Oscilaciones cerebrales y atención durante y después del ejercicio físico

Résumé

El ejercicio físico de alta intensidad es una de las actividades más demandante para el organismo a nivel físico y cognitivo. El cerebro juega un papel clave durante el ejercicio, regulando el comportamiento mediante el procesamiento integrado de la información aferente de los diferentes órganos y sistemas fisiológicos, de forma simultánea al envío señales eferentes a esos mismos sistemas para adaptarse a las demandas del entorno y lograr los objetivos propuestos, preservando en todo momento la integridad del organismo (Kayser, 2003). Sin embargo, mientras que la dinámica regulatoria de la mayoría de órganos y sistemas fisiológicos en condiciones de esfuerzo físico están bien descritas en la literatura (e.g., McArdle et al., 2010), poco se sabe acerca de los cambios que se producen en el sistema nervioso central, y en el cerebro en particular (Walsh, 2014; Johansen-Berg & Duzel, 2016). El objetivo principal de la presente tesis doctoral es comprender la dinámica de la actividad cerebral oscilatoria en condiciones de esfuerzo físico, y comprobar si esa dinámica podría estar asociada a mejoras en los procesos atencionales. En términos generales, los escasos estudios que han explorado la actividad cerebral oscilatoria durante la realización de ejercicio físico aeróbico han reportado incrementos significativos en la amplitud de diferentes ritmos cerebrales —principalmente del ritmo alpha—, que perduran durante varios minutos tras el cese del ejercicio (Crabbe & Dishman, 2004). Sin embargo, todavía no se ha establecido un patrón global de comportamiento de la actividad cerebral oscilatoria en condiciones de esfuerzo físico, y los posibles cambios transitorios asociados al procesamiento atencional de estímulos relevantes. En este punto, los procesos atencionales cobran especial relevancia ya que durante la realización de ejercicio físico de alta intensidad es de vital importancia monitorizar no solo la información proveniente de fuentes internas (e.g., órganos y sistemas fisiológicos), sino también la información procedentes estímulos externos potencialmente relevantes para la ejecución del ejercicio (e.g., evitar obstáculos en el camino). De hecho, diversos metanálisis han concluido que, bajo condiciones específicas, una sesión puntual de ejercicio físico aeróbico puede estar asociada a mejoras en el procesamiento atencional, que se ven reflejadas en respuestas comportamentales más rápidas y precisas, así como en ciertos correlatos neurales (cf., Basso & Suzuki, 2017). Sin embargo, se sabe muy poco sobre la dinámica regulatoria de la actividad cerebral oscilatoria durante la realización de ejercicio físico, y su asociación con el procesamiento atencional de estímulos relevantes. La presente tesis doctoral se basa en la convicción de que investigar en profundidad los patrones de actividad cerebral oscilatoria y el procesamiento cognitivo de la información durante la realización de ejercicio físico es un punto de partida clave para comprender la relación ejercicio-cerebro-cognición. Un mayor entendimiento de esta relación podría tener importantes implicaciones en la promoción de la salud (i.e., prevención y diagnóstico de enfermedades físicas y psicológicas), así como en contextos académicos, laborales y deportivos para la mejora del rendimiento. Para ello, se llevaron a cabo tres estudios experimentales desde un enfoque basado en neurociencia cognitiva, donde se combinó el registro psicofisiológico de la actividad cerebral mediante electroencefalografía (EEG) con medidas comportamentales. En el Estudio 1 se investigó la dinámica de la actividad cerebral oscilatoria durante una sesión puntual de ejercicio físico aeróbico de intensidad moderada-alta en comparación con una sesión control de baja intensidad (i.e., diseño intrasujeto). Además, se exploraron los cambios transitorios en la actividad cerebral oscilatoria asociados al procesamiento atencional de estímulos relevantes en una tarea oddball. Los participantes —adultos jóvenes en buena forma física— completaron dos sesiones de ejercicio físico aeróbico a intensidades correspondientes al 80% y al 30% del VO2max. Durante ambas sesiones, se registró la actividad cerebral oscilatoria mediante EEG. Además, se incluyó una tarea oddball que los participantes debían realizar de forma simultánea al ejercicio físico para así analizar los cambios espectrales evocados por los estímulos de la tarea durante el ejercicio. Los resultados, en línea con la literatura previa (Crabbe & Dishman, 2004), mostraron una mayor amplitud en la mayor parte del espectro de frecuencias del EEG durante la sesión de ejercicio físico de intensidad moderada-alta respecto a la sesión control de baja intensidad. Curiosamente, esta mayor amplitud espectral durante el ejercicio de intensidad moderada-alta estuvo acompañada por una menor reactividad de los ritmos theta, alpha y beta ante los estímulos de la tarea oddball, que podría revelar una facilitación en el procesamiento atencional de estímulos externos relevantes, en comparación con la sesión de baja intensidad. Sin embargo, estos resultados no permitieron establecer asociaciones directas entre la práctica de ejercicio físico de alta intensidad y el aumento de la actividad cerebral oscilatoria debido a la ausencia de una condición basal de reposo (i.e., sin ejercicio) sobre la que comparar los cambios de amplitud espectral. Además, la realización del ejercicio físico de forma simultánea a la tarea cognitiva impidió atribuir la mayor actividad cerebral oscilatoria a la realización de ejercicio físico, dada la más que probable interacción del ejercicio con la tarea cognitiva. El Estudio 2 se diseñó con el objetivo de clarificar si efectivamente el ejercicio físico de intensidad moderada-alta podría estar asociado a un aumento general de la actividad espectral del EEG, y si esos cambios en l dinámica cerebral podrían vincularse a mejoras cognitivas después del ejercicio. Para ello, se mantuvo el diseño intrasujeto del Estudio 1, con dos sesiones de ejercicio físico a intensidad moderada-alta y baja intensidad, añadiendo un periodo de reposo previo a la realización del ejercicio físico. Además, para explorar si tras la realización de una sesión puntual de ejercicio físico de intensidad moderada-alta se produce una facilitación de los procesos atencionales, y si esta facilitación se mantiene en el tiempo, los participantes completaron dos tareas de flancos después del ejercicio físico. Los resultados revelaron la existencia de un aumento general de la actividad cerebral oscilatoria durante la realización de ejercicio físico aeróbico, que desaparecía en los primeros minutos tras el cese del ejercicio. Además, se replicaron los resultados del primer estudio, donde se observó una mayor actividad cerebral oscilatoria durante la realización de ejercicio físico aeróbico de intensidad moderada-alta respecto al ejercicio de baja intensidad. Sin embargo, este incremento de la actividad cerebral oscilatoria no tuvo un efecto facilitador sobre los procesos atencionales tras el cese del ejercicio. En general, los resultados de los Estudios 1 y 2 mostraron una visión global del funcionamiento cerebral oscilatorio en condiciones de esfuerzo físico. Desafortunadamente, la aproximación analítica utilizada no permitió profundizar en la complejidad de las dinámicas de los diferentes ritmos cerebrales y su posible comportamiento colectivo como red compleja. El tercer estudio de la tesis se centró en detectar y cuantificar si los diferentes ritmos cerebrales interactúan entre sí, y si su comportamiento como red global daría lugar a patrones específicos de interacción que permitieran diferenciar el ejercicio físico de un estado de reposo, así como en función de su intensidad. Para abordar estos objetivos, se desarrolló una novedosa aproximación basada en el análisis temporal de las correlaciones entre los patrones de amplitud de los diferentes ritmos cerebrales y se aplicó sobre la base de datos obtenida en el Estudio 2, manteniendo el diseño experimental y la estructura de análisis centrado en la comparación entre sesiones de ejercicio físico a diferentes intensidades. Los resultados revelaron la existencia de una red compleja de interacciones entre los distintos ritmos cerebrales, caracterizada por la presencia de un alto grado de correlaciones positivas entre la mayoría de ritmos, pero también por la presencia de importantes correlaciones negativas. En particular, mientras que las correlaciones positivas fueron más fuertes durante el ejercicio de intensidad moderada-alta en comparación con el estado de reposo, las correlaciones negativas fueron más débiles o incluso desaparecieron. A su vez, el patrón de interacciones entre ritmos cerebrales durante el ejercicio de baja intensidad no se diferenció estadísticamente del estado de reposo. Contrariamente a lo que esperábamos, tampoco se encontraron diferencias significativas entre intensidades. En conclusión, la presente tesis doctoral proporciona evidencia sólida sobre la dinámica de la actividad cerebral oscilatoria en condiciones de esfuerzo físico, y aborda por primera vez la actividad espectral del EEG asociada al procesamiento atencional de estímulos durante el ejercicio. Los resultados sugieren que el funcionamiento cerebral en condiciones de esfuerzo físico no puede ser entendido como un simple aumento general de la actividad cerebral oscilatoria, sino más bien como un patrón complejo de interacciones transitorias entre ritmos cerebrales, que podrían ajustar y coordinar colectivamente su comportamiento en respuesta a los cambios en la regulación fisiológica durante el esfuerzo físico. Estos hallazgos suponen un paso importante para una mayor comprensión de los mecanismos fisiológicos a través de los cuales la actividad física beneficia la salud física y mental. Esto podría tener importantes aplicaciones no solo en la práctica deportiva, sino también en el diseño de intervenciones basadas en el ejercicio físico como herramienta para mejorar el desarrollo cognitivo en niños, el rendimiento en adultos, y retrasar y/o prevenir el deterioro cognitivo en personas mayores.