Interfaz de computadora de dopamina y cerebro (BCI_LDOPA)

Los objetivos del presente proyecto de investigación son evaluar el efecto de la modulación dopaminérgica sobre el rendimiento de BCI en sujetos ancianos sanos para comprender los mecanismos neurofisiológicos subyacentes. La perspectiva radica en la aplicación de este enfoque para mejorar la recuperación motora después de un accidente cerebrovascular.

El accidente cerebrovascular es una de las causas más comunes de deterioro de la función motora y se espera que su prevalencia aumente debido al envejecimiento de la población. Los supervivientes de un accidente cerebrovascular a menudo experimentan cierto nivel de recuperación espontánea de la función motora durante la etapa aguda y alcanzan una meseta funcional después de la cual la recuperación es generalmente lenta o estancada. Curiosamente, está surgiendo evidencia que indica que las terapias basadas en la interfaz cerebro-computadora (BCI) pueden inducir una recuperación más allá de este nivel.

La resonancia magnética farmacológica (phMRI) es un método nuevo y prometedor para estudiar los efectos de sustancias en la función cerebral que, en última instancia, puede usarse para desentrañar los mecanismos neurobiológicos subyacentes detrás de la acción de los fármacos. Como la mayoría de los métodos de imagen, representa un progreso en la investigación de los trastornos cerebrales y la función relacionada de las vías de los neurotransmisores de una manera no invasiva con respecto a la conectividad neuronal general.

Además, proporciona una herramienta ideal para su traducción a investigaciones clínicas. La resonancia magnética, aunque todavía está atrasada en las estrategias de imágenes moleculares en comparación con la PET y la SPECT, tiene la ventaja de tener una alta resolución espacial y no necesita la inyección de un agente de contraste o moléculas radiomarcadas, evitando así la exposición repetitiva a radiaciones ionizantes. La resonancia magnética funcional (fMRI) se usa ampliamente en la investigación y en el entorno clínico, donde generalmente se combina con una tarea psicomotora. La phMRI es una adaptación de la fMRI que permite la investigación de un sistema neurotransmisor específico, como la dopamina, en condiciones fisiológicas o patológicas después de la activación mediante la administración de un fármaco desafiante específico.

Desde hace mucho tiempo se conoce la importancia del neurotransmisor dopamina (DA) para los procesos motores. En los pacientes que padecen la enfermedad de Parkinson, se sabe que la deficiencia de dopamina en los ganglios basales provoca fuertes déficits relacionados con el movimiento.

Estudios recientes sugieren que la DA estimula estructuras neuronales, que a su vez afectan extensas regiones del cerebro y, por tanto, contribuye a diversos procesos de control del comportamiento: tanto procesos motores de control del movimiento como procesos cognitivos en el contexto de la categorización perceptual, la recompensa, la motivación y el control ejecutivo. . Por este motivo, a la DA también se la denomina "señal de enseñanza".

Cada vez hay más pruebas de que la DA puede ser eficaz también para formular nuevas estrategias de rehabilitación de accidentes cerebrovasculares. Para que una estrategia de rehabilitación sea eficaz, debe dar lugar a la formación de nuevas memorias motoras, que están mediadas anatómicamente por redes que conectan la corteza prefrontal dorsolateral, la corteza motora primaria, el cuerpo estriado y el cerebelo. Las nuevas memorias motoras se forman y podan mediante procesos de plasticidad sináptica como LTP y LTD, que requieren señalización dopaminérgica entre la sustancia negra pars compacta y las neuronas espinosas medias del cuerpo estriado en el putamen. Dentro de los bucles motores de los ganglios basales, la unión dopaminérgica a los D1R facilita los movimientos deseados, mientras que la unión a los D2R inhibe los movimientos no deseados.

Además de su papel en el impulso motor dentro de los ganglios basales, el sistema dopaminérgico también potencia la integración visomotora, que es la coordinación de la información perceptiva y relacionada con la acción. A nivel de receptor, los D1R son fundamentales para una integración visomotora adecuada. Este sistema es importante para relacionar la información ambiental visualizada con la posición del cuerpo, permitiendo así una planificación y corrección óptima del movimiento. Por lo tanto, potenciar la coordinación del impulso motor y la integración visomotora mediante la terapia dopaminérgica puede mejorar la recuperación después del accidente cerebrovascular.

Se ha demostrado que los fármacos que aumentan la disponibilidad de neurotransmisores del sistema nervioso central (dopamina, noradrenalina, serotonina y acetilcolina) ejercen un efecto facilitador sobre la neuroplasticidad. Teniendo esto en cuenta, los investigadores han estudiado los efectos de las anfetaminas, los inhibidores selectivos de la recaptación de serotonina, el donepezilo, los psicoestimulantes como el metilfenidato y los agentes dopaminérgicos sobre la recuperación motora después de un accidente cerebrovascular. De los fármacos antes mencionados, sólo la levodopa ha demostrado mejorar la inducción de plasticidad similar a la LTP, plasticidad dependiente de la práctica y recuperación motora después de un accidente cerebrovascular en sujetos humanos. Además, la levodopa tiene un perfil de efectos secundarios seguros y no es una sustancia controlada.

El efecto secundario más común de la levodopa es la discinesia, seguida de náuseas, luego alucinaciones y mareos. Además, existe cierto riesgo de discinesia inducida por levodopa en pacientes con enfermedad de Parkinson. Sin embargo, estos efectos secundarios graves generalmente aparecen después de una ingesta prolongada (es decir, años) del medicamento. Además, se estima que el riesgo en pacientes con otras afecciones, como un accidente cerebrovascular, es mucho menor. De hecho, la levodopa se ha utilizado en numerosos estudios que se centran en la recuperación motora en supervivientes de un accidente cerebrovascular sin ningún informe de discinesia ni otros efectos secundarios menores o mayores. "La literatura" concluye que es poco probable que tratar a los sobrevivientes de un accidente cerebrovascular con levodopa cause discinesia inducida por levodopa, a menos que exista daño comórbido de los ganglios basales o enfermedad de Parkinson.

La base del funcionamiento de las BCI es la traducción de la actividad neuronal registrada directamente por el sujeto en retroalimentación en tiempo real para entrenar patrones consistentes de activación cerebral asociados con estados mentales específicos. La actividad neuronal se puede detectar mediante métodos invasivos (ECoG/iEEG) o no invasivos (EEG, MEG, fMRI en tiempo real o NIRS). La mayoría de los estudios utilizan BCI no invasivos basados ​​en EEG, ya que son relativamente fáciles y rápidos de operar y tienen buenas características temporales y espaciales, por lo que pueden usarse de manera segura y efectiva para obtener ganancias funcionales en sobrevivientes de un accidente cerebrovascular con déficits motores persistentes y pueden mejorar la eficacia de las terapias concurrentes o asociadas, incluso después de que los individuos alcancen un nivel funcional utilizando terapias tradicionales.

Actualmente, la mayoría de las BCI que tienen como objetivo la restauración de la función motora se basan en imágenes motoras (IM). Estos sistemas no dependen de movimientos reales, sino que utilizan el proceso mental de imaginación de un movimiento. La razón principal es que la IM conduce a la activación de las mismas áreas del cerebro que el movimiento real. Los problemas que surgen con las imágenes motoras sin retroalimentación son la falta de control de la actividad y la falta de motivación. Utilizando un BCI, las imágenes motoras se pueden medir en tiempo real, lo que permite proporcionar retroalimentación en tiempo real al sujeto. Además, el acoplamiento de dispositivos BCI con estimulación eléctrica funcional (FES) activada por IM permite la resincronización de la activación cortical, la activación periférica y la retroalimentación sensorial. Además de esto, algunos estudios han abogado por la inclusión de la realidad virtual para una retroalimentación visual inmediata. La combinación de observación de acciones basada en realidad virtual y retroalimentación FES puede potenciar la mejora de la función motora a medida que los sujetos interactúan con el avatar en pantalla en tiempo real. Por lo tanto, es posible cerrar el circuito: el sistema detecta las imágenes motoras y se aplica FES al músculo objetivo para ayudar al participante a realizar el movimiento. Al mismo tiempo, un avatar realiza exactamente el mismo movimiento (en sincronía con FES), que se muestra en la pantalla del participante en tiempo real. Por lo tanto, además de realizar el movimiento físico que contribuye al éxito de la terapia, las áreas de la corteza sensorial también se activan sincrónicamente con las imágenes motoras a través de los impulsos nerviosos aferentes. Esto conduce a la estimulación de la plasticidad hebbiana, que establece que las neuronas que se estimulan juntas repetidamente crean conexiones comunes. Se cree que esto induce una plasticidad dependiente del uso y facilita la recuperación funcional. Tal fortalecimiento de las conexiones centro-periféricas a través de tecnologías complementarias tiene el potencial de mejorar la recuperación de la función motora a través de la plasticidad dependiente del uso inducida y facilitar la recuperación funcional posterior al accidente cerebrovascular.

Existe evidencia de cambios en la activación cerebral y la conectividad funcional (FC) en pacientes con accidente cerebrovascular que reciben terapias de rehabilitación basadas en BCI. Potencialmente, pueden resultar en un aumento de FC entre el lóbulo parietal inferior y el área motora suplementaria (SMA), así como entre la corteza cingulada anterior y la SMA, lo que se correlaciona positivamente con ganancias en las puntuaciones de Fugl-Meyer. Además, se observaron aumentos de FC entre el tálamo ipsilesional y el cingulado contralesional, el lóbulo paracentral contralateral y el precuneus bilateral.