«La medicina no escapa al signo de los tiempos; por ello, a partir del conocimiento de estos, es posible concebir a los organismos vivos como los sistemas complejos por excelencia, lo que obliga a realizar una revisión epistémica de los principios que la rigen."

Javier Rosado¹

La naturaleza del ser humano lo ha conducido a la más profunda introspección para comprender esa misteriosa encrucijada entre su cuerpo y su espíritu: el corazón. En la actualidad, la ciencia declara concretamente que nuestro corazón es aquel «órgano de naturaleza muscular, común a todos los vertebrados y a muchos invertebrados, que actúa como impulsor de la sangre y que en el ser humano está situado en la cavidad torácica»². Sin embargo, el sentido común nos dice que, en realidad, estamos tratando con un fenómeno mucho más complejo, que podría estudiarse incluso desde disciplinas tan disímiles como la psicología, el esoterismo y la religión³.

La estructura y la función cardiovascular suele abordarse desde una perspectiva lineal y con modelos altamente controlados (cerrados), en la búsqueda de desarrollar ecuaciones que predigan su comportamiento. La estructura cardiaca se puede caracterizar desde lo macroscópico hasta lo subatómico, en un proceso de fragmentación y descripción que solemos denominar «análisis». Así, cada elemento de este órgano de bombeo es retirado e investigado a detalle de manera aislada, reduccionista. Una vez que el experto en el tema ha agotado sus elementos de observación y análisis, suele quedar convencido de conocer el fenómeno en profundidad. Ahora, solo queda rearmar todas las partes, amalgamando la información obtenida para aspirar a entender el funcionamiento del corazón en su totalidad, empresa que se convierte en un verdadero reto, dicho lo menos, interesante. Al terminar esta primera etapa, únicamente quedaría pendiente comprender, en un sentido ascendente, el papel del corazón dentro del cuerpo, la sociedad y el universo, ya que inevitablemente somos parte de un sistema abierto, en conexión permanente y obligada con nuestro entorno.

La estructura y la función del corazón se manifiestan principalmente como cambios en la dualidad materia-energía. Así, la luz que vemos, los sonidos que escuchamos, la presión o el calor que sentimos, son traducciones sensoriales de la naturaleza, que se expresa en formas tan caprichosas como el espectro electromagnético, el sonido o la termodinámica, entre otras. Es la tecnología la que nos ha permitido extender nuestra capacidad perceptiva más allá de nuestra fisiología y acceder a este lenguaje.

A través del conocimiento estructurado ofrecido por el método científico, el estudio del cuerpo humano alcanzó su máximo esplendor, y fueron personajes como Descartes y Newton, entre otros, los que entraron por primera vez en escena. Es aquí donde la asociación entre dos variables fue registrada en un plano cartesiano y analizada mediante geometría proceso matemático que da a la ciencia un carácter altamente predictivo, al tener fe en que la naturaleza tiene un comportamiento lineal.

En los últimos 500 años, la estructura macroscópica del ser humano ha sido descrita detalladamente por personajes como el polímata renacentista Leonardo da Vinci, seguido por un nutrido grupo de anatomistas como Andries van Wesel (De humani corporis fabrica) o Jean Léo Testut (Traité d´anatomie humaine). Con el advenimiento del microscopio (Zacharias Janssen, 1590), la descripción estructural se profundizó a un plano más elemental, pero no menos intrincado. La flamante «teoría celular» explicaría la manera en que los órganos y sistemas corporales están conformados, a su vez, por pequeños orgánulos (organelli), gracias a los estudios de científicos como Marcello Malpighi, Rudolf Virchow, Camillo Golgi y Santiago Ramón y Cajal. No obstante, el asunto no pararía ahí, ya que en los siglos XIX y XX personajes como John Dalton, Ernest Rutherford, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld y Erwin Schrödinger desarrollaron un modelo que podría explicar la composición de la materia a niveles tan pequeños que escapaban a la platina del microscopio. Estas estructuras fueron reconocidas gracias a manifestaciones indirectas, es decir, a sus interacciones con otros elementos o fenómenos, y nació así el «modelo atómico», continente de un sinnúmero de estructuras. Al final, y en teoría, nuestro corazón podría «desarmarse» incluso en partículas subatómicas.

En una forma casi paralela, se ha estudiado la función cardiovascular. El papel del corazón como una bomba fue observado, probablemente, desde tiempos inmemoriales. En Europa, Galeno explicaba el proceso de salud y enfermedad a través de los pneumas (natural, vital y animal), y se creía que la sangre era mezclada en los ventrículos y «aireada» por una estructura llamada «traquearteria», para posteriormente ir al cerebro y, de ahí, a los nervios. Ya en pleno siglo versalites, William Harvey describiría la circulación sanguínea que conocemos hoy día (Exercitatio anatomica de motu cordis et sanguinis in animalibus), basándose en los trabajos de René Descartes y Michel Servet, entre otros.

Al otro lado del océano, la extracción del órgano vivo y latiendo, como parte de los rituales mexicas, derivó seguramente en su nombre náhuatl, Yóllotl, apelativo que significa corazón y círculo a la vez. Este comportamiento oscilatorio que inicia, tiene un desarrollo y vuelve al inicio es semejante al funcionamiento de un péndulo. Desde hace décadas, el estudio de la función cardiaca se ha basado en el llamado «ciclo cardiaco». Esta unidad funcional tiene múltiples expresiones determinadas por el método de observación, y van desde el «lub-dup» escuchado al acercar el oído al pecho de alguien hasta los más complejos métodos de análisis no lineal de la dinámica cardiaca⁴.

Uno de los grandes avances en la comprensión de la función cardiovascular es la agrupación simultánea de las diversas manifestaciones del ciclo cardiaco mediante el esquema de Wiggers-Lewis. Aquí se sobreponen, en la línea del tiempo, las gráficas obtenidas de los métodos tradicionales, como son el electrocardiograma (expresión electromagnética del intercambio iónico a través de la membrana del miocito), el fonomecanocardiograma (expresión acústica de las vibraciones secundarias al cierre y la apertura de las válvulas), el polígrafo hemodinámico (expresión de los cambios de la presión y del volumen sanguíneos dentro de las cámaras cardiacas) y la tensiometría arterial sistémica (expresión de los cambios de la tensión de los vasos sanguíneos en relación con la presión sanguínea y la onda viajera arterial). Cabe mencionar que todas estas gráficas son la «traducción visual» de los fenómenos físicos originales. Es así como podemos asociar los cambios eléctricos (excitación celular) con los cambios de volumen y presión intracavitarios (contracción celular) y el flujo sanguíneo (función valvular y dinámica de fluidos), en lo que pareciera un ciclo perpetuo y perfectamente periódico. La linealidad matemática de este esquema le confiere propiedades altamente predictivas, si nos apoyamos en la fisiología mecanicista de Descartes. La función de bomba del corazón pareciera culminar con la aparición del flujo sanguíneo, determinado por gradientes de presión, cambios de volumen y las propiedades intrínsecas de la sangre.

Por otro lado, desde un punto de vista termodinámico, la aparición de la bioquímica y de sofisticados métodos de estudio in vitro e in vivo nos ha mostrado que el organismo, y en particular el corazón, puede utilizar energía de manera casi inagotable, para poder contraerse vigorosamente un promedio de cien mil veces al día, con la menor cantidad de producción de calor, incluyendo la labor de otros órganos y sistemas como el digestivo y el endocrino.

Uno de los principios fundamentales de la teoría celular estriba en la homeostasis, concepto inicialmente descrito por Claude Bernard y refinado luego por Walter Cannon y Arturo Rosenblueth. En general, la homeostasis mantiene íntegras las estructuras y las funciones celulares, «más allá del equilibrio», mediante la generación de gradientes de diversa índole, a partir de complejos fenómenos adaptativos, muchos de ellos basados en mecanismos de realimentación. Así, el sistema busca mantener este desequilibrio, al menos durante un tiempo al que llamamos «existencia» (De Pomposo)⁵.

Los avances tecnológicos y la aparente sencillez de la función cardiaca de bombeo han entusiasmado a diferentes grupos de investigadores para desarrollar un dispositivo que sustituya por completo el órgano vital: el corazón artificial. Sin embargo, es aquí donde comienzan los problemas.

El marcapasos, por ejemplo, ha tenido un enorme éxito desde la mitad del siglo xx, cuando comenzó a mantener con vida a pacientes con ritmos muy lentos (disfunción del nodo sinusal o bloqueo auriculoventricular completo). En la actualidad se implantan miles de dispositivos diariamente y en el mercado podemos encontrar una gran diversidad de modelos con distintos programas y terapias, incluso con sofisticados protocolos de desfibrilación.

Por otro lado, en un intento por suplir la función de bomba del corazón, John Gibbon diseñó el primer sistema de soporte mecánico cardiovascular, conocido entonces como «dispositivo corazón-pulmón», que podía mantener un paciente vivo durante un par de horas, suficientes para realizar una cirugía intracardiaca. Poco tiempo después, esta bomba de circulación extracorpórea fue optimizada y se pudo incrementar su funcionamiento de horas a días⁶. El primer implante de un corazón artificial total lo realizó Denton Cooley (1969), mismo que mantendría con vida al paciente durante 64 horas antes de ser llevado a una cirugía de trasplante cardiaco. En la actualidad, los modernos dispositivos, como el SynCardia o el Soft Total Artificial Heart del ETH en Zúrich (Fig. 1), cuentan con cámaras cardiacas armadas con una bomba de flujo pulsátil, cuatro válvulas de disco y un generador neumático externo. El récord de funcionamiento de este tipo de dispositivos es de 1374 días, y la supervivencia de los pacientes durante el primer año es del 60%. El corazón artificial total se ha utilizado en pacientes con rechazo de un injerto cardiaco, arritmias intratables, cardiopatías congénitas complejas o rotura ventricular. Este tipo de dispositivo sigue encaminado a cumplir el rol de «puente» entre el choque cardiogénico y el trasplante cardiaco, con una tasa de éxito que oscila entre el 60% y el 80%.

Figura 1 El corazón artificial total. Desde los años 1960 se han diseñado diversos modelos de corazón artificial, con el objetivo de poder sustituir la función de bombeo cardiaco, lo que se ha logrado por tiempo restringido y con resultados variables. Este es un modelo de corazón artificial «suave», desarrollado en Zúrich, que tiene la característica de parecerse más al corazón humano natural que sus predecesores. 

Todo iba relativamente bien, hasta que comenzamos a observar que estas soluciones de alta tecnología no son tan efectivas como habíamos predicho. En relación con los marcapasos, podemos ver que todavía quedan problemas por resolver, como son la limitada vida de la batería, la exteriorización del generador, la infección del sitio de colocación, la colonización o la fractura de los electrodos, la interferencia electromagnética, la remodelación miocárdica patológica secundaria a la estimulación artificial y, sobre todo, la estimulación «rígida» y descoordinada con la vida real del paciente, a pesar del desarrollo de sofisticados sensores de actividad corporal⁷. Por otro lado, a pesar de las innovaciones hechas al corazón artificial, innumerables complicaciones atribuidas a su implante y al mantenimiento a mediano y largo plazo, y la falta de reintegración de los pacientes a una vida «normal», impiden que sea considerado como una terapia destino en estos casos⁸,⁹.

¿Por qué un corazón artificial no ha podido sustituir al órgano nativo si su fisiología depende simplemente de un par de variables y su comportamiento es predeciblemente cíclico? ¿Qué estamos pasando por alto? ¿Es el fundamento aristotélico de causa-efecto una estrategia adecuada para explicar el fenómeno cardiovascular?

De manera análoga, el clima es un fenómeno con características similares, determinado por pocas variables de comportamiento cíclico. Una intensa nevada o un clima cálido dependen de dos situaciones: la temperatura del aire y la altitud donde se hizo la medición. Así, las diferentes combinaciones de aire frío arriba y caliente abajo, o viceversa, generarán cambios atmosféricos específicos. Edward Norton Lorenz, matemático y meteorólogo, desarrolló una ecuación con la que podría predecir el clima con precisión, confiado en que se trataba de un fenómeno simple y teóricamente lineal. Así, observó que, si corría dos veces el mismo modelo matemático en su rudimentario equipo de cómputo, la aparición de mínimos cambios en las condiciones de inicio se asociaban a un resultado final drásticamente diferente y, por ende, impredecible. Sin embargo, al analizar los datos cuidadosamente, aunque no formaban una perfecta línea recta, sí generaron un gráfico con cierta morfología, reconocido como el atractor de Lorenz (Fig. 2), poco predecible, pero para nada aleatorio.

Figura 2 Atractor de Lorenz. En esta gráfica podemos observar algo muy semejante a lo que Lorenz consiguió en la búsqueda de un modelo lineal que le permitiera predecir los cambios climáticos. 

Por otro lado, el matemático Mitchell Jay Feigenbaum utilizó una ecuación logística, conocida como función de Feigenbaum, en la cual se asignó inicialmente un valor a x y el número resultante lo asignaría nuevamente a x al correr otra vez la fórmula:

De esta manera, la ecuación se realimentaría continuamente y la gráfica final sería una serie de puntos originados por ella misma. Al principio se generó una línea que, posteriormente, presentaría una «bifurcación», y al seguir corriendo la gráfica se presentarían sobre ella más bifurcaciones, hasta un punto en que se observa un espectacular patrón que nadie podría haber predicho (Fig. 3). Además, al volver a correr la ecuación, el resultado final es el mismo. Así, algo que debería comportarse como una línea perfectamente predecible genera una gráfica completamente diferente, pero con cierta estructura. De algún modo, esta gráfica es producto de propiedades emergentes que van apareciendo y que desconocíamos.

Figura 3 Diagrama de bifurcación de Feigenbaum. Esta gráfica muestra cómo una ecuación matemática, de manera independiente, puede tener propiedades emergentes como son las bifurcaciones, la fractalidad y en ocasiones zonas de caos, periodicidad y ruido⁴⁹. 

Si esto sucede con ciencias tan duras como la física o incluso el lenguaje matemático, qué podemos esperar del comportamiento del sistema cardiovascular. Así, la primera lección aprendida es que, incluso con pocas variables, un fenómeno puede tener un comportamiento «no lineal».

Edgar Morin explica que las variables existentes en la naturaleza se entretejen formando una intrincada red de conexiones. En este verdadero plexo de interacciones, si cada variable fuera un hilo, al tirar de uno habría una serie de reacciones locales y a distancia, producto de las interacciones de este con otros hilos, de los otros hilos con otros más y muchos de ellos entre sí. Esta estructura tisular facilita que nuevas propiedades emerjan del sistema, en ocasiones con leyes de comportamiento propias, como puede ser el fenómeno de resonancia o de autoorganización. Complexus significa lo que está tejido junto; en efecto, hay «complejidad cuando son inseparables los elementos diferentes que constituyen un todo y que existe un tejido interdependiente, interactivo e interretroactivo entre el objeto de conocimiento y su contexto, las partes y el todo, el todo y las partes, las partes entre ellas. Por esto, la complejidad es la unión entre la unidad y la multiplicidad»¹⁰. Así, lo «complejo» nace de la serie de interacciones de variables entretejidas, a diferencia de lo «complicado», que tiene su origen en nuestra incapacidad para comprender la naturaleza de un fenómeno (De Pomposo).

Por lo anterior, es casi inevitable sentir que la complejidad nos rodea, formando parte de innumerables sistemas que coexisten de una manera abierta, donde su particular dinámica no lineal va del comportamiento periódico al cuasi-periódico y al caos; la mayor parte del tiempo manteniendo su estructura contra la acción de las fluctuaciones o perturbaciones y, sobre todo, resistiendo la entrópica disipación que inevitablemente la llevara a caer en el equilibrio termodinámico final. A través del análisis de los sistemas complejos podremos observar las múltiples propiedades emergentes, donde el todo es más que la suma de sus partes; los atractores y la autoorganización que de ella emanan.

Anatomía cardiovascular

Una de las características morfológicas del sistema cardiovascular que más ha sido estudiada desde un punto de vista de la complejidad es el árbol vascular. La distribución espacial de los vasos sanguíneos posee una geometría interesante, ya que al igual que otras estructuras ramificadas tiene una dimensión fraccionada, es decir, no bidimensional (2.0), pero tampoco enteramente tridimensional (3.0). La forma del árbol vascular es independiente de escala, siendo en los grandes vasos muy semejante a la de los vasos de menor calibre, y esta distribución sigue la ley de potencias. «Un fractal es una forma geométrica áspera o fragmentada que se puede dividir en partes, cada una de las cuales es una copia (al menos aproximadamente) de la reducción de tamaño de la totalidad»¹¹.La ramificación del árbol vascular le confiere diferentes niveles de organización, lo cual afecta las características del flujo sanguíneo (Fig. 4). Se ha calculado que el árbol arterial tiene una dimensión fractal promedio de 2.7, semejante a la del brócoli o la cromatina. La dimensión fractal varía desde 2.33 en los grandes vasos, donde el flujo es más turbulento, hasta muy cercano a 3 en los capilares¹¹-¹³. Existen varios métodos para medir la fractalidad de una estructura, pero la dimensión fractal (Df) es la más precisa¹⁴. Los conocimientos sobre fractalidad son de gran utilidad para los investigadores que se encuentran diseñando vasos sanguíneos artificiales, para la detección de insuficiencia cardiaca o de fibrilación auricular y la evaluación de la angiogénesis¹⁵,¹⁶.

Figura 4 La fractalidad del árbol vascular. En este esquema se observa la característica dimensional del árbol arterial, misma que varía dependiendo del tamaño de los vasos, siempre con un componente fraccional. En la imagen de la derecha se aprecia que la distribución de los vasos es muy semejante, sin importar la escala. 

Ritmo cardiaco

Uno de los fenómenos que con mayor interés se han estudiado es el comportamiento de la frecuencia cardiaca, mismo que tiene un comportamiento no lineal y también complejo. El inicio del ciclo cardiaco puede marcarse con la activación del nodo sinusal, evento determinado por la interacción de variables como la pendiente de despolarización diastólica espontánea, el flujo del sistema nervioso autónomo (simpático-parasimpático), la presión de la sangre sobre la pared de la aurícula, la temperatura corporal, etc.

El electrocardiograma puede brindarnos información importante acerca de la dinámica del ritmo cardiaco y la influencia del sistema nervioso autónomo, lo que conocemos como variabilidad de la frecuencia cardiaca, la cual muestra diversos patrones en el dominio del tiempo, de la frecuencia o de ambos, al ser estudiada con métodos de análisis no lineal. Entre ellos tenemos el análisis de reconstrucción del espacio de fase, el exponente de Lyapunov, la dimensión de correlación, análisis de fluctuaciones sin tendencia, el mapa de recurrencia, el mapa de Poincaré, la entropía aproximada y la entropía muestral, entre otros¹⁷,¹⁸.

Por un lado, Baillie et al.¹⁹ declaran que la dinámica de la frecuencia cardiaca de un corazón sano es no lineal, no presenta caos de baja dimensión y es multifractal, lo que hace que el ritmo cardiaco no regrese al mismo estado de equilibrio estacionario después de ser afectado por alguna perturbación. En contraparte, estudios más recientes sostienen que el ritmo cardiaco tiene un comportamiento caótico en estrecha relación con el control del sistema nervioso autónomo²⁰.

Diversos estudios muestran que el ciclo cardiaco en condiciones fisiológicas no es un oscilador perfectamente periódico, con dimensiones de correlación (D₂) que van de 3.6 a 5.2²¹. El origen de un latido puede depender del latido previo o de la interacción de latidos precedentes, adoptando un comportamiento periódico, cuasi-periódico, caótico o francamente azaroso (ruido)²².

Al hablar sobre la conducción y la propagación del estímulo, debemos recordar que el miocardio es un grupo de células con propiedades excitables y conductivas que conforman un sincicio, interconectado por uniones celulares de alta resistencia mecánica y baja resistencia eléctrica. Sin embargo, la despolarización de una célula podrá ser transmitida o no a las células vecinas, siempre y cuando se den las condiciones favorables para su propagación; fenómeno semejante a la autoorganización de los cardúmenes o las parvadas, y análogo a la resonancia mecánica, donde un cuerpo comienza a vibrar al ser sometido a la acción de una fuerza oscilatoria que tiene el mismo periodo de vibración de ese cuerpo²³. Por otro lado, la energía con la que se transmite el impulso eléctrico y mecánico en el miocardio alcanzará el resto del tejido si la magnitud es apropiada y, sobre todo, si la entropía termodinámica es adecuada. La entropía es una magnitud que mide, de alguna manera, el grado de organización de un sistema en el cual, a mayor azar, mayor entropía. Esta es una función de estado, de carácter extensivo que crece de manera natural, describiendo la «irreversibilidad termodinámica del sistema». El sistema cardiovascular es termodinámicamente disipativo y maneja una gran cantidad de información, aunque en general presenta una dinámica con baja entropía. La dinámica cardiaca estudiada mediante las «proporciones de entropía» puede ayudar al médico a identificar diversos tipos de enfermedades, en particular al evaluar fenómenos de «autoorganización», característica de los fenómenos complejos que reviste importancia en la regulación del sistema cardiovascular, desde la activación eléctrica del corazón hasta el control de la presión arterial.

La propagación espaciotemporal de la actividad eléctrica y contráctil del miocardio sigue diversos patrones; se observan frentes de onda planos, oscilatorios, circulares, espirales e incluso elipsoidales. Estos patrones están estrechamente relacionados con diversas variables, como la geometría y la disposición espacial de las fibras miocárdicas, la disposición de las subestructuras del miocito, y las concentraciones de Ca⁺⁺ intracelular y de acetilcolina, entre otras. Estos patrones de propagación se observan incluso en los miocitos aislados, donde los diferentes orgánulos celulares pueden generar verdaderas microrreentradas²⁴,²⁵.

Debido a lo problemático de realizar estudios de conducción miocárdica in vivo, se han desarrollado modelos in silico, como el de Ten Tusscher-Noble-Noble-Panfilov (TNNP), que permite reproducir las condiciones iniciales excitables del miocardio y ver el efecto en la propagación del frente de onda, inclusive en un plano tridimensional (Fig. 5)²⁶. Entre otros hallazgos, se ha visto que la taquicardia ventricular está asociada con la formación de un frente de onda espiral que se propaga por el miocardio, mientras que en la fibrilación ventricular estos patrones tienen un comportamiento mucho más turbulento, asociados a la heterogeneidad en la forma de la fibra muscular y las concentraciones de los iones²⁷-³¹.

Figura 5 En este modelo in silico, presentado por Cherry y Fenton²⁷, el internauta puede cambiar las características de las concentraciones de electrolitos o enviar una serie de extraestímulos, que generarán diversos tipos de frentes de onda de propagación en el miocardio virtual. Este en particular obedece a la clásica espiral observada durante una taquicardia ventricular. 

La dinámica de la variabilidad de la frecuencia cardiaca también nos muestra que el sistema cardiovascular, además de ser complejo, es abierto. Así, diversos investigadores han demostrado que la inducción de estrés o de sobrecarga mental puede cambiar la dinámica no lineal de la frecuencia cardiaca³²,³³.