolismo corporal constantemente genera numerosos productos ácidos de desecho que retan su capacidad para mantener el pH dentro de ese intervalo. Las consecuencias de no hacerlo son graves, ya que valores de pH menores a esos producen acidosis y valores superiores originan alcalosis, y cualquiera de ellos es peligroso para la vida. Es posible vivir pocas horas con un pH sanguíneo abajo de 7.0 o arriba de 7.7, pero un pH abajo de 6.8 o arriba de 8.0 es rápidamente fatal.
La temperatura corporal también requiere un control homeostático, ya que en un día la temperatura del medio ambiente puede variar entre 0° y 40 °C y a pesar de esa fluctuación, normalmente el punto de referencia de la temperatura corporal interna está alrededor de 37.4 °C y aunque puede variar, generalmente fluctúa sólo por 1 °C en el curso de 24 horas. De hecho, si la temperatura corporal baja de 33 °C o sube de 42 °C, la persona puede morir de hipotermia o hipertermia respectivamente.


Fig. 1. Asas de retroalimentación para mantener la temperatura corporal

1. Retroalimentación negativa

Los sistemas corporales controlados homeostáticamente son mantenidos por asas de retroalimentación negativa en un intervalo pequeño alrededor de un valor de referencia, y cualquier cambio o desviación de esos valores normales es contrarrestada. Las desviaciones inician respuestas que llevan la función del órgano de regreso a un valor dentro del intervalo normal.
Las asas de retroalimentación negativa requieren un receptor, un control central y un efector. El receptor es la estructura que mide las condiciones internas, como los receptores en los vasos sanguíneos del cuerpo humano que miden el pH de la sangre. En la mayor parte de los mecanismos homeostáticos el centro de control es el cerebro, que cuando recibe información sobre una desviación en las condiciones internas del cuerpo, manda señales para producir cambios que corrijan esa desviación y lleven las condiciones internas de regreso al intervalo normal. Los efectores son músculos, órganos y otras estructuras, que cuando reciben señales del cerebro u otro centro de control, cambian su función para corregir la desviación.
El problema de la retroalimentación negativa puede ser entendido más fácilmente comparándolo con la temperatura en una casa, que es medida con un sensor y controlada por medio de un termostato. Entonces, cuando afuera de la casa hace frío, este entra por las paredes bajando la temperatura interna de la casa y cuando baja del punto fijado por el termostato, este prende un calentador mientras continúa midiendo la temperatura conforme sube, de manera que cuando alcanza la temperatura deseada, apaga el calentador.
Otro ejemplo de retroalimentación negativa es la regulación de la presión sanguínea. Cuando los receptores que detectan la presión en la pared de los vasos sanguíneos detectan un aumento, mandan un mensaje al cerebro, que a su vez manda mensajes a los efectores, el corazón y los vasos sanguíneos. Como resultado, la frecuencia del corazón disminuye y los vasos sanguíneos aumentan su diámetro, lo que hace que la presión sanguínea caiga a un valor dentro del intervalo alrededor del valor de referencia. Lo mismo ocurre si la presión sanguínea disminuye, ya que los receptores mandan un mensaje al cerebro, que hace que la frecuencia del corazón aumente y los vasos sanguíneos disminuyan en diámetro.
La presión sanguínea normalmente aumenta durante el ejercicio y esto es una respuesta del cuerpo al aumento en la demanda de oxígeno por los tejidos musculares. Cuando los músculos requieren más oxígeno, el cuerpo responde aumentando la presión arterial y por tanto el flujo sanguíneo a estos tejidos. Este aumento es necesario para cubrir la demanda de oxígeno por los músculos.
En una forma similar, cuando una persona está hambrienta, el intervalo de referencia de la intensidad metabólica puede revalorarse abajo del normal. Esta baja en la intensidad metabólica es un intento del cuerpo por detener las lesiones debidas a la falta de alimentación y mantenerse funcionando a un nivel metabólico más bajo. Por ello, algunas personas que dejan de comer periódicamente en un intento por perder peso, encuentran que después de una baja inicial de peso se hace difícil perder más, lo que ocurre debido a la baja en el valor de referencia, ya que el ejercicio puede aumentar las demandas metabólicas para contrarrestar algunos de esos efectos.

2. Retroalimentación Positiva

La retroalimentación positiva es lo contrario a la retroalimentación negativa, o sea, un proceso por el que el cuerpo detecta un cambio y activa mecanismos que aceleran ese cambio. Esto también puede ayudar a la homeostasis, pero en muchos casos produce los efectos opuestos y pone en peligro la vida.
Un ejemplo de un efecto benéfico de la retroalimentación positiva es la coagulación de la sangre, ya que parte de su vía metabólica es la producción de una enzima llamada trombina, que forma la matriz del coágulo pero también acelera la producción de más trombina. Esto es, tiene un efecto autocatalítico o autoacelerador, de manera que el proceso de coagulación se va haciendo cada vez más rápido hasta que, idealmente, la hemorragia se detiene. Así, la retroalimentación positiva es parte de un asa de retroalimentación negativa que es activada por el sangrado y finalmente lo detiene.

Figura 2. Esquema de la posición del feto en el cervix del útero

Otro ejemplo de retroalimentación positiva ocurre durante el parto, cuando el feto a término casi no deja espacio dentro del útero (Figura 2). Entonces la cabeza hace presión sobre el cuello del útero (cérvix), pero el cuerpo de la mujer no responde tratando de eliminar la presión, sino que el cerebro estimula la producción de la hormona oxitocina, la que hace que el útero se contraiga para empujar el feto a salir. En este ejemplo se muestra que una retroalimentación positiva permite un nacimiento relativamente rápido, ya que los nacimientos lentos son muy estresantes para el feto y la madre.
Otro ejemplo mas se ve en la digestión de las proteínas, donde la presencia de una proteína parcialmente digerida en el estómago estimula la secreción de ácido clorhídrico y pepsina, la enzima que digiere la proteína. Así, una vez que empieza la digestión, esta se convierte en un proceso auto-acelerado.
Aquí hemos descrito la homeostasis con ejemplos de la fisiología humana, pero esta es una propiedad fundamental de la vida y una necesidad para la sobrevivencia de todos los seres vivientes. Por ello, la homeostasis también permite a organismos como bacterias, plantas, hongos y protistas, mantener su estabilidad interna a pesar de los incesantes cambios en el medio ambiente. Ejemplos en relación al tema de este libro, el Sistema Nervioso, serán dados en el contexto adecuado más adelante.

3. Anteroalimentación

Cuando se hacen análisis de circuitos neuronales se toman como base las neuronas, unidades celulares cuya actividad puede manifestarse por medio de eventos eléctricos que se comunican a otras neuronas y frecuentemente los circuitos neuronales trabajan por medio de retroalimentación, utilizando las señales de salida para centrar su foco de actividad. Sin embargo, cuando no tratamos con circuitos neuronales sino con organismos que tienen sistemas nerviosos, el interés se centra en el comportamiento y los mecanismos usados para mejorar su adaptación al medio ambiente.
Desde el punto de vista del organismo, frecuentemente se piensa en el cerebro como un sistema de procesamiento de anteroalimentación, en el que la información sensorial es procesada por niveles sucesivos de analizadores corticales que transforman los resultados de niveles anteriores, hasta que la información sensorial se encuentra en una forma adecuada para guiar el comportamiento del organismo. Como apoyo a esta idea parece que el patrón de conexiones en la corteza respeta la organización jerárquica, ya que las salidas de las áreas de nivel inferior correspondientes a una sola modalidad sensorial, son integradas en áreas multimodales de nivel superior. Después, las respuestas en las áreas sensoriales de alto nivel parecen tener respuestas más complejas a los estímulos sensoriales, que es lo que esperaríamos de acuerdo con una mayor abstracción conforme se atraviesa la jerarquía.
Sin embargo, hay varios niveles en los cuales el punto de vista de una anteroalimentación parece incompleto. Por ejemplo, a nivel de un 'diagrama de circuito' hay mas conexiones que se proyectan a través y hacia abajo en la jerarquía que las proyecciones de anteroalimentación. Más aún, si la información fuera procesada en una forma de anteroalimentación estricta, uno esperaría que una neurona respondiera en una forma idéntica a presentaciones repetidas del mismo estímulo sensorial. Aunque esto es una buena aproximación en las áreas sensoriales primarias de la corteza, en las estructuras de nivel superior frecuentemente las respuestas son más variables que lo esperado de un control sensorial estricto. Finalmente, aunque el procesamiento con anteroalimentación puede describir como hace un sujeto para producir comportamientos estímulo-respuesta simples, no puede explicar comportamientos más complejos, como la memoria o el pensamiento.
El psicólogo Donald Hebb propuso un punto de vista alternativo, indicando que las conexiones recurrentes y de retroalimentación tienen un papel esencial en la función del cerebro. El principal elemento de este punto de vista es el 'conjunto', un grupo de neuronas anatómicamente distribuido entre las cuales las conexiones mutuamente excitatorias se refuerzan por medio de actividad repetida, lo que permite que después el grupo mantenga esa actividad por medio de reverberación y sin estimulación sensorial directa. Esta hipótesis permite el comportamiento sensorio-respuesta y también otros que resultan sólo de una actividad cognitiva generada internamente por la activación secuencial de una serie de grupos neuronales, llevando a la producción de movimiento.

Fig. 3. Esquema de retroalimentación y anteroalimentación en un área cerebral. Las características principales de la paleocorteza olfatoria son las conexiones de anteroalimentación entre el bulbo y la corteza, y las de retroalimentación de la corteza a la células granulosas en el bulbo, junto con la interacción cortical excitatoria-inhibitoria. EPSC, corriente postsináptica excitatoria; IPSC, corriente postsináptica inhibitoria; GABA, ácido gama-aminobutírico.


Fig. 4. Conexiones de retro- y anteroalimentación al tocar un instrumento musical.

La Figura 4 ilustra las interacciones de retro- y de anteroalimentación que ocurren al tocar un instrumento musical, como el violín. Los sistemas motores controlan los movimientos finos necesarios para producir el sonido, que es procesado por los circuitos auditivos y usado a su vez para afinar las salidas motoras que producen los efectos deseados. Se cree que las señales de salida de la corteza premotora influyen sobre las respuestas dentro de la corteza auditiva, aún en ausencia o antes del sonido; también se cree que, en forma inversa, las representaciones motoras están activas aún en ausencia de movimiento o de sonidos. Por lo tanto, hay una conexión estrecha entre los mecanismos sensoriales y motores.
En resumen, la retroalimentación es un mecanismo que utiliza eventos que ya han pasado para mejorar la operación futura de neuronas y circuitos, mientras la anteroalimentación busca eventos que no han ocurrido y los utiliza para prever el comportamiento. Aunque generalmente este último ocurre en los organismos, también hay ejemplos a nivel neuronal, como se muestra en la Figura 4.

Alostasis

Un neurocientífico de la Escuela de Medicina de la Universidad de Pennsylvania, Peter Sterling, hizo una contribución importante al cuestionar el valor del término homeostasis. Como vimos, este término fue introducido en el siglo XIX por Claude Bernard para enfatizar la importancia de preservar un medio interno constante en el mantenimiento de un sistema saludable y posteriormente, en los 1930s, un fisiólogo de Harvard, Walter B. Cannon, usó el término homeostasis para referirse al medio ambiente interno estable, consistente y óptimo para el mantenimiento de la salud.
Sin embargo, Sterling ofreció argumentos convincentes de que en su mayor parte, las respuestas saludables no son el resultado de mantener un medio constante, sino todo lo contrario, son el resultado de mantener respuestas óptimas cambiando nuestros sistemas en formas apropiadas. Esto es, no viviriamos la experiencia de correr un maratón si nuestro sistema cardiovascular no cambiara durante varias fases de la carrera para acomodar las necesidades en las demandas sanguíneas. Igualmente, después de comer nuestro postre favorito, la salud depende de la capacidad del cuerpo para cambiar la producción de insulina y metabolizar la carga de azúcar que acabamos de introducir a nuestro sistema. Y si vemos a un niño corriendo hacia el tráfico de una calle, necesitamos liberar gran cantidad de nuestras hormonas del estrés para obtener la energía física y mental necesaria para esquivar el tráfico y rescatar al niño. Por lo tanto, las respuestas saludables no consisten en mantener una constancia del medio interno, sino en ser capaces de cambiarlo para llenar los requerimientos del medio ambiente, por lo que Sterling sugirió reemplazar el término 'homeostasis' por el de 'alostasis', definido este como 'el mantenimiento de la estabilidad por medio del cambio'.
Alostasis (gr. allos-, otro + stasis, mantener) es una palabra acuñada por Sterling y Eyer (1988) para caracterizar las variaciones en la presión sanguínea y frecuencia cardíaca durante las experiencias diarias, y también para describir cambios en el nivel de referencia de estos parámetros durante la hipertensión. Ellos usaron los cambios en el nivel de referencia como el punto principal que distingue la alostasis de la homeostasis (gr. homeo-, constante + stasis, mantener) y escribieron: "Allostasis emphasizes that the internal milieu varies to meet perceived and anticipated demand". Esto llevó a Bruce McEwen a definir alostasis en una forma más amplia que la idea de cambios en el nivel de referencia; esto es, como el proceso que en forma activa mantiene la homeostasis.
La diferencia entre homeostasis y alostasis es importante porque sistemas que varían de acuerdo a la demanda, como el eje hipotálamo-hipófisis-glándula suprarrenal (HHS) y el Sistema Nervioso Autónomo (SNA), ayudan a mantener los sistemas que son realmente homeostáticos. Más aún, variaciones grandes en el eje HHS y en el SNA no llevan directamente a la muerte, como las grandes desviaciones en la tensión de oxígeno y del pH.
Por todo eso, McEwen propuso que el término alostasis es mucho mejor para describir los mecanismos fisiológicos que resuelven problemas, reservando el término homeostasis para mecanismos que son necesarios para la sobrevivencia. En esta forma, podemos decir que alostasis describe los procesos que mantienen el organismo, esto es, mantienen la homeostasis o 'mantienen la estabilidad a través del cambio' y promueven la adaptación y resolución de los problemas fisiológicos, al menos en el corto plazo.
Entre los ejemplos de alostasis se encuentran las variaciones en la presión sanguínea. Por ejemplo, en la mañana al salir de la cama el cerebro eleva la presión sanguínea para mantener el flujo y la tensión de oxígeno en el cerebro. Otro ejemplo son las elevaciones en catecolaminas y glucocorticoides durante la actividad física, que sirven para movilizar y rellenar respectivamente los almacenes de energía requeridos para las funciones cerebrales y corporales. Estas adaptaciones mantienen el metabolismo esencial y la temperatura corporal.
Sin embargo, revisando nuevamente la analogía ingenieril, Bruce McEwen propuso el uso de otro término, 'carga alostática', para referirse a la carga sobre el cerebro y el cuerpo que ocurre después de una experiencia estresante, si es que los cambios no ocurren en una forma temporal adecuada. Por ejemplo, cada vez que ponemos grandes demandas sobre él, como arrastrar una pesada maleta por el aeropuerto, el sistema cardiovascular toma un largo tiempo para regresar a las condiciones basales y la carga alostática puede convertirse en una enfermedad cardiovascular.
Entonces, carga alostática se refiere al precio que tiene que pagar el cuerpo cuando es forzado a adaptarse a situaciones físicas adversas y representa la presencia de demasiada alostasis, o la operación ineficiente de los sistemas de respuesta alostática, que fueron prendidos y deben ser apagados después que la situación estresante ha pasado. Por ejemplo, los glucocorticoides tienen la capacidad de promover la conversión de proteínas y lípidos a carbohidratos útiles, y en el corto plazo rellenan las reservas de energía después de un periodo de actividad. Sin embargo, estos glucocorticoides también actúan sobre el cerebro para aumentar el apetito y la actividad locomotora, así como el comportamiento de búsqueda del alimento, regulando en esta forma los comportamientos que controlan la entrada de energía y su gasto.
Una paradoja semejante puede verse en el caso del corazón, ya que salir de la cama en la mañana requiere un aumento en la presión sanguínea y una redistribución del flujo de sangre a la cabeza. Además, para proporcionar el flujo que se requiere durante el día, la presión sanguínea se eleva y cae conforme las demandas física y emocionales cambian. Sin embargo, las elevaciones repetidas en la presión arterial promueven la generación de placas de aterosclerosis, particularmente cuando se combinan con un suplemento de colesterol, lípidos y radicales libres, que dañan las paredes de las arterias coronarias. Se sabe que los receptores beta adrenérgicos inhiben esta cascada de eventos y enlentecen la aterosclerosis, que es acelerada en monos dominantes expuestos a ambientes de dominancia inestable. Así, además de su importancia en la adaptación a corto plazo, las catecolaminas y la combinación de glucocorticoides e insulina pueden tener efectos peligrosos para el cuerpo.

Referencias

Cannon, W.B. 1932. The Wisdom of the Body. W.W. Norton.
Yi, T.N., Y. Huang, M.I. Simon, and J. Doyle. 2000. Robust perfect adaptation in bacterial chemotaxis through integral feedback control. PNAS 97: 4649-4653.
El-Samad, H., J.P., Goff, and M. Khammash. 2002. Calcium homeostasis and parturient hypocalcemia: an integral feedback perspective. J. Theor. Biol. 214: 17-29.
McEwen, B.S. 1998. Stress, Adaptation and Disease: Allostasis and Allostatic Load. Ann. N.Y. Acad. Sci. 840: 33-44.
Sterling, P., and J. Eyer. 1988. Allostasis: a new paradigm to explain arousal pathology. In: S. Fisher, J. Reason (Eds.). Handbook of Life Stress, Cognition and Health. John Wiley & Sons, New York. pp. 629–649.
Zatorre, R.J., L. Joyce, C. Penhune, and B. Virginia. 2007. When the brain plays music: auditory–motor interactions in music perception and production. Nature Rev. Neurosc. 8: 547-558.
Fuente

ENGAGEYA

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