Neuromodulation of executive vigilance via transcranial direct current stimulation

Resumen

Numerosas tareas cotidianas y entornos de trabajo dependen de nuestra capacidad para mantener nuestra atención durante períodos prolongados. Sin embargo, como cualquiera ha podido experimentar, esta capacidad supone un considerable esfuerzo y no puede mantenerse indefinidamente. Inevitablemente, con el paso del tiempo, nos volvemos menos ágiles y aumenta nuestra propensión a cometer errores, ya que nuestra mente flaquea ante exigencias que no puede sostener, o bien se desengancha lentamente de la tarea que tenemos entre manos, desviándose hacia otra parte. Este fenómeno se conoce como decremento en vigilancia. Esta tesis comienza desentrañando una definición de trabajo del concepto de vigilancia, ya que su uso en diferentes disciplinas y su descripción difusa dentro de la psicología cognitiva hacen que sea difícil de delimitar. Al distinguir la vigilancia de otros procesos como la activación, la alerta y la atención sostenida, llegamos a la siguiente definición de trabajo: "la capacidad de monitorizar el entorno y detectar estímulos poco frecuentes pero críticos". Refinando aún más esta definición, la presente tesis contempla una reciente conceptualización de la vigilancia como un proceso formado por dos componentes: (i) la vigilancia ejecutiva (VE), definida como la capacidad de monitorizar el entorno para detectar señales específicas poco frecuentes pero críticas, que requieren el ejercicio de control para decidir si hay que emitir una respuesta o no (Luna et al., 2018); (ii) la vigilancia del arousal (AV), definida como el mantenimiento general de un estado básico de activación para emitir respuestas rápidas y relativamente automáticas ante aquellos estímulos infrecuentes pero críticos que requieren un mínimo control descendente (Luna et al., 2018). Otro aspecto de relevancia para la presente tesis es la sensibilidad específica del decremento de la VE a las demandas cognitivas requeridas por la tarea (Luna et al., 2022). El inevitable decremento en vigilancia con el paso del tiempo acarrea consecuencias que abarcan desde lo trivial, como pasarse la salida correcta de la autopista mientras se está al volante, hasta lo catastrófico, como un accidente fatal (Wundersitz, 2019). Además de estas consecuencias cotidianas o laborales, las lesiones o alteraciones en el desarrollo del cerebro pueden reducir la capacidad para ejercer la vigilancia. Esto motiva el objetivo principal de la presente tesis: estudiar el potencial de la estimulación transcraneal por corriente directa (tDCS) para mitigar esta disminución de la vigilancia. Mediante la aplicación de una corriente eléctrica constante a través del cuero cabelludo, la tDCS puede influir en la excitabilidad de las poblaciones neuronales subyacentes. Esta modulación de la actividad neuronal, a su vez, puede modular las funciones cognitivas, incluyendo la atención y la vigilancia (Coffman et al., 2014). La presente tesis incluye una revisión de la literatura existente sobre la aplicación de la tDCS a los déficits de atención en poblaciones clínicas como trastorno por déficit de atención con hiperactividad o daño cerebral adquirido, y a la vigilancia en poblaciones sanas. Dicha revisión muestra que la gran heterogeneidad de los parámetros de tDCS y las medidas de impacto aún no proporcionan una imagen clara de la eficacia de la tDCS para mitigar el decremento en vigilancia. La presente tesis tiene como objetivo explorar más a fondo el potencial de la aplicación de tDCS anodal de alta definición (HD-tDCS) sobre la corteza parietal posterior derecha (rPPC) para mitigar la disminución de EV (Luna et al., 2020), explorando el impacto de las diferentes demandas cognitivas, así como los datos de neuroimagen subyacentes como predictores de resultados. En un primer estudio, las/los participantes (N = 60) completaron la tarea ANTI-Vea mientras recibían HD-tDCS anodal o sham sobre el rPPC. Se realizaron registros electrofisiológicos (EEG) antes y después de la estimulación. La HD-tDCS anodal mitigó específicamente la vigilancia ejecutiva (EV) y redujo el incremento de la potencia en oscilaciones de la banda alpha con el tiempo en la tarea, mientras que aumentó aún más el incremento de la potencia en gamma. A través de un nuevo índice propuesto de Alphaparietal/Gammafrontal se observa una mayor disociación. El incremento de este Índice Alphaparietal/Gammafrontal Index con el tiempo en la tarea se asoció con un decremento en EV más pronunciado en el grupo simulado, que fue abolida por la HD-tDCS anodal. En un segundo estudio, las/los participantes (N = 120) completaron una tarea ANTI-Vea modificada (tarea simple o doble) mientras recibían HDtDCS anodal o sham sobre el rPPC. Se realizaron análisis conjuntos de estos datos y de los datos de estudios anteriores que realizaban una tarea triple (N = 240 combinados, Estudio I y Luna et al. 2020). Observamos que frente al decremento en EV observado en la condición de tarea triple (ANTI-Vea estándar) con HD-tDCS anodal, tanto la condición de carga única como la de carga doble mostraron decrementos significativos de la EV que no se vieron afectadas por la aplicación de HD-tDCS. En un tercer estudio, los datos de EEG recogidos en los Estudios I y II (N = 180) se analizaron en mayor profundidad, parametrizando los espectros de potencia de EEG para separar los componentes periódicos (oscilatorios) de los aperiódicos (no oscilatorios, en concreto el exponente aperiódico y el offset). La HD-tDCS condujo a una disminución del exponente aperiódico extraído del rango de frecuencia de 30-45 Hz, lo que sugiere un aumento del equilibrio excitación/inhibición (E/I) neural con la estimulación activa. Este aumento de E/I se asoció con un decremento en EV mitigado en la tarea de alta demanda (triple) y una decremento en EV exacerbado en la tarea de baja demanda (simple). Aunque estos resultados requieren más investigación, ya que sólo se observaron considerando una hipótesis direccional y otras interacciones potencialmente pudieron enmascaran el efecto, ilustran una posible explicación mecanicista del efecto dependiente de la carga cognitiva. Un último capítulo empírico recoge un informe la exploración inicial de la influencia potencial de la conectividad microestructural de la sustancia blanca cerebral sobre el efecto del protocolo de HD-tDCS sobre el decremento en EV. Analizamos los datos de imágenes ponderadas por difusión (DWI) recogidas de la muestra (N = 172) de los Estudios I y II (tareas triples, duales, y simples combinadas con HD-tDCS anodal o sham sobre el rPPC). Los resultados preliminares sugieren que la tercera rama del fascículo longitudinal superior (SLF) derecho, la segunda rama del SLF izquierdo, el cíngulo y el esplenio del cuerpo calloso son estructuras potencialmente relevantes para futuros análisis causales, como los análisis de moderación. Esta tesis contribuye a la comprensión del decremento en vigilancia y el potencial de la tDCS para mitigarla, destacando la importancia de considerar la carga cognitiva y las diferencias individuales en las respuestas neurofisiológicas para una comprensión más matizada de sus efectos. En concreto, los resultados de esta tesis destacan: (i) la necesidad de estudios de replicación y la integración de medidas neurofisiológicas como medio para potencialmente porder predecir los resultados de la estimulación, (ii) la necesidad de considerar la tarea utilizada como medida de impacto debido a los diferentes estados cerebrales que inducirá, (iii) la importancia de considerar el estado cerebral subyacente en interacción con los efectos de la tDCS para comprender mejor sus mecanismos de acción, y aunque todavía no se pueden hacer predicciones definitivas, (iv) ofrece un primer vistazo prometedor al potencial de predecir los resultados de la tDCS a partir de datos de neuroimagen estructural registrados antes de la intervención. Con investigaciones futuras, los resultados de esta tesis pueden ayudar a explorar más a fondo esta interesante intersección de neuromodulación, vigilancia y neurofisiología, que puede ayudar a diseñar intervenciones futuras más precisas para mitigar el inevitable decremento en vigilancia con el tiempo.