Estimulación combinada de nervios periféricos y estimulación magnética transcraneal de parámetros de pulso controlable para sondear el control sensoriomotor y el aprendizaje

Múltiples bucles sensoriomotores convergen en la corteza motora para dar forma a las proyecciones del tracto piramidal a las neuronas motoras espinales e interneuronas¹. Sin embargo, cómo interactúan estos bucles sensoriomotores para dar forma a las proyecciones corticoespinales y al comportamiento motor sigue siendo una pregunta abierta. La inhibición aferente de latencia corta (SAI) proporciona una herramienta para sondear las propiedades funcionales de los bucles sensoriomotores convergentes en la salida de la corteza motora. SAI combina la estimulación magnética transcraneal cortical motora (TMS) con la estimulación eléctrica del nervio aferente periférico correspondiente.

TMS es un método no invasivo para estimular de forma segura las neuronas motoras piramidales transsinápticamente en el cerebro humano ^2,3. TMS implica pasar una corriente eléctrica grande y transitoria a través de un cable enrollado colocado en el cuero cabelludo. La naturaleza transitoria de la corriente eléctrica crea un campo magnético que cambia rápidamente y induce una corriente eléctrica en el cerebro⁴. En el caso de un solo estímulo TMS, la corriente inducida activa una serie de entradas excitatorias a las neuronas motoras piramidales ^5-7. Si la fuerza de las entradas excitatorias generadas es suficiente, la actividad descendente provoca una respuesta muscular contralateral conocida como potencial evocado motor (MEP). La latencia del MEP refleja el tiempo de conducción corticomotora⁸. La amplitud del MEP indexa la excitabilidad de las neuronas corticoespinales⁹. El estímulo TMS único que provoca el MEP también puede ser precedido por un estímulo condicionante^10,11,12. Estos paradigmas de pulso pareado se pueden utilizar para indexar los efectos de varios grupos de interneuronas en la producción corticoespinal. En el caso de SAI, el estímulo de acondicionamiento eléctrico periférico se utiliza para sondear el impacto de la descarga aferente sobre la excitabilidad cortical motora^11,13,14,15. El tiempo relativo del estímulo TMS y la estimulación eléctrica periférica alinea la acción del estímulo TMS en la corteza motora con la llegada de las proyecciones aferentes a la corteza motora. Para SAI en los músculos distales de las extremidades superiores, el estímulo del nervio mediano típicamente precede al estímulo TMS por 18-24 ms^11,13,15,16. Al mismo tiempo, SAI aumenta a medida que aumenta la fuerza de la descarga aferente inducida por el estímulo periférico 13,17,18.

A pesar de su fuerte asociación con las propiedades extrínsecas de la proyección aferente a la corteza motora, SAI es un fenómeno maleable implicado en muchos procesos de control motor. Por ejemplo, la SAI se reduce en los músculos relevantes para la tarea antes de un movimiento inminente 19,20,21, pero se mantiene en representaciones motoras adyacentes irrelevantes para la tarea^19,20,22. Se plantea la hipótesis de que la sensibilidad a la relevancia de la tarea refleja un mecanismo de inhibición envolvente²³ que tiene como objetivo reducir el reclutamiento de efectores no deseados. Más recientemente, se propuso que la reducción de la EFS en el efector relevante para la tarea puede reflejar un fenómeno de activación relacionado con el movimiento diseñado para suprimir la aferencia sensorial esperada²¹ y facilitar las correcciones durante la planificación y ejecución sensoriomotora²⁴. Independientemente del rol funcional específico, la EFS se correlaciona con la reducción de la destreza manual y la eficiencia del procesamiento²⁵. La SAI alterada también se asocia con un mayor riesgo de caídas en adultos mayores 26 y función sensoriomotora comprometida en la enfermedad de Parkinson 26,27,28 e individuos con distonía focal de la mano ²⁹.

La evidencia clínica y farmacológica indica que las vías inhibitorias que median la EFS son sensibles a la modulación colinérgica central³⁰. Por ejemplo, la administración del antagonista muscarínico del receptor de acetilcolina escopolamina reduce SAI³¹. Por el contrario, el aumento de la vida media de la acetilcolina a través de los inhibidores de la acetilcolinesterasa mejora la IAS^32,33. De acuerdo con la evidencia farmacológica, la EFS es sensible a varios procesos cognitivos con afectación colinérgica central, incluyendo la excitación 34, la recompensa³⁵, la asignación de atención 21,36,37 y la memoria^38,39,40. La EFS también está alterada en poblaciones clínicas con déficits cognitivos asociados a la pérdida de neuronas colinérgicas, como la enfermedad de Alzheimer 41,42,43,44,45,46,47, la enfermedad de Parkinson (con deterioro cognitivo leve)48,49,50 y el deterioro cognitivo leve ^47,51,52. La modulación diferencial de SAI por varias benzodiazepinas con afinidades diferenciales para varios tipos de subunidades del receptor del ácido γ-aminobutírico tipo A (GABA_A) sugiere que las vías inhibitorias de SAI son distintas de las vías que median otras formas de inhibición de pulso pareado³⁰. Por ejemplo, el lorazepam disminuye la SAI pero mejora la inhibición cortical de intervalo corto (SICI)⁵³. Zolpidem reduce la SAI pero tiene poco efecto sobre SICI⁵³. El diazepam aumenta el SICI pero tiene poco impacto en la EFS⁵³. La reducción de SAI por estos moduladores alostéricos positivos de la función del receptor GABA_A, junto con la observación de que GABA controla la liberación de acetilcolina en el tronco cerebral y la corteza⁵⁴, ha llevado a la hipótesis de que GABA modula la vía colinérgica que se proyecta a la corteza sensoriomotora para influir en SAI⁵⁵.

Recientemente, SAI se ha utilizado para investigar las interacciones entre los bucles sensoriomotores que establecen los procesos de control motor procedimental y aquellos que alinean los procesos de procedimiento con objetivos explícitos de arriba hacia abajo y los procesos de control cognitivo 21,36,37,38. La participación colinérgica central en la EFS³¹ sugiere que la EFS puede indexar una influencia ejecutiva sobre el control sensoriomotor procedimental y el aprendizaje. Es importante destacar que estos estudios han comenzado a identificar los efectos únicos de la cognición en circuitos sensoriomotores específicos mediante la evaluación de SAI utilizando diferentes direcciones de corriente TMS. Los estudios SAI suelen emplear corriente inducida por posterior-anterior (PA), mientras que sólo un puñado de estudios SAI han empleado corriente inducida por anterior-posterior (AP)⁵⁵. Sin embargo, el uso de TMS para inducir PA en comparación con la corriente de PA durante la evaluación de SAI recluta circuitos sensoriomotores distintos^16,56. Por ejemplo, los circuitos sensitivos a AP, pero no a los sensibles a PA, son alterados por la modulación cerebelosa^37,56. Además, los circuitos sensoriomotores sensibles a AP, pero no a los sensibles a PA, son modulados por la carga de atención³⁶. Finalmente, la atención y las influencias cerebelosas pueden converger en los mismos circuitos sensitivo-motores AP, llevando a alteraciones desadaptativas en esos circuitos³⁷.

Los avances en la tecnología TMS proporcionan flexibilidad adicional para manipular la configuración del estímulo TMS empleado durante aplicaciones de pulso único, pulso pareado y repetitivas^57,58. Los estimuladores TMS de parámetros de pulso controlables (cTMS) ahora están disponibles comercialmente para uso de investigación en todo el mundo, y proporcionan un control flexible sobre el ancho y la forma del pulso⁵⁷. La mayor flexibilidad surge del control de la duración de descarga de dos condensadores independientes, cada uno responsable de una fase separada del estímulo TMS. La naturaleza bifásica o monofásica del estímulo se rige por la amplitud de descarga relativa de cada condensador, un parámetro llamado relación M. Los estudios de TMTc han combinado la manipulación del ancho de pulso con diferentes direcciones de corriente para demostrar que los anchos de pulso fijos utilizados por los estimuladores TMS convencionales (70-82 μs)^59,60 probablemente reclutan una mezcla de circuitos sensoriomotores funcionalmente distintos durante SAI ⁵⁶. Por lo tanto, cTMS es una herramienta emocionante para desentrañar aún más el significado funcional de varios bucles sensoriomotores convergentes en el rendimiento sensoriomotor y el aprendizaje.

Este manuscrito detalla un enfoque único de SAI para estudiar la integración sensoriomotora que integra la estimulación eléctrica periférica con la EMTc durante los comportamientos sensoriomotores. Este enfoque mejora el enfoque SAI típico al evaluar el efecto de las proyecciones aferentes en poblaciones interneuronales seleccionadas en la corteza motora que gobiernan la producción corticoespinal durante el comportamiento sensoriomotor continuo. Aunque relativamente nuevo, la EMTc proporciona una clara ventaja en el estudio de la integración sensoriomotora en poblaciones típicas y clínicas. Además, el enfoque actual puede adaptarse fácilmente para su uso con estimuladores TMS convencionales y para cuantificar otras formas de inhibición y facilitación aferente, como la inhibición aferente de latencia prolongada (LAI)¹³ o la facilitación aferente de latencia corta (SAF)¹⁵.