Efectos del envejecimiento y la neuromodulación en la corteza somatomotora

Abstract

[spa] La plasticidad neuronal es una habilidad del sistema nervioso central que le permite responder a estímulos intrínsecos o extrínsecos mediante una reorganización estructural y funcional. Dichos cambios plásticos son esenciales para el normal desarrollo de los circuitos cerebrales creando las diferencias en estos circuitos que dotan a los seres vivos de su individualidad. Sin embargo, la neuroplasticidad puede interferir negativamente en la correcta función del cerebro y en el comportamiento. A este proceso se le conoce como plasticidad maladaptativa y se refiere a los cambios plásticos en el sistema nervioso central que obstaculizan una óptima función cerebral. En este sentido, la presente tesis doctoral pretende explorar los cambios plásticos asociados al envejecimiento y el uso de una técnica neuromoduladora para revertir los cambios plásticos maladaptativos causados por el dolor crónico. Concretamente, los objetivos principales de la tesis fueron: 1) examinar el deterioro de los procesos inhibitorios de la información somatosensorial irrelevante en el envejecimiento, y 2) modular la actividad sensoriomotora utilizando un entrenamiento en neurofeedback de seis sesiones y explorar los cambios plásticos asociados en las cortezas motora y somatosensorial, tanto en la actividad encefalográfica como en la metabólica, en participantes sanas y en pacientes con fibromialgia. Para conseguir dichos objetivos, se llevaron a cabo tres estudios. En el primer estudio se exploró el deterioro del gating sensorial asociado al envejecimiento a partir de potenciales evocados somatosensoriales derivados de un paradigma de estimulación táctil repetitiva en un grupo de adultos sanos jóvenes y en un grupo de personas sanas mayores. Los resultados mostraron una reducción del gating sensorial en etapas medias y tardías del procesamiento de la información somatosensorial, indicando un deterioro en la eficiencia de los mecanismos inhibitorios en respuesta a estimulación irrelevante durante la evaluación cognitiva (procesos atencionales y de memoria) del estímulo táctil. Sin embargo, no hubo diferencias entre grupos en el gating sensorial en fases tempranas del procesamiento somatosensorial, que refleja una conservación del control inhibitorio durante la codificación temprana de los estímulos táctiles repetitivos en el envejecimiento. El segundo estudio demostró que las participantes sanas entrenadas con neurofeedback fueron capaces de auto-modular su actividad sensoriomotora, mostrando una mejora satisfactoria en la tarea y una conectividad funcional aumentada entre áreas motoras y somatosensoriales durante el reposo. En el tercer estudio, solo la mitad de las pacientes con fibromialgia fueron capaces de obtener un rendimiento en tarea óptimo (buenas respondedoras), mientras que el resto de pacientes tuvieron unos resultados conductuales al nivel del azar (malas respondedoras). Las buenas respondedoras al entrenamiento en neurofeedback redujeron significativamente el nivel de dolor e incrementaron tanto la modulación de la actividad sensoriomotora como la conectividad funcional de áreas motoras y somatosensoriales durante la última sesión de neurofeedback, mientras que no hubo cambios en el nivel de dolor o en la actividad cerebral en las malas respondedoras. Además, las buenas respondedoras fuera caracterizadas por un bajo impacto de los síntomas del dolor y la fibromialgia, así como mejores niveles de calidad de vida, comparadas con las malas respondedoras, indicando que solo aquellas participantes con fibromialgia con menos severidad en los síntomas fueron capaces de entrenar de forma óptima. En conclusión, la presente tesis doctoral aporta nueva información sobre la plasticidad maladaptativa como los correlatos neuronales del deterioro de la inhibición somatosensorial provocados por el en envejecimiento y el poder neuromodulador del neurofeedback para revertir los cambios plásticos somatomotores relacionados al dolor crónico.

[cat] La plasticitat neuronal és una habilitat del sistema nerviós central que li permet respondre a estímuls intrínsecs o extrínsecs mitjançant una reorganització estructural i funcional. Aquests canvis plàstics són essencials per al desenvolupament normal dels circuits cerebrals, generant diferències en aquests circuits que doten als éssers vius de la seva individualitat. No obstant això, la neuroplasticitat pot interferir negativament en la correcta funció del cervell i en el comportament. Aquest procés es coneix com a plasticitat maladaptativa i es refereix als canvis plàstics en el sistema nerviós central que obstaculitzen una funció cerebral òptima. En aquest sentit, la present tesi doctoral pretén explorar els canvis plàstics associats a l'envelliment, així com l'ús d'una tècnica neuromoduladora per revertir els canvis plàstics maladaptatius causats pel dolor crònic. Concretament, els objectius principals de la tesi van ser: 1) examinar el deteriorament dels processos inhibitoris de la informació somatosensorial irrellevant en l'envelliment, i 2) modular l'activitat sensoriomotora utilitzant un entrenament en neurofeedback de sis sessions i explorar els canvis plàstics associats a les escorces motora i somatosensorial, tant en l'activitat encefalogràfica com en la metabòlica, en participants sans i en pacients amb fibromiàlgia. Per aconseguir aquests objectius, es van dur a terme tres estudis. En el primer estudi es va explorar el deteriorament del gating sensorial associat a l'envelliment a partir de potencials evocats somatosensorials derivats d'un paradigma d'estimulació tàctil repetitiva en un grup d'adults sans joves i en un grup de persones sanes majors. Els resultats van mostrar una reducció del gating sensorial en etapes mitjanes i tardanes del processament de la informació somatosensorial, indicant un deteriorament en l'eficiència dels mecanismes inhibitoris en resposta a estimulació irrellevant durant l'avaluació cognitiva (processos atencionals i de memòria) de l'estímul tàctil. No obstant això, no hi va haver diferències entre grups en el gating sensorial en fases primerenques del processament somatosensorial, reflectint una conservació del control inhibitori durant la codificació primerenca dels estímuls tàctils repetitius en l'envelliment. El segon estudi va demostrar que les participants sanes entrenades amb neurofeedback van ser capaces d'automodular la seva activitat sensoriomotora, mostrant una millora satisfactòria en la tasca i una connectivitat funcional augmentada entre àrees motores i somatosensorials durant el repòs. En el tercer estudi, només la meitat de les pacients amb fibromiàlgia van ser capaces d'obtenir un rendiment òptim durant la tasca (bones responedores), mentre que la resta de pacients van tenir uns resultats conductuals al nivell de l'atzar (males responedores). Les bones responedores a l'entrenament en neurofeedback van reduir significativament el nivell de dolor i van incrementar tant la modulació de l'activitat sensoriomotora com la connectivitat funcional d'àrees motores i somatosensorials durant l'última sessió de neurofeedback, mentre que no hi va haver canvis en el nivell de dolor o en l'activitat cerebral en les males responedores. A més, les bones responedores es van caracteritzar per un baix impacte dels símptomes del dolor i de la fibromiàlgia, així com millors nivells de qualitat de vida, comparades amb les males responedores. Aquest fet indica que només aquelles participants amb fibromiàlgia amb menys severitat en els símptomes van ser capaces d'entrenar de forma òptima. En conclusió, la present tesi doctoral aporta nova informació sobre la plasticitat maladaptativa, com els correlats neuronals del deteriorament de la inhibició somatosensorial provocats per l’envelliment, i el poder neuromodulador del neurofeedback per revertir els canvis plàstics somatomotors relacionats amb el dolor crònic.

[eng] Neuronal plasticity is the ability of the central nervous system to respond to internal and external stimuli through structural and functional reorganization. However, plastic changes can also negatively interfere with brain function and behavior in some neurological conditions. This process is known as maladaptive plasticity and refers to plastic changes in the central nervous system that disrupt proper brain function. In this sense, the present doctoral thesis explores the plastic changes associated with aging and the use of neuromodulation-based techniques to reverse the maladaptive plastic changes caused by chronic pain. Specifically, the main objectives of the thesis were: 1) to examine whether aging is associated with changes in the inhibitory mechanisms associated with the processing of somatosensory information, and 2) to examine whether the self-regulation of sensorimotor activity through the training of Neurofeedback can reverse the plastic changes seen in chronic pain on motor and somatosensory cortices. To achieve these goals, three studies were conducted using EEG recording (event-related potentials and brain oscillations) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) (studies 2 and 3 only). The first study explored the somatosensory activation phenomenon caused by repetitive tactile stimulation in healthy young and older participants. The results showed significant reductions in somatosensory activation in the middle and late stages of somatosensory information processing in older participants, suggesting reduced efficiency of inhibitory mechanisms during cognitive assessment (attention and memory processes), but not during the early coding of irrelevant and repetitive tactile stimuli. The second study demonstrated that most healthy participants were able to self-regulate sensorimotor activity through neurofeedback training, and that these plastic changes were related to increased functional connectivity between the motor and somatosensory brain areas at rest. Finally, the third study revealed that only half of the patients with chronic pain (fibromyalgia syndrome) were able to self-regulate their sensorimotor rhythm. Furthermore, the results demonstrated that good responders to neurofeedback training significantly reduced pain and increased functional connectivity of motor and somatosensory brain areas. Interestingly, those patients who learned self-regulation of sensorimotor activity were also characterized by having a lower impact of fibromyalgia and pain symptoms, as well as a better health-related quality of life compared to those who were unable to learn. In conclusion, the present doctoral thesis provides new data on the plastic changes in somatosensory processing related to aging and chronic pain, and shows that these changes could be partially reversed through neurofeedback training. Future research should further explore whether neurofeedback training could also be useful in reducing the impact of aging and pain on somatosensory processing over time.