Fisiologia y Metabolismo Cerebral

FISIOLOGIA Y METABOLISMO CEREBRAL

Dra. Zoraide Denisse Garcia Viera.Residente anestesiologia

Objetivo

• Explicar brevemente de manera grafica los afluentes circulatorios y los drenajes liquidos del cerebro sano.

El CRANEO

• Estructura rígida no distensible

• Continente: tejido cerebral (86%), sangre (4%) y líquido cefalorraquídeo (10%).

• La interacción de estos 3 componentes dentro del cráneo ejerce una presión que se denomina presión intracraneal (PIC).

• PIC en un adulto sano es de 10 mm Hg y no debe ser mayor de 15 mm Hg.

EL TEJIDO CEREBRAL

• Constituye 2% del peso corporal, pero es el elemento con mayor volumen intracraneal (86%)

• Contiene 75% de agua y está formado por neuronas y glia.

LAS NEURONAS

• Son aproximadamente 10000 millones

• Función: regular toda la actividad sensorial, motora y neurovegetativa del organismo, a través de la generación, conducción y transmisión de impulsos eléctricos.

Señal aferente

Señal eferente

LA NEUROGLIA O GLIA:

• Es el conjunto de neuronas del SNC sostenidas por algunas variedades de células no excitables.

• Cuatro tipos principales de células neurogliales: astrocitos, oligodendrocitos, microglia y el epéndimo.

Objetivo

• Explicar el sistema de aporte y consumo de oxigeno – energetico de un cerebro sano

EL CEREBRO

• Es un convertidor de energía y un importante consumidor de energía.

• Utilizada una cuarta parte de la glucosa consumida por el organismo.

• Conservador de energía: controlado por la actividad de las células.

Para cumplir con la función reguladora de las neuronas, EL

SNC requiere del aporte de sustratos

energéticos:

Glucógeno Glucosa Oxígeno.

FUNDAMENTALMENTE: • Los requerimientos energéticos del SNC provienen, casi exclusivamente,

de la glucogenolisis del glucógeno almacenado en el hígado y el

músculo.

• el tejido cerebral necesita grandes cantidades de energía para su funcionamiento normal.

• Esta energía le permite regular las múltiples conexiones sinápticas, los canales iónicos voltaje-dependientes y agonistas dependientes, así como la síntesis, transportación, almacenamiento y liberación de diversas sustancias

• Los requerimientos de energía del SNC son importantes.

• Sin embargo sus depósitos de sustratos generadores de energía (glucógeno, glucosa, oxígeno) son pequeños

• Por tanto el funcionamiento normal del SNC depende del equilibrio entre el aporte y la demanda de sustratos energéticos, así como de la adecuada eliminación de los productos de deshecho originados por su metabolismo

• La principal fuente de energía del SNC es la hidrólisis de moléculas de ATP.

• A su vez, el mecanismo más importante para la producción de ATP en el SNC es el metabolismo de la glucosa.

METABOLISMO DE LA GLUCOSA

• Transportada por un mecanismo de difusión facilitada desde la sangre hacia el SNC, el cual es competitivo y saturable.

• En reposo, el cerebro extrae aproximadamente alrededor de 10% de la glucosa transportada por la sangre.

• El metabolismo de la glucosa se realiza mediante dos fases:

1.Fase anaeróbica (citoplasma), que lleva a la producción de ácido pirúvico y ácido láctico

2.Fase aeróbica (mitocondrial) que caracteriza el metabolismo del ácido pirúvico a través del ciclo de los ácidos tricarboxílicos y de la cadena respiratoria

• La via principal para metabolizar la glucosa en el humano es la GLUCOLISIS.

METABOLISMO DE LA GLUCOSA1. Fase anaeróbica citoplasma (Glicolisis anaeróbica)

Glucosa ’Piruvato’Lactato = 2 ATP

2. Fase aeróbica en las mitocondrias (Glicolisis aeróbica)GLucosa’ Ac. Pirúvico = 36 ATP

• Se ha encontrado actividad Glucosa 6 FDH en astrocitos.

• El cerebro usa el 20% de la glucosa total metabolizada principalmente a través de la glucólisis acoplada al ciclo de los Ácidos Tricarboxilicos (ATC) y al ciclo de las pentosas.

o Vía ATC: genera energíao Ciclo de las pentosas: genera

sustratos escencialesRibosa 5 fosfatoNADPH

METABOLISMO DEL PIRUVATO• La glucosa es el principal precursor de

piruvato mitocondrial

• Durante el ayuno prolongado y el desarrollo temprano el Lactato, los cuerpos cetónicos y la glutamina pueden ser usados como precursores de Piruvato.

• El complejo Piruvato deshidrogenasa cataliza la conversión de piruvato a Acetil CoA (irreversible y anaerobio)

METABOLISMO DEL LACTATO• La glucosa que viene del glucógeno

hepático o cerebral no satisface los requerimientos energéticos, por tanto, otros sustratos pueden sustituir a la glucosa= LACTATO.

• Es mas un sustrato neuronal

• Reduce la toxicidad por glutamato

• Su protección de atribuye a su habilidad para satisfacer la demanda incrementada de energía por las neuronas expuestas a altas concentraciones de glutamato.

Via Oxidativa

lactatoLactato DH

PIRUVATO MITOCONDRIA

ACETIL CoA

CPDH

SE INCORPORA AL CICLO DEL ATC

SE OBTIENEN 34 ATP

• Otra vía diferente a la oxidativa para utilizar Lactato es la síntesis de Ácidos Grasos.

METABOLISMO DEL ACETATO• El tejido cerebral metaboliza activamente

Acetato in vivo.• Es metabolizado por el ATC.• El punto principal de entrada del acetato es su

conversión a Acetil CoA el cual entra al ATC por condensación con OAA para formar citrato

• Finalmente el Acetato es metabolizado a Glutamina

• Puede ser incorporado en los procesos de oxidación y lipogénesis.

• El acetato es mejor sustrato oxidativo que la glucosa y es mas activo e importante en Astrocitos tipo I que en neuronas

METABOLISMO DE LOS CUERPOS CETONICOS

• 3 Hidroxibutirato y Acetoacetato• Pueden reemplazar a la glucosa como el

mejor recurso energético del cerebro en situaciones como inanición y el desarrollo.

• En desnutricion cronica: pasa a ser el soporte principal del metabolismo oxidativo cerebral.

• Una vez dentro de la celula cerebral los CC tienen dos destinos: La oxidación y la sintesis de ácidos grasos y colesterol.

• Los CC pueden actuar como factores de protección contra la apoptosis.

• El cerebro no puede tolerar la hipoglucemia; un aporte adicional de glucosa es necesario

DEMANDAS DE O2 Y E L TEJIDO CEREBRAL:

• El tejido cerebral es obligadamente aerobio, no cuenta con depósitos de O2 y sus altos requerimientos metabólicos consumen de 40 a 70 ml de O2/minuto (3 a 5 ml de O2/100 g/min) y 5 mg/100 g/ minuto de glucosa.

• Afortunadamente bajo condiciones normales, existe un margen de seguridad puesto que el transporte de oxígeno es considerablemente mayor que la demanda.

BALANCE ENTRE LA DEMANDA Y TRANSPORTE DE OXÍGENO EN CONDICIONES FISIOLÓGICAS

DEMANDA DE OXIGENO:• 3 a 5 ml por 100 g de tejido cerebral

por minuto (40 a 70 ml por minuto)

TRANSPORTE DE OXIGENO• 20 ml por 100 ml de sangre• 50 ml de sangre por 100 g de tejido

cerebral por minuto (15 a 20% del gasto cardiaco)

• Cualquier disminución en el transporte (no asociado con una disminución en la demanda) puede ser compensada, por lo menos inicialmente, con un aumento en la cantidad de oxígeno extraído de la sangre.

• Este mecanismo compensatorio temporal preserva el metabolismo aeróbico y las funciones del SNC.

QUE OCURRE CON LAS DEMANDAS DE O2 EN SITUACIONES DE EMERGENCIA:

• En hipoxia cerebral, las demandas energéticas están aumentadas, existen reacciones de emergencia para suplir las necesidades de energía.

• Se puede producir ATP a partir de dos moléculas de ADP, mediante una reacción en la que participa la enzima adenilciclasa.

• Es posible obtener energía a partir de la fosfocreatina (PCr), que puede considerarse en cierta forma como un depósito de ATP

• Estos mecanismos de emergencia para obtener energía con moléculas de ATP, se pueden representar como sigue:

ADENILCICLASAADP + ADP = ATP + AMP

CREATINQUINASAPCr + ADP + H+ ATP + Cr

POTENCIAL DE FOSFATOS (PF):• la relación entre el

ATP, AMP y fosfato (F)

CARGA ENERGETICA CEREBRAL (CEC): • Es la suma de ATP,

ADP, AMP, fosfato y Fosfocreatina (PCr)

¿Qué Ocurre si disminuye la Concentración de ATP?

• Se produce un aumento de las concentraciones de ADP y fosfato lo que estimula a las mitocondrias a producir más ATP para restaurar el potencial de fosfatos (PF) y de esta manera mantener la CEC.

• La CEC junto con la producción anaeróbica (ciclo de Embden-Meyerhof) puede mantener al cerebro sin daño hasta cinco minutos si se suspende completamente el flujo cerebral

Objetivo

• Explicar los mecanismos de autorregulacion de la presion perfusion cerebral en el adulto sano, varacion con la edad y enfermedad vascular cronica.

• El SNC ha desarrollado un sistema de regulación rápido y preciso del FSC, por el cual incrementos repentinos en la demanda metabólica pueden ser rápidamente cubiertos mediante un aumento del FSC y con ello aportar un mayor substrato metabólico

AUTORREGULACIÓN del FSC

• El mecanismo que mantiene constante el FSC entre un nivel de presión arterial media (PAM) de 50 a 150 mg Hg.

• La autorregulación del FSC asegura el suministro metabólico continuo al SNC en estados de hipotensión, hipertensión, PIC elevada, etc.

• La autorregulación depende de la capacidad de las arteriolas cerebrales para modificar su calibre en respuesta a los cambios de la PAM.

• El principal suministro al cerebro está constituido por la circulación anterior, que comprende las dos arterias carótidas y sus divisiones.

El flujo arterial por vías colaterales es el mecanismo principal en la compensación del FSC durante la isquemia.

• El FSC es por lo tanto, grande, recibe casi el 20% del gasto cardiaco, aunque sólo representa el 4% del volumen intracraneal.

Valores del flujo sanguíneo cerebral (FSC) EDAD ml/100 g/min

Niños prematuros 30 a 40Lactantes y preescolares 60 a 100

Adultos 50Ancianos (80 años) 25

• En condiciones normales, el FSC está determinado por la relación entre la presión de perfusión cerebral y la resistencia vascular cerebral.

• la PPC es resultado de la diferencia entre la presión arterial media (PAM) y la presión intracraneana (PIC)

Se han emitido varias teorías tratando de explicar los

posibles mecanismos que permiten la auto-rregulación

del FSC.

teoría miogénica

teoría metabólica

teoría neurógena

el FSC es susceptible de presentar modificaciones con los cambios en la PaO2, PaCO2, PAM y la temperatura corporal.

Objetivo

• Explicar los efectos de los anestesicos inhalados sobre el flujo sanguineo cerebral y la presion intracraneana en el adulto sano.

• Los agentes anestésicos, pueden afectar de manera dosis-dependiente la fisiología cerebral y producir un desacoplamiento entre la tasa metabólica cerebral y el FSC, o influir a través de cambios significativos en la auto-rregulación del FSC

Oxido nitroso

• Vasodilatacion cerebral: FSC• CMRO2 : igual o disminuye• Aumento PIC• No se recomienda su uso en neuroanestesia.

HALOTANO

• Vasodilatacion cerebral intensa• Disminucion de CMRO2. Con CAM menor de 0.6 no

hay alteraciones significativas.

• Aumento de FSC de un 150% con CAM a 1.1• Aumento de la PIC.• Produce mayor alteracion en neuroanestesia, sin

embargo puede ser seguro a concentraciones menores de 0.6 CAM

ENFLURANO• CAM menor a 0.6 no alteraciones significativas• CAM de 1.1:

– FSC aumenta 40%– CMRO2 disminuye un 35% hasta 50% – Aumenta la PIC (por aumento de FSC y LCR)

• NO utiizarse en neuroanestesia

Isoflurano

• Vasodilatacion cerebral en menor grado.• No alteracion del FSC con CAM entre 0.6-1.1, a

1.6 CAM aumenta el doble.• CMRO2 disminuye de un 20-30%• Niveles de ATP y pCr se mantienen constante.• Aumento de la PIC (2° a aumento de FSC)• No aumento de LCR• Agente de eleccion en neuroanestesia

Desflurano

• Perfil neurofarmacologico muy similar al isoflurano.

• Produce minia liberacion de floruro inorganico, no forma compuesto A.Estudios adicionales.

Sevoflurano

Objetivo

• Explicar los efectos de la temperatura corporal (hipotermia – hipertermia), los inductores anestesicos y los opioides en el metabolismo cerebral del adulto sano.

EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE EL METABOLISMO CEREBRAL

• La hipotermia disminuye el ritmo de todas las reacciones bioquímicas del organismo.

• En el SNC estas reacciones mantienen la función neuronal, la integridad de la célula así como la capacidad de síntesis, depósito y liberación de neurotransmisores.

• Por cada grado centígrado (°C) de disminución de la temperatura corporal, el consumo metabólico de O2 cerebral disminuye aproximadamente un 7%.

• Como resultado, el SNC consume menos energía, tiene que convertir menos sustratos metabólicos y puede, de esta manera, ser más tolerante con una disminución en el suministro

• Durante la hipertermia el SNC tiene un margen más estrecho de tolerancia.

• Inicialmente los efectos de la hipertermia sobre el cerebro parecen ser los opuestos a los producidos por la hipotermia.

• El metabolismo cerebral aumenta cuando la temperatura sube entre 40 y 42°C, el consumo metabólico de oxígeno cerebral (CMRO2) se incrementa un 50% por cada °C y la captación de oxígeno disminuye a temperaturas próximas a 43°C.

• Las alteraciones cardiovasculares (arritmias) son evidentes alrededor de los 42°C.

• En ausencia de disfunción cardiovascular significativa, un incremento de la temperatura (de 42°C o mayor) produce daño neuronal directamente al inactivar las proteínas enzimáticas en el SNC.

InductoresFSC CMRO2 PIC Neuroanestesia

Barbituricos disminuye disminuye disminuye util

Etomidato disminuye disminuye disminuye Util (similar a bbt)

Propofol 26-50% 18-36% 32% util

Benzodiazepinas disminuye disminuye Igual o menor

Ketamina incremento incremento elevacion No util.

Opioides

• Los analgésicos opioides no modifican el trazo de ninguna modalidad de los potenciales evocados. En general se acepta que los analgésicos opioides son agentes muy útiles en neuroanestesiología. La elección del agente se basa en consideraciones farmacocinéticas

Se acepta en general que los agentes de bloqueo neuromuscular no tienen acceso al SNC y por lo tanto, no influyen sobre la fisiología cerebral.

Objetivo

• Explicar cuales son los metodos de medicion del metabolismo cerebral en un perioperatorio.

Tecnicas de medicion del FSC

• Tecnica de marcacion y medicion residual.• Técnicas embólicas.• Técnicas autorradiográficas.• Tomografía por emisión de positrones.• Ultrasonografía Doppler transcraneal.

TÉCNICAS DE MEDICIÓN DEL METABOLISMO CEREBRAL

• Diferencia del contenido arteriovenoso• Técnica de la desoxiglucosa.

• GRACIAS