Introducción a la Fisiología Humana 1/4

 

1.1 INTRODUCCIÓN A LA FISIOLOGÍA

La fisiología humana es el estudio de cómo funciona el cuerpo humano, con énfasis en los mecanismos específicos de causa y efecto. El conocimiento de estos mecanismos se ha obtenido experimentalmente por medio de aplicaciones del método científico.

La fisiología (del griego physis, “naturaleza”; logos, “estudio”) es el estudio de la función biológica —cómo funciona el cuerpo, desde los mecanismos moleculares dentro de las células hasta las acciones de tejidos, órganos y sistemas, y cómo el organismo en conjunto lleva a cabo tareas particulares esenciales para la vida—. En el estudio de la fisiología se hace hincapié en los mecanismos —con preguntas que empiezan con la palabra cómo, y respuestas que comprenden secuencias de causa y efecto—. Tales secuencias pueden entrelazarse hacia historias cada vez más grandes que incluyen descripciones de las estructuras implicadas (anatomía) y que se superponen con las ciencias de la química y la física.

Los hechos y relaciones separados de estas secuencias de causa y efecto derivan de manera empírica de evidencia experimental. Las explicaciones que parecen lógicas no necesariamente son verdaderas; sólo son tan válidas como los datos en los cuales se basan y suelen cambiar a medida que se crean
nuevas técnicas y se efectúan más experimentos. El objetivo final de la investigación fisiológica es entender el funcionamiento normal de células, órganos y sistemas. Una ciencia relaciona da —la fisiopatología— estudia cómo se alteran los procesos fisiológicos en presencia de enfermedad o lesión.

La fisiopatología y el estudio de la fisiología normal se complementan entre sí; por ejemplo, una técnica estándar para investigar el funcionamiento de un órgano es observar lo que sucede cuando el órgano se extirpa quirúrgicamente de un animal de experimentación o cuando su función se altera de una manera específica. Este estudio a menudo es auxiliado por “experimentos de la Naturaleza” —enfermedades— que comprenden daño específico del funcionamiento de un órgano. De este modo, el estudio de procesos morbosos ha ayudado a entender el funcionamiento normal y el estudio de la fisiología normal ha proporcionado gran parte de la base científica de la medicina moderna. Esta relación es reconocida por el comité del premio Nobel, cuyos miembros otorgan premios en la categoría de “Fisiología o Medicina”.

La fisiología de invertebrados y de diferentes grupos de vertebrados se estudia en la ciencia de la fisiología comparada. Gran parte del conocimiento que se obtiene a partir de la fisiología comparada ha logrado beneficiar el estudio de la fisiología humana, lo cual ocurre porque los animales, incluyendo a los humanos, tienen más similitudes que diferencias. Esto es en especial cierto cuando se compara a las personas con otros mamíferos. Las pequeñas diferencias de la fisiología entre humanos y otros mamíferos pueden tener importancia crucial en la creación de fármacos (aspecto que se comenta más adelante en esta sección), pero tales diferencias son relativamente menores en el estudio general de la fisiología.

Método científico

Toda la información que aparece en este texto ha sido obtenida de personas que aplican el método científico. Aunque la aplicación de dicho método comprende técnicas diferentes, todas comparten tres atributos: 1) confianza en que el mundo natural, incluso los humanos, es explicable en términos entendibles; 2) descripciones y explicaciones del mundo natural que se basan en observaciones y que podrían ser modificadas o refutadas por otras observaciones, y 3) humildad, o la disposición a aceptar errores. Si el estudio adicional diera conclusiones que refutaran toda una idea o parte de la misma, la idea tendría que modificarse en consecuencia. En resumen, el método científico se basa en una confianza en la capacidad racional, honestidad y humildad. Los científicos en ejercicio profesional quizá no siempre muestren estos atributos, pero la validez de la gran cantidad de conocimiento científico que se ha acumulado —según se muestra por las aplicaciones tecnológicas y el valor predictivo de hipótesis científicas— son un amplio testimonio de que el método científico funciona.

El método científico comprende pasos específicos. Después de que se hacen ciertas observaciones respecto al mundo natural, se formula una hipótesis. Para que esta hipótesis sea científica, debe prevalecer tras ser puesta a prueba mediante experimentos u otras observaciones del mundo natural. Así, podría elaborarse la hipótesis de que las personas que hacen ejercicio con regularidad tienen una frecuencia del pulso en reposo más baja que otras personas. Se realizan experimentos u otras observaciones y se analizan los resultados. A

 

 

 

continuación se emiten conclusiones respecto a si los nuevos datos refutan la hipótesis o la apoyan. Si la hipótesis sobrevive a esas pruebas, quizá entonces se le incorpore en una teoría más general. Así, las teorías científicas no son tan sólo conjeturas, sino declaraciones acerca del mundo natural que incorporan varias hipótesis probadas. Sirven como un marco lógico mediante el cual estas hipótesis pueden interrelacionarse y proporcionan la base para predicciones que tal vez hasta entonces no se hayan probado.

La hipótesis en el ejemplo anterior es científica porque es comprobable; podría medirse el pulso de 100 atletas y 100 personas sedentarias, por ejemplo, para ver si hay diferencias estadísticamente significativas. Si las hubiera, la declaración de que los atletas, en promedio, tienen frecuencia del pulso en reposo más baja que otras personas, estaría justificada con base en estos datos. Aun así, es necesario estar abierto al hecho de que esta conclusión podría ser errónea. Antes de que el descubrimiento pudiera aceptarse como un hecho, otros científicos tendrían que replicar de manera consistente los resultados. Las teorías científicas se basan en datos reproducibles.

Es muy posible que cuando otros intenten replicar el experimento, sus resultados sean un tanto diferentes. Entonces cabe la posibilidad de que elaboren hipótesis científicas de que las diferencias de la frecuencia del pulso en reposo también dependen de otros factores, como la naturaleza del ejercicio efectuado. Cuando los científicos intenten probarlas quizá encuentren nuevos problemas que requieran nuevas hipótesis explicativas y entonces deben ser probadas mediante experimentos adicionales.

Así, se acumula poco a poco gran cantidad de información muy especializada y puede formularse una explicación más generalizada (una teoría científica). Esta explicación casi siempre será diferente de nociones preconcebidas. Quienes siguen el método científico modificarán entonces de manera apropiada sus conceptos, al percatarse de que sus nuevas ideas tal vez tendrán que cambiarse de nuevo en el futuro a medida que se realicen más experimentos.

Mediciones, controles y estadísticas

Si se desea probar la hipótesis de que un programa de ejercicio regular proporciona una frecuencia cardiaca en reposo más baja, en primer lugar se tendría que determinar la naturaleza del programa de ejercicio. A continuación, decidir cómo se mediría la frecuencia cardiaca (o la frecuencia del pulso); se trata de un problema típico en la investigación sobre fisiología porque las pruebas de casi todas las hipótesis fisiológicas requieren mediciones cuantitativas.

El grupo que está sujeto a la condición de prueba —en este caso, el ejercicio— se conoce como grupo experimental. Una medición de su frecuencia cardiaca sólo sería significativa si se contrasta con la de otro conjunto de personas, el grupo control. ¿Cómo debe elegirse a este último? Quizá los sujetos podrían servir como sus propios testigos, es decir, la frecuencia cardiaca en reposo de una persona podría medirse antes y después del régimen de ejercicio. Si esto no es posible, un grupo control podría estar conformado por personas que no siguen el programa de ejercicio. La elección de grupos control a menudo es un aspecto controvertido de los estudios sobre fisiología. En este ejemplo, ¿las personas en el grupo control en realidad se abstuvieron en absoluto de hacer ejercicio? ¿Fueron comparables a las personas que formaron parte del grupo experimental respecto a edad, sexo, grupo étnico, peso corporal, estado de salud, etc.? Tras considerar esto es evidente la dificultad de obtener un grupo control que pudiera satisfacer cualquier crítica potencial.

Otra crítica posible podría ser el sesgo en la manera en que los científicos efectúan las mediciones, lo cual puede ser involuntario; después de todo los científicos son humanos y quizá hayan invertido meses o años en este proyecto. A fin de prevenir dicho sesgo a menudo quien realiza las mediciones desconoce a qué grupo pertenece cada sujeto; a esto se le conoce como medición a ciegas.

Ahora suponga que los datos han llegado y al parecer el grupo experimental en realidad tiene una frecuencia cardiaca en reposo promedio más baja que el grupo control. Sin embargo, hay superposición, esto es, algunas personas en el grupo control tienen mediciones más bajas que las de algunas personas en el experimental. ¿La diferencia de las mediciones promedio de los grupos se debe a una diferencia fisiológica real o a variaciones al azar en las mediciones? Los científicos intentan probar la hipótesis nula (la hipótesis de que la diferencia se debe al azar) con las herramientas matemáticas de la estadística. Si los resultados estadísticos así lo aseguran, la hipótesis nula se puede rechazar y cabe considerar que este estudio apoya la hipótesis experimental.

La prueba estadística elegida depende del diseño del experimento y también puede ser una fuente de controversias entre científicos en la evaluación de la validez de los resultados. Debido a la naturaleza del método científico, las “pruebas” en la ciencia siempre son provisionales. Algunos otros investigadores, al emplear el método científico de una manera diferente (con técnicas de medición, procesos experimentales, elección de grupos control, pruebas estadísticas y otros diferentes), quizá obtengan resultados distintos; por tanto, el método científico es una empresa en curso.

Los resultados de la empresa científica se escriben como artículos de investigación y deben ser revisados por otros científicos que trabajen en el mismo campo antes de publicarse en revistas revisadas por pares (colegas). Casi siempre los revisores sugerirán hacer ciertos cambios en los artículos antes de aceptarlos para publicación.

Los ejemplos de esas revistas revisadas por pares que publican artículos en muchos campos científicos son Science (www.sciencemag.org/), Nature (www.nature.com/nature/) y Proceedings of the National Academy of Sciences (www.pnas. org/). Pueden encontrarse artículos de revisión sobre fisiología en Annual Review of Physiology (physiol.annualreviews.org/), Physiological Reviews (physrev.physiology.org/), y Physiology (physiologyonline.physiology.org). En revistas de investigación médica, como el New England Journal of Medicine (content. nejm.org/) y Nature Medicine (www.nature.com/nm/), también se publican artículos de interés fisiológico. Asimismo, hay revistas de especialidad en áreas de la fisiología, como neurofisiología, endocrinología y fisiología cardiovascular.

Los estudiantes que deseen buscar en línea artículos científicos publicados en revistas revisadas por pares que se relacionen con un tema particular pueden hacerlo en el sitio web de la National Library of Medicine, PubMed (www.ncbi.nlm.nih.gov/ entrez/query.fcgi).

Desarrollo de fármacos

El desarrollo de nuevos medicamentos puede servir como un ejemplo de cómo se usa el método científico en fisiología y sus aplicaciones en la salud. El proceso por lo general empieza con investigación fisiológica básica, a menudo en los ámbitos celular y molecular. Quizá se cree una nueva familia de fármacos usando células en cultivo de tejido (in vitro o fuera del cuerpo). Por ejemplo, los fisiólogos celulares que estudian el transporte de membrana tal vez descubran que una familia particular de compuestos bloquea los canales de membrana para iones del calcio (Ca2+). Debido a su conocimiento de fisiología, otros científicos pueden predecir que un medicamento de esta naturaleza podría ser útil en el tratamiento de hipertensión (presión arterial alta). Entonces es posible que ese fármaco sea puesto a prueba en experimentos con animales.

Si un medicamento es eficaz en concentraciones en extremo bajas in vitro (en células cultivadas fuera del cuerpo), existe la posibilidad de que pueda funcionar in vivo (en el cuerpo) en concentraciones tan bajas como para que no sean tóxicas (venenosas). Esta posibilidad debe probarse de manera exhaustiva utilizando animales de experimentación, como ratas y ratones. Más de 90% de los fármacos que se prueban en animales de experimentación son demasiado tóxicos como para desarrollo adicional. Sólo en los pocos casos en que la toxicidad es suficientemente baja, el desarrollo puede progresar hacia estudios en humanos/clínicos.

La investigación biomédica a menudo es auxiliada por modelos animales de enfermedades particulares. Son cepas de ratas y ratones de laboratorio que tienen susceptibilidad genética a enfermedades particulares que semejan enfermedades de personas. La investigación con animales de laboratorio requiere varios años y siempre precede a los estudios en humanos (clínicos) de fármacos promisorios. Cabe hacer notar que este tiempo no incluye todos los años de investigación fisiológica “básica” (que comprende animales de laboratorio) que proporcionó el fundamento científico para la aplicación médica específica.

En estudios clínicos fase I, el fármaco se administra a voluntarios humanos sanos, lo cual se hace para medir la toxicidad del medicamento en personas y estudiar cómo lo “maneja” el organismo: de qué manera lo metaboliza, con qué rapidez se elimina de la sangre por el hígado y los riñones, cuál es la manera más eficaz de administrarlo y otros aspectos. Si no se observan efectos tóxicos importantes, el fármaco puede ir hacia la siguiente etapa. En los estudios clínicos fase II el medicamento se prueba en la población humana establecida como objetivo (p. ej., individuos con hipertensión). Sólo en aquellos casos excepcionales en los cuales el fármaco parece ser eficaz pero tiene toxicidad mínima, precede avanzar a la siguiente fase. Los estudios clínicos fase III ocurren en muchos centros de investigación a fin de maximizar el número de participantes; en este punto, la población de prueba debe incluir un número suficiente de sujetos de ambos sexos, así como personas de diferentes grupos étnicos. También se pone a prueba en personas que sufren problemas de salud distintos al que los investigadores tienen en mente y del cual creen que el fármaco resultará beneficioso así que, por ejemplo, aquí se incluiría a personas que padecen diabetes además de hipertensión. Si el medicamento pasa los estudios fase III, se envía a la Food and Drug Administration (FDA) —si el estudio se realiza en EUA— para su aprobación. En los estudios clínicos fase IV se ponen a prueba otros usos potenciales del fármaco Menos de 10% de los fármacos puestos a prueba recorre todo el camino por estudios clínicos hasta finalmente obtener aprobación y ser comercializados. Este índice bajo de éxito no cuenta los que deben ser desechados incluso después de su aprobación debido a alguna toxicidad inesperada ni toma en cuenta la gran cantidad de medicamentos que fracasan en etapas más tempranas de la investigación antes de que empiecen los estudios clínicos. Note la función crucial de la investigación básica, usando animales de experimentación, en este proceso. Casi todos los fármacos de venta con receta que se encuentran en el mercado deben su existencia a este tipo de investigación.