Cortical plasticity and motor learning : variability in response to non-invasive brain stimulation and its relation with motor learning = Plasticidad cerebral y aprendizaje: variabilidad inter-e intra-individual en la respuesta a la estimulación cerebral no invasiva y su relación con el aprendizaje motor

Abstract

[Resumen]El cerebro humano es plástico, tiene la capacidad de producir cambios en su estructura y función. Los mecanismos principales que explican dichos cambios a nivel sináptico son la potenciación a largo plazo (LTP) y la depresión a largo plazo (LTD). Ambos mecanismos pueden ser inducidos mediante la práctica (procesos de aprendizaje), pero también pueden ser inducidos de manera artificial a través de estimulación eléctrica tanto en la corteza cerebral como en el hipocampo. En las últimas décadas se han desarrollado numerosas técnicas que permiten estimular la corteza cerebral humana de manera segura y no invasiva. La estimulación magnética transcraneal (TMS) y la estimulación transcraneal por corriente directa (tDCS) son las dos técnicas más utilizadas. Numerosos estudios han demostrado que ambas técnicas inducen cambios en la excitabilidad cortical y, por ende, en la plasticidad (compartiendo propiedades con el LTP y el LTD inducido en preparaciones corticales). Estos cambios en la excitabilidad cortical se han utilizado para justificar el uso de estas técnicas tanto en la mejora de los procesos rehabilitadores de diferentes poblaciones de pacientes como en la potenciación del aprendizaje en sujetos sanos. Sin embargo, hay una gran controversia en cuanto al efecto de estas técnicas a nivel individual, ya que en los últimos años se han publicado artículos en los que se observa que algunos sujetos no responden como es esperado a la estimulación. Al ser estas técnicas de estimulación relativamente nuevas, existen todavía varias cuestiones que no han sido resueltas completamente. En el presente trabajo tratamos de abordar las siguientes: 1) La gran variabilidad inter-individual que parece existir en la respuesta a las diferentes técnicas de estimulación. 2) La fiabilidad intra-sujeto de las técnicas de estimulación. 3) La relación entre plasticidad cortical y la capacidad de aprendizaje motor En este trabajo demostramos que, efectivamente, existen diferentes patrones de respuesta a cada uno de los protocolos de facilitación testados. Un grupo de sujetos responde como se espera (incrementando la excitabilidad cortical), mientras que otro grupo de sujetos no muestra la respuesta esperada. Además, el que una persona responda a un protocolo no es indicativo de que vaya a responder a otro. En segundo lugar, los resultados nos han mostrado que hay una fiabilidad intra-sujeto moderada durante la media hora siguiente a la estimulación transcraneal. Y en tercer lugar, nuestros datos no muestran relación entre la plasticidad inducida en el área motora con estimulación transcraneal y la capacidad de aprendizaje motor. Sin embargo, hemos encontrado una relación entre el patrón de respuesta a la estimulación y el tiempo de reacción. Nuestros resultados muestran que el grupo de sujetos que responde como se espera a determinados protocolos de estimulación, tienen un tiempo de reacción menor que aquellos del grupo que no responde como es esperado. Por lo tanto, debido a la gran variabilidad inter-individual en la respuesta a la estimulación transcraneal no invasiva, junto con la gran cantidad de protocolos de estimulación y de tareas de aprendizaje motor existentes, parece necesario contemplar todos estos aspectos a la hora de diseñar programas en los que se utilicen estas técnicas. Es decir, es importante saber qué protocolo y/o qué tarea de aprendizaje es más adecuada para según qué tipo de terapia y según qué tipo de sujeto. Además, parece que la fiabilidad intra-sujeto de las técnicas de estimulación es aceptable, por lo que una vez comprobada la eficacia de una técnica en un sujeto, podemos esperar que sucesivas sesiones muestren similares efectos. Futuros estudios deben ser realizados para seguir concretando los protocolos y parámetros óptimos para cada intervención en la que se utilicen técnicas de estimulación transcraneal no invasiva.

[Abstract]Human brain is plastic, i.e. it has the ability to make changes in its structure and function. The key mechanisms involved in these changes at the synaptic level are the long-term potentiation (LTP) and the long-term depression (LTD). LTP and LTD have been induced by practice (learning processes) or artificially through electrical stimulation in cortical and hippocampal slices. In the last decades, several techniques have been developed to stimulate the awake human cerebral cortex safely and non-invasively. The two commonly used stimulation techniques are transcranial magnetic stimulation (TMS) and transcranial direct current stimulation (tDCS) produce changes in cortical excitability, with several properties in common with LTP/LTD in cortical slices. These changes in cortical excitability have been used to justify the utilization of these techniques both in rehabilitative processes of different patients populations and in the potentiation of learning in healthy subjects. However, there is controversy regarding effects on small groups of subjects and whether the effects of these techniques are effective or safe for the individual. In the last years some studies suggest that some subjects do not respond as expected to the stimulation. As these techniques are very recent, there are some questions that remain still unresolved. In the present work we wanted to address the following: 1) The huge inter-individual variability in response to the different noninvasive brain stimulation techniques. 2) The intra-subject reliability of the non-invasive brain stimulation techniques. 3) The relationship between cortical plasticity and motor learning capacity. In this work we demonstrated first, that there are different patterns of response to each of the facilitative non-invasive brain stimulation protocols tested. There is a group of subjects that respond as expected (i.e. increasing cortical excitability), whilst there is another group of subject who do not show this expected response. Furthermore, an expected response to one protocol, do not imply such response to another protocol. Second, our results show a fair intra-subject reliability in response to noninvasive brain stimulation during the half-hour post-stimulation (tested with tDCS). And third, we observe no correlation between the plasticity induced in the motor cortex by non-invasive brain stimulation and the motor learning capacity. However, we found a relationship between the pattern of response to some non-invasive brain stimulation protocols and the reaction time, i.e. the group of subjects who respond as expected to the stimulation is faster than those subjects in the group with a non-expected response. Therefore, due to the huge inter-individual variability in response to noninvasive brain stimulation, and the large amount of stimulation protocols and motor learning task, it seems very important to take into account all of this for the design of programs involving stimulation. So, is important to know which protocol and/or motor task are more suitable depending on the therapy and depending on the subject. Furthermore, as the intra-individual reliability of stimulation seems to be fair, once a technique is successfully probe in a subject, is expected similar success in successive sessions. Future studies are needed to further establish the optimal protocols and parameters for each intervention in which non-invasive brain stimulation is involved

[Resumo] O cerebro humano é plástico, ten a capacidade de producir modificacións na súa estructura e na súa función. Os principais mecanismos que explican estas modificacións a nivel sináptico son a potenciación a longo prazo (LTP) e a depresión a longo prazo (LTD). Ambos mecanismos poden ser inducidos mediante a práctica (procesos de aprendizaxe), mais tamén poden ser inducidos de maneira artificial a través de estimulación eléctrica tanto na corteza cerebral coma no hipocampo. Nas últimas décadas véñense desenvolvendo numerosas técnicas que permiten estimular o córtex humano de maneira segura e non invasiva. A estimulación magnética transcraniana (TMS) e máis a estimulación transcraniana por corrente directa (tDCS) son as dúas técnicas máis empregadas. Numerosos estudios demostraron que ámbalas dúas técnicas inducen modificacións na excitabilidade cortical e, polo tanto, na plasticidade (compartindo propiedades co LTP e mailo LTD inducido en preparacións corticais). Estas modificacións na excitabilidade cortical utilízanse para xustificar o uso destas técnicas tanto nos procesos rehabilitadores de diferentes poboacións de doentes coma na potenciación do aprendizaxe en suxeitos saudables. Porén, existe unha grande controversia en relación ó efecto destas técnicas a nivel individual, xa que nos últimos anos publicáronse artigos nos que se observa que algúns suxeitos non responden como é de esperar á estimulación. Debido a que estas técnicas son relativamente novas, aínda existen varias cuestións sen resposta. No presente traballo preténdense abordar as seguintes: 1) A grande variabilidade inter-individual que parece existir na resposta ás diferentes técnicas de estimulación. 2) A fiabilidade intra-suxeito das técnicas de estimulación. 3) A relación entre plasticidade cortical e a capacidade de aprendizaxe motora. Neste traballo demostramos que, efectivamente, existen diferentes padróns de resposta a cada un dos protocolos de facilitación testados. Un grupo de suxeitos responde como é de esperar (incrementando a excitabilidade cortical), namentres que outro grupo de suxeitos non amosa a resposta esperada. Ademais, que unha persoa responda a un protocolo non é indicativo de que responda a outro. En segundo lugar, os resultados amosaron unha fiabilidade intra-suxeito moderada durante a media hora seguinte á estimulación transcraniana. E, en terceiro lugar, os nosos datos non amosan relación entre a plasticidade inducida na zona con estimulación transcraniana e a capacidade de aprendizaxe motora. Porén, encontramos unha relación entre o padrón de resposta á estimulación transcraniana e o tempo de reacción. Os nosos resultados amosan que o grupo de suxeitos que responde como é de esperar a determinados protocolos de estimulación, teñen un tempo de reacción menor que aqueles do grupo que non responde como é de esperar. Por tanto, debido á grande variabilidade inter-individual na resposta á estimulación transcraniana non invasiva, xunto coa grande cantidade de protocolo de estimulación e de tarefas de aprendizaxe motora existentes, semella necesario contemplar todos estes aspectos á hora de deseñar programas nos que se empreguen estas técnicas. É dicir, é importante saber o protocolos e/ou a tarefa de aprendizaxe máis adecuada para segundo o tipo de terapia e segundo o tipo de suxeito. Ademáis, semella que a fiabilidade intrasuxeito das técnicas de estimulación é aceptable, por tanto, unha vez comprobada a eficacia dunha técnica nun suxeito, é de esperar que sucesivas sesións amosen efectos similares. Futuros estudios deben ser realizados para seguir concretando os protocolos e parámetros óptimos para cada intervención na que sexan empregadas as técnicas de estimulación transcraniana non invasiva.