La noción de Patrones Generadores Centrales (o Central Pattern Generators, CPG) ha sido uno de los ejes conceptuales que han enriquecido la discusión sobre las hipótesis de control motor. A diferencia de las teorías puramente reflejas, los CPGs proponen la existencia de redes neuronales capaces de generar y mantener movimientos rítmicos incluso en ausencia de aferencias sensoriales o de control descendente. Esta idea, refutada o modulada por varias corrientes, cobra un interés particular en neurociencia clínica, especialmente en el ámbito de las lesiones medulares.
De los reflejos a la generación del movimiento
Modelos reflexógenos: Tradicionalmente, se planteaba que el movimiento era esencialmente la respuesta a estímulos externos, enfatizando la importancia de los arcos reflejos.
Avance a la generación: El gran salto surge al reconocer que el sistema nervioso no solo responde a estímulos, sino que también orquesta patrones de forma intrínseca. Autores como Grillner mostraron que, en animales, la locomoción podía persistir tras la sección de raíces dorsales o vías encefálicas.
Evidencias en animales
Experimentos en cuadrúpedos (Grillner, 1981; Rossignol, 2006) demostraron la presencia de redes espinales capaces de generar patrones locomotores (marcha, trote, galope...) con escasa o nula aferencia sensorial, siempre que hubiese una estimulación adecuada de la médula espinal. Este hallazgo cimentó la idea de que la médula posee redes que oscilan de forma rítmica (CPGs) que estructuran la alternancia flexión-extensión básica de forma automatica.
Controversia y dificultades de extrapolación a humanos
La gran controversia surge al intentar trasladar estos hallazgos al ser humano, cuya locomoción bípeda y control cortical son notablemente más complejos.
Experimentos y evidencia indirecta:
A diferencia de los estudios en animales, no se puede aislar la médula espinal en humanos de forma ética o completa.
La mayor parte de la evidencia proviene de observaciones en pacientes con lesiones medulares (completas o incompletas), donde se han descrito movimientos rítmicos involuntarios (marcha refleja) y respuestas locomotoras en cintas rodantes con estimulación eléctrica apropiada (Harkema et al., 2011).
En algunos casos, la estimulación epidural o la estimulación transcutánea sobre segmentos lumbares consigue inducir actividad electromiográfica recíproca, sugiriendo un sustrato central para la generación rítmica (Dimitrijevic, 1998).
¿CPGs autónomos o redes moduladas?
Estudios más recientes (Minassian, 2007; Courtine, 2012) resaltan que, en humanos, los CPGs necesitan casi siempre algún tipo de input (sensorial, eléctrico o farmacológico) para dispararse y para mantener su actividad.
A diferencia de los gatos, el control cortical y la aferencia sensorial en humanos son más determinantes para un patrón de marcha funcional. Por ello, no se observaría una locomoción plena en caso de desconexión total, como sí ocurre en algunos experimentos con animales.
Nuevas perspectivas: modularidad y redes de interneuronas
Avances en genética y la electrofisiología han permitido identificar poblaciones específicas de interneuronas espinales (por ejemplo, las llamadas V0, V1, V2 o V3), cada una con funciones concretas en la alternancia izquierda-derecha, la regulación de la velocidad y la sincronización (Gosgnach, 2011). Estas observaciones enfatizan la modularidad de la locomoción: varios módulos de interneuronas pueden coordinar distintas fases del ciclo locomotor, reduciendo la gestión de grados de libertad.
Bajo condiciones óptimas, estas interneuronas se configuran como un oscilador (CPG) que produce ciclos de activación muscular en flexión-extensión.
Necesidad de información sensorial: en seres humanos, la progresión bípeda y el control postural hacen que la retroalimentación propioceptiva, cutánea y vestibular sean decisivas para adaptar el paso a las demandas del entorno.
Debate sobre la autonomía: puntos críticos
Falta de evidencia directa de CPGs independientes:
Los movimientos rítmicos en humanos, hasta ahora, no se observan sin estimulación externa (FES, estimulación epidural...) o activación mínima de control córtico-espinal.
Estudios recientes indican que la plasticidad del sistema nervioso, más que un CPG autónomo, podría explicar la recuperación parcial de la marcha tras lesiones (Capaday, 2002).
Control cortical y postural: La marcha humana bípeda implica un alto componente de control postural, equilibrio y ajustes reactivos. Buena parte de estas funciones se concentran en niveles supramedulares, donde estructuras como el cerebelo y la corteza premotora orquestan la adecuación del movimiento.
Riesgo de confusión con reflejos espinales:
Algunas respuestas rítmicas en pacientes con lesión medular incompleta podrían deberse a reflejos polisinápticos más que a una verdadera red intrínseca generadora.
En este sentido, la dicotomía ¿existen o no los CPGs? se matiza si entendemos el CPG como una base rítmica que siempre está modulada por la aferencia sensorial y el control encefálico, es decir, una red que reduce complejidad en la gestión de grados de libertad en la sincronización muscular.
Implicaciones terapéuticas
La relevancia de los CPGs (o, más ampliamente, de las redes espinales rítmicas) está íntimamente ligada al tratamiento de la marcha. La idea está clara: si pudiéramos reclutar o modular estos circuitos, sería posible facilitar la recuperación de pacientes con lesiones neurológicas:
Estimulación epidural y transcutánea:
Harkema y colaboradores (2011) demostraron que la estimulación epidural lumbar en combinación con un entrenamiento intensivo posibilitó la aparición de pasos rítmicos en pacientes con lesión medular.
Courtine y otros grupos han desarrollado métodos de estimulación espacio-temporal, dirigidos a áreas concretas de la médula para generar fases de apoyo y balanceo con mayor precisión. Algunos pacientes han logrado dar pasos incluso tras retirar parcialmente la estimulación, fruto de la plasticidad y la readaptación neuromuscular.
Terapias robóticas y soporte parcial de peso:
Los exoesqueletos facilitan el movimiento rítmico (en muchas ocasiones pasivo) de los segmentos inferiores, ofreciendo un entorno seguro y repetitivo.
La hipótesis es que, a través de ciclos repetidos y feedback sensorial, se favorecería la reactivación o reorganización de vías espinales y supramedulares, potenciando los rastros de CPG.
Fármacos:
Algunos ensayos clínicos exploran la combinación de Levodopa o Buspirona para potenciar la excitabilidad de interneuronas espinales, buscando desencadenar patrones rítmicos más robustos (Guertin, 2013). Los resultados todavía son preliminares y se requiere más evidencia para consolidar un protocolo clínico eficaz.
Abordajes como la terapia Bobath o Vojta:
Tradicionalmente han enfatizado la importancia de la facilitación e inhibición de patrones motores reflejos, dada su raíz reflexógena y jerárquica.
Aunque estas corrientes se inspiren en la idea de la existencia de patrones innatos o reflejos primarios a nivel espinal, la evidencia actual cuestiona la autonomía de estos procesos en adultos. Lo más probable es que la estimulación externa y la modulación cortical estén siempre presentes de forma determinante. De hecho, en más de 50 años de existencia no han conseguido demostrar científicamente que aporten ningún beneficio directamente relacionado con la estimulación de CPGs.
Síntesis final y perspectivas futuras
Evidencia en modelos animales: Es indudable sobre la presencia de redes que pueden generar locomoción, de forma autónoma (CPGs).
Evidencia en humanos: Existen claros indicios de circuitos espinales rítmicos; sin embargo, no actúan de forma totalmente independiente. Requieren inputs sensoriales, corticales o de estimulación externa para desencadenar y sostener un patrón que, en la mayoría de los casos, es más biomecánico que funcional.
Integración multi-nivel: El control motor en humanos es un fenómeno sistémico, que involucra la participación de la médula espinal (redes generadoras), el cerebelo (automatismos y correcciones sensoriomotoras), la corteza (voluntad, modulación precisa) y la retroalimentación sensorial (adaptación inmediata al entorno).
Implicación clínica: La posibilidad de despertar o aprovechar estos generadores en lesiones medulares y otras patologías neurológicas se prometía un camino prometedor. Sin embargo, en varias décadas de investigacion no se ha podido establecer ningun protocolo clínico que aproveche estos descubrimientos en humanos. Las líneas de investigación van desde la estimulación epidural, pasando por la robótica de locomoción y el desarrollo de fármacos específicos, hasta técnicas de tratamiento basadas en la plasticidad y el reentrenamiento de patrones.
En definitiva, los CPGs no son un mito completamente, pero tampoco funcionan en humanos como en gatos o lampreas. La marcha bípeda humana depende de una colaboración compleja entre redes espinales y control supramedular, en una interacción precisa de sinergias emergentes a partir de patrones innatos y, sobre todo, practicados. Para el tratamiento, hoy en día, solo podemos quedarnos con algunas ideas para aplicar: la práctica masiva de patrones funcionales en el entorno y el feedback sensorial en automático como atractor de la locomoción (aspectos que ya se contemplan en enfoques ecológicos y sistémicos). No hay evidencia científica de que el uso de métodos, conceptos, equipamiento o técnicas que invocan el uso de CPGs como la base en la que se sustenta su eficacia tengan ningún efecto directo sobre la funcionalidad de la marcha.
Referencias
Capaday C. (2002). The special nature of human walking and its neural control. Trends in neurosciences, 25(7), 370–376. https://doi.org/10.1016/s0166-2236(02)02173-2
Courtine, G., Gerasimenko, Y., van den Brand, R., Yew, A., Musienko, P., Zhong, H., Song, B., Ao, Y., Ichiyama, R. M., Lavrov, I., Roy, R. R., Sofroniew, M. V., & Edgerton, V. R. (2009). Transformation of nonfunctional spinal circuits into functional states after the loss of brain input. Nature neuroscience, 12(10), 1333–1342. https://doi.org/10.1038/nn.2401
Dimitrijevic, M. R., Gerasimenko, Y., Pinter, M. M. (1998). Evidence for a spinal central pattern generator in humans. Annals of the New York Academy of Sciences, 860, 360–376. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1998.tb09062.x
Gosgnach S. (2011). The role of genetically-defined interneurons in generating the mammalian locomotor rhythm. Integrative and comparative biology, 51(6), 903–912. https://doi.org/10.1093/icb/icr022
Grillner, S. (1981). Control of Locomotion in Bipeds, Tetrapods, and Fish. Comprehensive Physiology, 1179-1236.
Guertin P. A. (2013). Central pattern generator for locomotion: anatomical, physiological, and pathophysiological considerations. Frontiers in neurology, 3, 183. https://doi.org/10.3389/fneur.2012.00183
Harkema, S., Gerasimenko, Y., Hodes, J., Burdick, J., Angeli, C., Chen, Y., Ferreira, C., Willhite, A., Rejc, E., Grossman, R. G., & Edgerton, V. R. (2011). Effect of epidural stimulation of the lumbosacral spinal cord on voluntary movement, standing, and assisted stepping after motor complete paraplegia: a case study. Lancet (London, England), 377(9781), 1938–1947. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(11)60547-3
Mehrholz, J., Thomas, S., & Elsner, B. (2017). Treadmill training and body weight support for walking after stroke. The Cochrane database of systematic reviews, 8(8), CD002840. https://doi.org/10.1002/14651858.CD002840.pub4
Minassian, K., Persy, I., Rattay, F., Dimitrijevic, M. R., Hofer, C., & Kern, H. (2007). Posterior root-muscle reflexes elicited by transcutaneous stimulation of the human lumbosacral cord. Muscle & nerve, 35(3), 327–336. https://doi.org/10.1002/mus.20700
Rossignol S. (2006). Plasticity of connections underlying locomotor recovery after central and/or peripheral lesions in the adult mammals. Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences, 361(1473), 1647–1671. https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1889
Wolpert, D. M., Miall, R. C., & Kawato, M. (1998). Internal models in the cerebellum. Trends in cognitive sciences, 2(9), 338–347. https://doi.org/10.1016/s1364-6613(98)01221-2
Entradas relacionadas:
¿Te ha resultado interesante esta entrada?
¿Hay algún error que tengamos que corregir?
¿Te apetece comentar tu propia experiencia personal o profesional?
Puedes dejar un mensaje en los comentarios y estaremos encantadas de leerte, no olvides compartir en redes con @fundaisse, #NEUROconCIENCIA y #VadeNeuro ¡Muchas gracias!
Comentários