RESUMEN: Los reflejos espinales tienen un papel esencial en toda acción voluntaria, son modulados en centros encefálicos superiores para producir conductas de mayor complejidad; aunque también son útiles para el diagnóstico clínico, por que indican el grado de integridad tanto de las conexiones motoras y aferentes, como de la excitabilidad general de la médula espinal. La comprensión de la funcionalidad de las vías reflejas nos ayuda a conocer mecanismos que median movimientos complejos y la valoración de procesos plásticos que suceden como consecuencia de una intervención terapéutica o de entrenamiento.
El reflejo de Hoffmann (reflejo H), es el equivalente eléctrico del reflejo miotático. Consiste en estimular eléctricamente las fibras aferentes Ia de un nervio periférico y registrar la respuesta en el músculo homónimo; aplicable principalmente a los músculos que tienen inervación superficial (brazo, mano, pie y mandíbula).
Hay evidencias que denotan gran fluctuación de la amplitud del reflejo H aún si la intensidad de estimulación se mantiene constante. Sin embargo dichos estudios no exploran las propiedades dinámicas, ignorando el perfil tiempo-dependiente de esta variabilidad la cual no puede ser evaluada por análisis estadísticos clásicos como promedio, varianza y coeficiente de variación. A propósito se han hecho estudios en los que se demuestra que la fluctuación en la amplitud del reflejo H del sóleo tiene correlación con el tiempo a largo plazo de naturaleza fractal y también presenta auto-correlación en el tiempo, estudiada mediante la auto-covarianza. Sin embargo no se conoce si las extremidades superiores también exhiben este tipo de comportamiento en la amplitud de los reflejos H.
El objetivo del presente trabajo fue analizar con el programa Chaos Data Analyzer (CDA) la dimensión de capacidad de la fluctuación en la amplitud del reflejo H registrado en el músculo flexor carpi radialis de jóvenes y adultos neurológicamente sanos, y determinar mediante el análisis de auto-covarianza si existe una periodicidad semejante en la fluctuación de la amplitud de dicho reflejo registrado en ambos miembros superiores.
Los experimentos fueron realizados en sujetos humanos sanos quienes previamente firmaron el consentimiento informado. Provocamos 1000 reflejos H en el músculo flexor carpi radialis de ambos brazos en 9 sujetos masculinos, entre 21 y 49 años de edad, que participaron voluntariamente. Se realizaron varias pruebas en cada brazo de acuerdo a la disponibilidad de cada sujeto, obteniéndose un total de 27 registros (17 derechos, 10 izquierdos), tomados en diferentes días. Para provocar los reflejos estimulamos eléctricamente el nervio mediano, con pulsos rectangulares de corriente constante, de 1 ms de duración y frecuencia de 0.166 Hz. La intensidad de la corriente aplicada se acotó a 2-13 mA. Los estímulos se generaron con un estimulador Digitimer DS5 comandado por un estimulador Master 8 el cual generaba además el pulso de sincronía para la adquisición de los datos al sistema. Para aplicar los pulsos utilizamos electrodos bipolares convexos Biopac System con una distancia inter-electrodos de 2.5 cms, con el cátodo proximal. Las señales biológicas se adquirieron con una interfase DIGIDATA 1440A configurada a una velocidad de muestreo de 50 KHz. Las amplitudes de los reflejos se midieron con el programa AxoScope 10.2 y se procesaron con los programas Clampfit 9.0, CDA, y un programa escrito en Matlab (MathWorks). Se construyeron curvas de reclutamiento para calcular la intensidad de estimulación a 0.9 del umbral de la onda M. Se empleó la función de auto-covarianza para determinar la periodicidad en las fluctuaciones de dichos reflejos y la dimensión de capacidad para el análisis fractal.
Encontramos que el valor de la dimensión fractal de capacidad promedio para el lado derecho fue de 1.5837±0.1647 (n=17) (promedio±DS) y para el lado izquierdo fue de 1.5622±0.1154 (n=10). Por otro lado en el análisis de auto-covarianza encontramos que el periodo temporal promedio para el lado izquierdo fue de 22±9 seg (n=10) y para el lado derecho de 21±6 seg. (n=17) respectivamente, muy similar (t-student, p>0.05) a lo que encontraron Mezzarane y Kohn (2002) en el análisis que realizaron del reflejo registrado en músculo sóleo.
Observamos que existe una correlación significativa en los periodos de tiempo y las dimensiones fractales de la variación para el lado izquierdo con respecto al lado derecho, permitiéndonos concluir que la fluctuación de la amplitud del reflejo de Hoffmann registrado en el músculo flexor carpi radialis de humanos neurológicamente sanos es periódica y tiene una correlación con el tiempo a largo plazo de naturaleza fractal. El hecho de que muchos sistemas biológicos sean no lineales y se comporten caóticamente ha permitido la posibilidad de adaptación. Algunos investigadores han sugerido que para que estos sistemas sobrevivan bajo nuevas circunstancias tendrán que desarrollar estructuras fractales. Por ejemplo, las fibras conductoras del corazón o las redes que forman los bronquios tienen estructura fractal que permite una gran variedad de ritmos.
El análisis de la fluctuación de la amplitud del reflejo H en humanos en extremidades superiores utilizando métodos derivados de dinámicas no lineales y análisis fractal, puede proporcionar información relevante sobre los factores intrínsecos o extrínsecos al sistema de aferentes Ia/alfaMN y las dinámicas en la conectividad intraespinal. Esto nos permitiría obtener información potencial sobre los diferentes estados normales o anormales asociados con el circuito espinal a nivel cervical y podría ser útil para esclarecer las influencias de las actividades cerebrales sobre la correlación fractal en el reflejo H humano.
ABSTRACT: Spinal reflexes have an essential role in every voluntary action, they are modulated in higher brain centers to produce more complex behaviors, but are also useful for clinical diagnosis, that indicate the degree of integrity of both motor and afferent connections, as general excitability of the spinal cord. Understanding the functionality of the reflex pathways helps us to understand mechanisms mediating complex movements and assessment of plastic processes that occur as a result of therapeutic intervention or training. Hoffmann reflex (H reflex) is the electrical equivalent of the stretch reflex. It consists of electrical stimulation of Ia afferent fibers of a peripheral nerve and recording the response in the homonymous muscle, applies principally to the muscles that are innervated superficially (arm, hand, foot and jaw). There is evidence that show a large fluctuation in H reflex amplitude even if the intensity of stimulation remains constant. However, studies do not explore the dynamic properties, ignoring the time-dependent profile of this variability which can not be evaluated by classical statistical analysis on average, variance and coefficient of variation. By the way there have been studies which show that the fluctuation in the amplitude of the soleus H reflex have correlation with long-term time of fractal nature and also features auto-correlation in time, studied using the auto-covariance. However it is unknown whether the upper limbs also exhibit this behavior in the amplitude of H reflexes. The aim of this study was to analyze with CDA program the capacity dimension of the fluctuation in the amplitude of H reflex recorded in the flexor carpi radialis muscle of young and adult neurologically intact humans, and determine by the auto-covariance analysis if exists a similar periodicity in the fluctuation of the amplitude of the reflex recorded in both upper limbs. The experiments were conducted in subjects who previously signed informed consent. 1000 reflexes were evoked in the flexor carpi radialis muscle of both arms in 9 male subjects between 21 and 49 years of age, who participated voluntarily. Several tests were performed on each arm according to the availability of each subject, yielding a total of 27 records (17 right, 10 left) taken on different days. To evoke H reflexes we stimulate electrically the median nerve with constant current rectangular pulses of 1 ms duration and frequency of 0.166 Hz. The applied current intensity was limited to 2-13 mA. The stimuli were generated by a stimulator Digitimer DS5 commanded by a Master 8 stimulator which also generated sync pulse for the data acquisition system. To apply the pulses we used convex bipolar electrodes of Biopac System with an inter-electrode distance of 2.5 cm and the cathode proximal. Biological signals were acquired with an interface DIGIDATA 1440A set to a sampling rate of 50 KHz. The H reflex amplitudes were measured with AxoScope 10.2 and were processed with the programs Clampfit 9.0, Chaos Data Analyzer, and a program written in Matlab (MathWorks). Recruitment curves were constructed to calculate the intensity of stimulation to 0.9 of M wave threshold. We used the auto-covariance function to determine the periodicity in the fluctuations of these reflexes and the capacity dimension to fractal analysis.
We found that the average of fractal dimension value for the right side was 1.5837 ± 0.1647 (n = 17) (mean ± SD) and the left side was 1.5622 ± 0.1154 (n = 10). In addition, with the auto-covariance analysis we found that the average time period for the left side was 22 ± 9 sec (n = 10) and for the right side of 21 ± 6 sec. (n = 17), respectively, very similar (t-student, p> 0.05) to Mezzarane and Kohn (2002) findings, who conducted the analysis of the H reflex recorded in soleus muscle.
We observed a significant correlation in the time periods and the fractal dimensions of left side variation over the right side, allowing us to conclude that the amplitude fluctuation of the Hoffmann reflex recorded in the flexor carpi radialis muscle of neurologically healthy humans, is periodic and have correlation with long-term time of fractal nature. The fact that many biological systems are nonlinear and chaotic has allowed the possibility of adaptation. Some researchers have suggested that for these systems to survive under new circumstances will have to develop fractal structures. For example, the heart conductive fibers or the bronchi networks have fractal structure that allows a wide variety of rhythms. The analysis of the amplitude fluctuation of the H-reflex in upper limbs in humans using methods derived from nonlinear dynamics and fractal analysis, can provide important information about both factors intrinsic or extrinsic to afferent Ia/alfaMN system and dynamics in intraspinal connectivity. This would allow us to obtain information on the different potential normal or abnormal states associated with cervical-level spinal circuitry and may be useful to clarify the influences of brain activities on the fractal correlation in human H reflex.
