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Vol. 30. Núm. 01. Enero - Febrero 2015 Documento Anterior - Documento Siguiente doi: 10.1016/j.nrl.2011.12.
Teorías y modelos de control y aprendizaje
motor. Aplicaciones clínicas en
neurorrehabilitación
Theories and control models and motor learning: clinical applications in neuro- rehabilitation R. Cano-de-la-Cuerda a,^ , A. Molero-Sánchez ab, M. Carratalá-Tejada a, I.M. Alguacil- Diego a, F. Molina-Rueda a, J.C. Miangolarra-Page ac, D. Torricelli d a (^) Laboratorio de Análisis del Movimiento, Biomecánica, Ergonomía y Control Motor (LAMBECOM), Departamento de Fisioterapia, Terapia Ocupacional, Medicina Física y Rehabilitación, Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad Rey Juan Carlos, Alcorcón, Madrid, España b (^) Servicio de Rehabilitación, Hospital Universitario Ramón y Cajal, Madrid, España c (^) Servicio de Rehabilitación, Hospital Universitario Fuenlabrada, Madrid, España d (^) Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Centro de Automática y Robótica, Grupo Bioingeniería, Arganda del Rey, Madrid, España
Resumen
Introducción En las últimas décadas ha existido un especial interés por las teorías que podrían explicar el gobierno del control motor y sus aplicaciones. Estas teorías suelen basarse en modelos de función cerebral, reflejando criterios filosóficamente diferentes sobre la forma en la que el movimiento es controlado por el cerebro, enfatizando cada una de ellas en los distintos componentes neurales del movimiento. Asimismo, en el contexto de las neurociencias, toma relevancia el concepto de aprendizaje motor, considerado como el conjunto de procesos internos asociados a la práctica, y la experiencia, que producen cambios relativamente permanentes en la capacidad de producir actividades motoras, a través de una habilidad específica. Por lo que ambos, control y aprendizaje motor, se posicionan como campos de estudio fundamentales para los profesionales sanitarios en el campo de la neurorrehabilitación. Desarrollo
Se describen las principales teorías de control motor como la teoría de la programación motora, la teoría de sistemas, la teoría de la acción dinámica o la teoría del procesamiento de distribución en paralelo, así como los factores que influyen en el aprendizaje motor y sus aplicaciones en neurorrehabilitación. Conclusiones En la actualidad no existe un consenso sobre qué teoría o modelo es definitorio en dar explicación al gobierno del control motor. Las teorías sobre el aprendizaje motor deben ser la base para la rehabilitación motora. Las nuevas líneas de investigación deben aplicar los conocimientos generados en los campos del control y aprendizaje motor en neurorrehabilitación.
Abstract
Introduction In recent decades there has been a special interest in theories that could explain the regulation of motor control, and their applications. These theories are often based on models of brain function, philosophically reflecting different criteria on how movement is controlled by the brain, each being emphasised in different neural components of the movement. The concept of motor learning, regarded as the set of internal processes associated with practice and experience that produce relatively permanent changes in the ability to produce motor activities through a specific skill, is also relevant in the context of neuroscience. Thus, both motor control and learning are seen as key fields of study for health professionals in the field of neuro-rehabilitation. Development The major theories of motor control are described, which include, motor programming theory, systems theory, the theory of dynamic action, and the theory of parallel distributed processing, as well as the factors that influence motor learning and its applications in neuro-rehabilitation. Conclusions At present there is no consensus on which theory or model defines the regulations to explain motor control. Theories of motor learning should be the basis for motor rehabilitation. The new research should apply the knowledge generated in the fields of control and motor learning in neuro-rehabilitation.
Palabras Clave
Aprendizaje motor. Control Motor. Modelos. Neurorrehabilitación. Patología neurológica. Teorías.
de la práctica médica^2 , la cual se encargará de verificar o no dichas teorías^3. Las principales limitaciones e implicaciones clínicas de las teorías sobre CM se muestran en la Tabla 1. Tabla 1. Limitaciones de las teorías sobre el control motor Teorías de control motor Limitaciones Implicaciones clínicas Teoría refleja La consideración del reflejo como unidad básica del comportamiento no explica los movimientos espontáneos ni los voluntarios como formas aceptables de conducta No explica tampoco que un solo estímulo pueda resultar en respuestas variadas que dependen de un contexto y de los comandos descendentes o la capacidad de realizar movimientos nuevos La recuperación del CM se basa en aumentar o reducir el efecto de los diversos reflejos durante las tareas motoras. El concepto Bobath se basó en parte en ella Teoría jerárquica No explica que un reflejo que se encuentra dentro del nivel inferior de la jerarquía es el que domine la función motora (reflejo de retirada) Basados en la teoría jerárquica del CM se ha realizado el análisis de reflejos como parte de la evaluación clínica de pacientes con deficiencias neurológicas, utilizándose además como medio para calcular el nivel de maduración neural y predecir la capacidad funcional Teoría de la programación motora El concepto de programa motor no considera que el SNC deba tener en cuenta variables musculoesqueléticas y ambientales para lograr el control del movimiento. Comandos similares producirán movimientos distintos según varíen estas variables Pone de relieve la capacidad de reaprender patrones de acción correctos ante trastornos de los niveles superiores de CM. El objetivo terapéutico deberá enfocarse hacia la recuperación de los movimientos claves para una actividad funcional, más que en la reeducación aislada de los músculos y si los niveles superiores de programas motores no están afectados, en encontrar efectores alternativos Teoría de sistemas No considera la interacción del organismo con el ambiente Sugiere que la evaluación y tratamiento deben enfocarse no sólo en las deficiencias de los sistemas particulares que contribuyen al CM, sino en aquellas que interactúan en los múltiples sistemas, como las del
sistema musculoesquelético Teoría de la acción dinámica Supone que la relación entre el sistema físico del sujeto y el ambiente donde opera determina principalmente su comportamiento Las alteraciones en el comportamiento motor a menudo pueden ser explicadas en función de los principios físicos en vez de interpretarlos necesariamente según las estructuras neurales así, la comprensión de las propiedades físicas o dinámicas del cuerpo humano permitiría su uso en el tratamiento de los pacientes Teoría del procesamiento de distribución en paralelo Los modelos basados en esta teoría no imitan el procesamiento de la información durante el desempeño y el aprendizaje Clínicamente, se podría utilizar este modelo para predecir la forma en que las lesiones del SN afectan a las funciones. Se ha indicado que en el cerebro los sistemas son altamente redundantes, capaces de operar con una pérdida de ejecución similar a la magnitud del daño, siendo esta una característica de ejecución natural de los modelos de PDP Teoría orientada a la actividad No informa sobre cuáles son las actividades fundamentales del SNC y los elementos esenciales que se controlan en una acción Señala que la recuperación del CM debe enfocarse a actividades esencialmente funcionales Teoría ecológica Enfatiza poco en la organización y función del sistema nervioso Describe al individuo como un explorador activo del medio ambiente y es esta exploración la que permite al sujeto desarrollar múltiples formas de realizar la actividad SNC: sistema nervioso central. Teoría refleja En 1906, el neurofisiólogo Sir Charles Sherrington sentó las bases de la teoría refleja del CM^4 , en la que los reflejos eran los componentes básicos del comportamiento complejo para lograr un objetivo común^5. Describió este comportamiento en función de reflejos compuestos y su combinación sucesiva o encadenamiento^6 ,^7 ,^8 ,^9 ,^10 ,^11 ,^12 ,^13 ,^14. Un estímulo produciría una respuesta, la cual se transformaría en el estímulo de la siguiente respuesta. Teoría jerárquica Esta teoría sostiene que el sistema nervioso central (SNC) se organiza de forma jerárquica, en áreas de asociación superiores, corteza motora y niveles espinales de función motora, y cada nivel superior ejerce control sobre el nivel menor, en una estricta jerarquía vertical, en
lograr la acción coordinada^27 ,^28. Propone que el movimiento surge como resultado de elementos que interactúan, sin la necesidad de programas motores. Esta acción dinámica trata de encontrar descripciones matemáticas de estos sistemas autoorganizados que seguirían un comportamiento no lineal, situación en la cual, cuando uno de los parámetros se altera y alcanza un valor crítico, el sistema entra en un patrón de comportamiento completamente nuevo. A través de estas formulaciones matemáticas sería posible predecir las formas en que un sistema dado actuará en diferentes situaciones. La perspectiva de la acción dinámica reduce la importancia de las nociones de comandos provenientes del SNC para controlar el movimiento y busca explicaciones físicas que también puedan contribuir a las características del movimiento. Teoría del procesamiento de distribución en paralelo La teoría del procesamiento de distribución en paralelo (PDP) describe la forma en que el SN procesa la información para actuar. El SN operaría tanto mediante procesos en serie (procesando la información a través de una vía única), como en paralelo, interpretando la información por medio de vías múltiples que la analizarían simultáneamente en diferentes formas. El supuesto fundamental es que el cerebro es un ordenador con células que interactúan en diversas formas y las redes neuronales son los sistemas computacionales esenciales del cerebro^29 ,^30. La estrategia ha sido desarrollar modelos matemáticos simplificados de sistemas cerebrales y posteriormente estudiar estos para comprender la manera en que varios problemas de cálculo pueden ser resueltos por tales mecanismos^29 ,^30 ,^31. Los modelos consisten en elementos que están conectados por circuitos. Al igual que las sinapsis neurales, cada elemento puede ser afectado por los otros de forma positiva o negativa en distinta magnitud. Estos elementos se distribuirían en neuronas sensoriales, interneuronas y motoras. La eficiencia del desempeño dependerá de la cantidad de conexiones de salida y la fortaleza de la conexión^3. Teoría orientada a la actividad Greene^32 indicó la necesidad de una teoría que explicase cómo los circuitos neuronales operaban para lograr una acción, lo que proporcionaría la base para una imagen más coherente del sistema motor. El método orientado a la actividad se apoya en el reconocimiento de que el objetivo del CM es el dominio del movimiento para realizar una acción particular, no para efectuar movimientos por el solo hecho de moverse. El control del movimiento se organizaría alrededor de comportamientos funcionales dirigidos a objetivos^3. Teoría ecológica En los años sesenta, Gibson^33 explora la forma en que nuestros sistemas motores nos permiten interactuar más efectivamente con el medio ambiente a fin de tener un comportamiento orientado al objetivo. Su investigación se centró en cómo detectamos la información del entorno pertinente para nuestras acciones y cómo la utilizamos para controlar nuestros movimientos^34. El individuo explora activamente su entorno, el cual, a su vez, sostiene la actividad del individuo, de tal manera que las acciones están orientadas al ambiente.
Aprendizaje motor El aprendizaje motor (AM) se define como el conjunto de procesos internos asociados a la práctica y la experiencia, que producen cambios relativamente permanentes en la capacidad de producir actividades motoras, a través de una habilidad específica. Lo que aprendemos se retiene o almacena en nuestro cerebro y constituye lo que denominamos memoria^35 ,^36 , no considerándose como aprendizaje las modificaciones a corto plazo^37 ,^38 ,^39. La neurorrehabilitación tendrá como objeto el mantenimiento de las habilidades existentes, la readquisición de habilidades perdidas y el aprendizaje de nuevas destrezas. Se considera generalmente que una habilidad es una característica o rasgo relativamente estable, típicamente asociado a un componente genético y que no puede alterarse fácilmente mediante la práctica o la experiencia^40. Otra manera de entender el concepto de habilidad es distinguiéndolo del de destreza. Al contrario que la primera, la destreza puede ser modificada mediante la práctica o la experiencia, de hecho, y de igual modo, puede ser adquirida a través de estas^41 ,^42. Muchos factores influyen en el AM, como la edad, la raza, la cultura o la predisposición genética. Cada persona posee sus destrezas como resultado del proceso de su aprendizaje^43. Teorías sobre el aprendizaje motor Modelo de los tres estadios de Fitts y Posner^37 ,^38. Estos autores sugieren que existen tres etapas principales en el AM. En la etapa cognitiva el paciente aprende una nueva destreza o reaprende una antigua. El individuo necesita practicar con frecuencia una tarea bajo supervisión y guía externa, siendo importante el cometer errores y saber corregirlos. En la etapa asociativa el paciente consigue dirigir el programa dentro de restricciones ambientales específicas. Disminuirá el número de errores en la actividad y logrará realizar con menor esfuerzo la ejecución de la tarea. Los individuos comienzan a comprender como se interrelacionan los diferentes componentes de la destreza. En la etapa autónoma el paciente consigue moverse dentro de una variedad de ambientes, manteniendo el control en todo el programa. El verdadero sello del aprendizaje es la capacidad de retener la destreza y generalizarla a diferentes contextos gracias a la automatización, puesto que la práctica en la vida cotidiana es generalmente aleatoria^38. Modelo de sistema de tres fases de Berstein. Según esta teoría, el énfasis está en controlar los grados de libertad, es decir, el número independiente de movimientos necesarios para completar una acción, como un componente central del aprendizaje de una nueva destreza motora. Este modelo de aprendizaje plantea tres fases. En la fase inicial, el individuo simplifica el movimiento reduciendo los grados de libertad. En la fase avanzada el sujeto comienza a
propósito de equilibrio y orientación Memoria: la memoria es considerada un elemento clave en el AM Retroalimentación : tiene por objeto motivar la consecución de objetivos, reforzar el desarrollo de una actividad (el refuerzo positivo, verbal o no verbal, produce mayor progreso en el aprendizaje que el refuerzo negativo) e informar acerca del desarrollo de la acción. Puesto que puede crear dependencia en el proceso de aprendizaje, el terapeuta debe ser capaz de proporcionar éste sólo cuando sea necesario Las instrucciones verbales facilitan a la persona que centre su atención en determinados objetivos y condicionan las estrategias de aprendizaje que vaya a emplear a la hora de realizar un movimiento^38 ,^44. En cuanto a las características y variabilidad de la práctica, resulta relevante plantear una tarea que conlleve repetición, teniendo en cuenta el concepto de «repetir sin repetir», es decir, la práctica debe tener un control de los parámetros que se han ido modificando, pues debe suponer un reto para el paciente y ser extrapolable a diferentes entornos y situaciones. En aquellos casos en los que la práctica física no sea posible, se ha sugerido que la práctica mental es una forma efectiva de estimular el aprendizaje^45. El aprendizaje puede ser facilitado o interrumpido por el contexto. Diferentes contextos producirán un mayor desarrollo del aprendizaje, resultando ser este más general y enriquecedor. Por esta razón, la práctica en el entorno clínico debe incluir condiciones variables, con el fin de que el aprendizaje pueda ser transferido a diversas situaciones cambiantes. De manera que la cantidad de transferencia depende de la similitud ente el entorno clínico y el entorno real^46. Otro de los conceptos importantes relacionado con el AM es la participación activa del paciente en la tarea que se debe desarrollar. La motivación e implicación del mismo es crucial para la ejecución de la tarea o actividad, la resolución y superación del problema. La participación activa realza el procesamiento del aprendizaje y ayuda a mantener una continuidad del mismo. La posibilidad de cometer errores durante la ejecución de una nueva actividad, así como reportar al paciente posibles soluciones o fomentar a que él mismo las proponga, supone un añadido en el trabajo del AM de nuevas destrezas^38. Un correcto control postural^47 ,^48 , así como un adecuado estado de la memoria, son importantes en el proceso de aprendizaje de un nuevo acto motor o en la readquisición del mismo^49. Llamamos retroalimentación a la información que surge como resultado del movimiento (Tabla 3). Podemos distinguir entre retroalimentación intrínseco, como consecuencia del movimiento que se produce (vía exteroceptiva y propioceptiva) que permite ajustes posturales; y retroalimentación extrínseco, considerado como toda información proporcionada por una fuente externa. Su objetivo es comunicar información al paciente sobre el resultado del movimiento ejecutado, completando la información intrínseca. Existen dos categorías dentro de este, el conocimiento de resultados, considerado como toda información verbal sobre el resultado de la acción y de especial importancia cuando el retroalimentación intrínseco está disminuido, y el conocimiento de ejecución que se relaciona con los
patrones de movimiento para conseguir una tarea e informa sobre la calidad de sus movimientos^50 ,^51. El retroalimentación extrínseco es esencial cuando el origen del retroalimentación intrínseco de una persona está disminuido o distorsionado, frecuente en pacientes con deterioro neurológico. Durante cualquier proceso de aprendizaje, el sujeto debe recibir algún tipo de información sobre el error desde la fuente intrínseca o extrínseca. Las características del retroalimentación extrínseco, las cuales potencian las habilidades cognitivas del paciente, se resumen en la Tabla 3. Tabla 3. Retroalimentación extrínseco Proporciona información acerca del progreso individual en el aprendizaje de la actividad, lo cual favorece la motivación Proporciona información de las partes que componen la acción, lo que permite al individuo realizar una representación mental de la actividad, así como interpretar sus posibilidades acerca de la consecución de los objetivos Proporciona refuerzo positivo, cuando se transmite al sujeto información acerca de la correcta ejecución de las tareas. Esto tiene un efecto inmediato sobre la motivación del individuo, así como sobre la atención y la concentración dedicada a la tarea El retroalimentación reiterado sobre corrección de errores puede generar dependencia y evitar que el sujeto experimente y evalúe por sí mismo las características de su acción. Para evitar la dependencia, el retroalimentación sólo debe otorgarse cuando sea necesario, en función de la complejidad de las tareas y la experiencia del individuo. Por lo tanto, el refuerzo debe ser intermitente, evitando producir retroalimentación en cada ejecución Los niños usan el retroalimentación de distinto modo a los adultos, pues estos se benefician más de un retroalimentación reducido, mientras que los niños requieren un retroalimentación más continuo pero menos preciso. El retroalimentación reducido incrementa el esfuerzo cognitivo del sujeto, ya que cuando el retroalimentación es ocultado, la persona necesita atender e interpretar la información intrínseca como resultado de la habilidad desempeñada. Este incremento del esfuerzo cognitivo propicia el cambio óptimo en los adultos, potenciando el AM, lo que no ocurre en los niños. Estos requieren un mayor número ensayos prácticos con retroalimentación para formar una representación más precisa y estable de la tarea; Posteriormente, el retroalimentación se debe reducir progresivamente para estimular el esfuerzo cognitivo y el AM. La capacidad de un sujeto para procesar la información y atender a la información intrínseca derivada de la tarea, condiciona el refuerzo extrínseco otorgado^50 ,^51. Aplicaciones clínicas de las teorías del control y aprendizaje motor en neurorrehabilitación Debe existir una transferencia continua del conocimiento científico a la práctica clínica para proponer nuevas estrategias terapéuticas que refuercen y fortalezcan las ya existentes. Por razones metodológicas se describirán por separado las estrategias terapéuticas encaminadas a recuperar o mejorar las capacidades de control postural y equilibrio, de la locomoción y de la manipulación.
Alcance, agarre y manipulación Aunque el objetivo final de cualquier planteamiento terapéutico para el miembro superior será recuperar la función perdida o buscar compensaciones, podemos clasificar las intervenciones en aquellas que se focalizan en las deficiencias, las que tratan de recuperar la función y las que proponen la práctica de la tarea concreta. Intervenciones dirigidas a las deficiencias Para la reeducación de deficiencias motoras, se han utilizado diversos programas de ejercicios activos, pasivos, contra resistencias progresivas y sistemas isocinéticos^74 ,^75 , de liberación miofascial^76 o el Tai Chi. Para tratar la rigidez y el acortamiento de estructuras se emplean yesos, férulas y ortesis. El bio - retroalimentación y la EEF ayudan a reclutar músculos paréticos. Respecto de la reeducación sensorial, Byl et al.^77 ,^78 encontraron mejorías del 20% en la independencia funcional, en la actividad motora fina, en la discriminación sensorial y en el desempeño musculoesquelético. Estrategias dirigidas a recuperar la función vía entrenamiento del movimiento Stoikov et al.^79 usaron actividades posturales para mejorar la función prensil del miembro superior atáxico y encontraron mejorías significativas tras un programa de 4 semanas de duración. Otro ejemplo interesante es el programa para pacientes con disfunción vestibular propuesto por Herdman^80. Desde los años setenta se han desarrollado diversas técnicas de facilitación del movimiento activo usando objetos reales y entrenando varias posibilidades de alcance y agarre con ejercicios de progresiva dificultad que impliquen distintas formas de manipulación^81 ,^82 ,^83. Rhoda Erhardt, terapeuta ocupacional, publicó de manera detallada el desarrollo de la secuencia para la suelta de objetos^84. Práctica orientada al desempeño de la tarea Dun et al.^85 desarrollaron un marco terapéutico basado en la teoría ecológica. Para mejorar la función es importante realizar la práctica de la tarea en sí misma, entrenando de esta manera, diversas actividades de la vida diaria^86 ,^87. Se han publicado multitud de estudios con resultados prometedores de mejora de la función del miembro superior, mediante la terapia por restricción del movimiento del lado sano (TRMLS). Sin embargo, una revisión sistemática reciente^88 en niños con hemiplejía solicita precaución ante su uso generalizado, aconsejando la realización de un mayor número de estudios con buen diseño metodológico. Asimismo, la revisión sistemática realizada por Langhorne, Coupar y Pollock parece indicar que la TRMLS produce beneficios clínicos en la función del brazo, no siendo tan claros para la mano en los pacientes con ictus^89. El entrenamiento bilateral o bimanual en pacientes con hemiplejía se ha comprobado que mejora la coordinación entre ambas manos y también de forma aislada, en el lado afectado^90 ,^91. El tratamiento bimanual entra en contradicción de manera frontal con la
TRMLS. Pero es posible que ambos tratamientos tengan cabida: el tratamiento bilateral en etapas precoces tras el ictus, para generar nuevas redes de reorganización del córtex y la TRMLS en fases más crónicas, para la recuperación de redes en desuso. Aplicación de la estimulación eléctrica neuromuscular Estas aplicaciones funcionales se refieren a la activación de músculos paralizados en una secuencia y magnitud precisa para llevar a cabo directamente las tareas funcionales. De ahí el concepto de neuroprótesis, cuya aplicación permite sustituir la función motora del miembro superior e inferior para las tareas de autocuidado y la movilidad, la función de la vejiga y el control respiratorio^92. Bio-retroalimentación y realidad virtual La terapia de biorretroalimentación orientada a tareas es ampliamente eficaz. La tecnología, llamada realidad virtual (VR), ofrece experiencias de la vida real, mejorando los resultados de los métodos clásicos de bio - retroalimentación_._ Sin embargo, los verdaderos beneficios terapéuticos de estos sistemas aún no se han probado por ensayos clínicos bien diseñados^93. Interfaz cerebro-ordenador Estos aparatos se conocen como brain computer interfaces (BMI). Existen estudios que intentan mejorar el conocimiento de la fisiología cortical que sostiene la intención humana y proporcionar señales para un control más complejo derivado de la señal cerebral. En una reciente revisión^94 los autores recogen el estado actual de BCI y detallan los estudios emergentes dirigidos a aumentar las aplicaciones clínicas futuras. Aplicación de robótica en la neurorrehabilitación Una revisión sistemática publicada recientemente^95 no encontró ningún efecto global significativo a favor de la terapia asistida por robot en la función del miembro superior y en las AVD en pacientes tras ictus, mas sí se observó una mejoría significativa en la parte proximal de la extremidad. En cuanto al empleo de sistemas robóticos para la mejora de la marcha de pacientes neurológicos, uno de los sistemas más conocidos es el Lokomat, dispositivo ortésico que simula y reproduce la marcha fisiológica del individuo, el cual ha sido objeto de diversas publicaciones científicas que parecen avalar sus resultados^96 ,^97. Conclusiones En la actualidad no existe un consenso sobre qué teoría o modelo es definitorio en dar explicación al gobierno del CM. Las teorías sobre el aprendizaje motor deben ser la base para la rehabilitación motora. Estudios con buen diseño metodológico han evidenciado que el trasladar los hitos terapéuticos alcanzados en el paciente neurológico, a contextos relacionados con el sujeto, añadiendo variabilidad, participación activa, dando al paciente la posibilidad de cometer errores, otorgando retroalimentación e incentivando la motivación, como aspectos fundamentales en la disminución de los déficits funcionales en el paciente
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