¿Qué tienen en común los marcapasos y los reactores nucleares?

La respuesta en este interesante artículo titulado «EL MARCAPASOS CARDÍACO Y LA BIOFÍSICA», cuyo autor es el Dr. Roberto Suárez Ántola, experto uruguayo premiado por las Academias Nacionales de Medicina (1985), de Ingeniería (2004) y por el MIEM -Premio Génesis (1987).

¿Qué son y para qué se utilizan los marcapasos cardíacos?

     En un corazón sano, el ritmo cardíaco se genera en un sistema de marcapasos natural, interno, y se propaga desde allí a la totalidad del músculo cardíaco, en forma de una perturbación electroquímica transitoria conocida como potencial de acción. Este potencial de acción se acompaña de la contracción ordenada del músculo cardíaco: el miocardio. Cuando este mecanismo natural no funciona bien, lo que se traduce en una arritmia, los impulsos eléctricos del marcapasos artificial restituyen el ritmo cardíaco a valores adecuados.

    La Fig. 1 muestra un esquema de un marcapasos con un único electrodo que se ubica en el interior del ventrículo derecho. El electrodo se emplea tanto para estimular el corazón como para medir la actividad eléctrica espontánea del miocardio. Para una misma duración, la amplitud del pulso estimulador debe superar un valor mínimo (umbral) para que la estimulación resulte exitosa (Fig. 2). A menor duración, mayor resulta la amplitud umbral del pulso (Fig. 3). Las curvas que relacionan la amplitud umbral con la duración del pulso son una propiedad del sistema electrodo-miocardio considerado como un todo: para la misma ubicación en un mismo corazón, dependen del tamaño y forma de la cabeza del electrodo, de su distancia al tejido excitable, etc. Para cada duración de pulso, cuanto menor resulte la amplitud umbral, tanto mayor será la vida útil de la batería del marcapasos.

Fig. 1  Marcapasos artificial con un único electrodo. (Fuente : El autor)

Un aporte desde la biofísica

     Hay un cierto consenso entre los ingenieros y los médicos sobre lo siguiente: para avanzar en el diseño, construcción y empleo de los marcapasos externos se requiere una comprensión más profunda de los mecanismos que posibilitan la emergencia y propagación de los potenciales de acción en el miocardio, en las condiciones específicas debidas a la interacción entre los electrodos del marcapasos y el tejido miocárdico. Cuando un electrodo hace pasar corriente a través del músculo cardíaco (ventricular o auricular) produce un patrón espacial de polarización en las membranas excitables de las fibras próximas a la cabeza del electrodo.

  El espacio intracelular de cada una de estas fibras se encuentra en general acoplado eléctricamente con el de las fibras vecinas. Los modelos matemáticos sugieren y los experimentos confirman: para que un marcapasos pueda producir un potencial de acción capaz de propagarse y desencadenar la contracción del músculo, las membranas de cierta masa crítica de células deben despolarizarse por encima de un umbral, conocido como umbral uniforme de membrana.

  Resulta interesante que este fenómeno de masa crítica también se aplica al problema de las arritmias, con independencia de los marcapasos. Por ejemplo, uno de los tipos de arritmia se manifiesta por la aparición anormal de un potencial de acción en un foco denominado ectópico: un foco de actividad eléctrica espontánea en el interior del miocardio, que no se relaciona con el sistema de marcapasos natural del corazón, y por tanto actúa con independencia de este último. Para la manifestación de un foco ectópico se debe producir una despolarización espontánea, por encima del umbral, en las membranas de una masa crítica de células excitables del músculo cardíaco. Cuanto mayor sea la masa crítica, más difícil va a ser la aparición del foco ectópico.

Analogía con reactores nucleares

    Resulta interesante comparar la dinámica del umbral de estimulación eléctrica del corazón con la dinámica de los reactores nucleares, debido a notables similitudes y diferencias entre ellos. Para un núcleo de reactor de una composición y estructura dadas, si las dimensiones del núcleo no son mayores que ciertas dimensiones críticas, las reacciones nucleares en cadena no pueden sostenerse y el flujo de neutrones se desvanecerá gradualmente. En el caso del miocardio, si las dimensiones de la región despolarizada por el electrodo activo no son mayores que ciertos valores críticos, los voltajes de las membranas tenderán a sus valores de reposo sin producir un potencial de acción. Pero cuando ambos, la región de miocardio despolarizada por sobre el umbral y el núcleo del reactor nuclear, están por encima de su tamaño crítico, aparece una diferencia significativa. En el caso del reactor, por encima de su masa crítica, cualquier patrón inicial de distribución espacial de neutrones evoluciona hacia un patrón estable. En el caso del miocardio, solo algunos patrones iniciales de polarización de las membranas evolucionan hacia un potencial de acción.

Conclusiones

   Para que la estimulación pueda tener éxito, los electrodos de marcapasos deben despolarizar las membranas de ciertas masas críticas de células cardíacas por encima del umbral uniforme de membrana. Aún antes de saber esto, ingenieros y médicos tuvieron éxito en definir y concretar las necesarias mejoras en el hardware y en el software, muchas veces empíricamente. En la actualidad, gracias al avance de la investigación y de la tecnología, lo que se implanta en el paciente es una máquina compleja que a través de mediciones de variables electrofisiológicas diagnostica el estado del miocardio y programa las emisiones de los pulsos estimuladores. No obstante, siempre hay temas para seguir investigando y optimizando.

 Fig. 3  Esquema de curva amplitud umbral vs duración del pulso de corriente.  La reobase es una amplitud  umbral por debajo de la cual la excitación fracasa con independencia de la duración del pulso.

Este texto se basa en el trabajo científico:

1. Suárez Ántola, Marcapasos cardíacos: máquinas en nuestros corazones. Informe técnico, septiembre 2019 DOI: 10.13140/RG.2.2.35441.63848