Principios de arrastre

En 1666, el físico holandés Christian Huygens descubrió que las frecuencias de péndulo de dos relojes montados en la misma pared o tablero se sincronizaban entre sí. Supuso que las vibraciones de las moléculas de aire se iba a transmitir pequeñas cantidades de energía de un péndulo al otro y sincronizarlos a una frecuencia común. Sin embargo, cuando se establece en diferentes superficies, el efecto desaparece. El medio transmisor era en realidad el tablero vibratorio o la pared. Para las vibraciones de moléculas de aire, habría habido demasiada amortiguación en el proceso de transmisión de energía, como se descubrió más tarde. El efecto fue confirmado posteriormente por muchos otros experimentos y se llamó arrastre. En el arrastre, las diferentes cantidades de energía transferidas entre los cuerpos en movimiento debido a los períodos de movimiento asíncrono causan retroalimentación negativa. Esta retroalimentación impulsa un proceso de ajuste en el que las diferentes cantidades de energía se eliminan gradualmente a cero hasta que ambos cuerpos en movimiento se mueven en frecuencia resonante o sincronía. El «oscilador» más fuerte bloquea el más débil en su frecuencia. Cuando ambos cuerpos oscilantes tienen energía igualmente fuerte, ambos sistemas se mueven uno hacia el otro: el sistema más rápido se ralentiza y el sistema más lento se acelera hasta que se bloquean en un período de movimiento común (Pantaleone, 2002).

Técnicamente, el arrastre en física se refiere al bloqueo de frecuencia de dos cuerpos oscilantes, i. e., cuerpos que pueden moverse en ciclos periódicos o rítmicos estables. Tienen diferentes frecuencias o períodos de movimiento cuando se mueven de forma independiente, pero cuando interactúan asumen un período común. Por cierto, los péndulos de Huygens en realidad asumieron un período común de 180°fuera de fase, que llamó «simpatía extraña».»Ahora se sabe que el arrastre puede ocurrir en varias relaciones de fase de los movimientos de los cuerpos oscilantes. Se logra una relación de fase estable cuando ambos cuerpos comienzan y detienen su período de movimiento al mismo tiempo. Sin embargo, este no es un requisito previo necesario para que se produzca el arrastre. El factor decisivo para el arrastre es el período común de los movimientos oscilantes de los dos cuerpos. El arrastre de período común es de importancia crítica para las aplicaciones clínicas del arrastre rítmico como una señal temporal en la rehabilitación motora (Kugler y Turvey, 1987; Thaut et al., 1998a). El arrastre de período común establece que la señal rítmica proporciona una referencia de tiempo continua durante la duración completa del movimiento a regular.

Sistema Auditivo y Percepción del Tiempo

Tradicionalmente, la importancia del sistema auditivo en el control del movimiento recibió mucha menos atención en la teoría e investigación del control motor que el sistema visual o propioceptivo. Por lo tanto, el ritmo auditivo y las estructuras de tiempo auditivas más complejas asociadas con patrones musicales no dieron mucho valor funcional en el aprendizaje motor o la rehabilitación motora. En consecuencia, la aplicación a terapias motoras no jugó ningún papel en la musicoterapia tradicional. A la música se le asignó principalmente un papel motivador para la interpretación del movimiento (Thaut, 2005).

Sin embargo, la neurofisiología básica y la biofísica de la conectividad sensomotora siempre han mostrado interacciones intrigantes entre el sistema auditivo y el motor. La capacidad del sistema auditivo para construir rápidamente plantillas temporales estables es bien conocida (ver para una revisión: Thaut y Kenyon, 2003). El sistema auditivo está magníficamente construido para detectar patrones temporales en señales auditivas con extrema precisión y velocidad, como lo requiere la naturaleza del sonido, ya que solo existe en patrones de vibración temporales (Moore, 2003). En esas tareas, el sistema auditivo es más rápido y preciso que los sistemas visual y táctil (Shelton y Kumar, 2010). Dado que las ondas de sonido que son más importantes para el habla y la música y otras tareas perceptivas se basan en movimientos periódicos que se repiten en ciclos recurrentes regulares, el sistema auditivo también está orientado perceptivamente hacia la detección y construcción de patrones de sonido rítmicos. Finalmente, muchos estudios han demostrado que las señales rítmicas auditivas pueden atraer respuestas motoras. Por ejemplo, Thaut et al. (1998b) demostraron que los movimientos de los dedos y los brazos se arrastran instantáneamente al período de un estímulo rítmico (por ejemplo, el ritmo del metrónomo) y permanecen bloqueados a la frecuencia del metrónomo incluso cuando se inducen cambios sutiles de tempo en el metrónomo que conscientemente no se perciben. Estos hallazgos han sido confirmados por otros estudios (cf, Large et al., 2002).

Arrastre neuronal

La base neuronal del arrastre auditivo-motor es menos entendida. Dos primeros estudios electrofisiológicos (Paltsev y Elner, 1967; Rossignol y Melvill Jones, 1976) mostraron cómo las señales sonoras y la música rítmica pueden activar y activar los músculos a través de vías reticuloespinales. Ahora está bien establecido que el sistema auditivo tiene conexiones de fibra ricamente distribuidas a los centros motores desde la médula espinal hacia arriba en los niveles del tronco encefálico, subcortical y cortical (Koziol y Budding, 2009; Schmahmann y Pandya, 2009; Felix et al., 2011). Aunque la base específica de los mecanismos de arrastre neural aún no se ha explorado por completo, varios estudios al menos han sido capaces de vincular los patrones de oscilación neural en el sistema auditivo con la dinámica de tiempo y frecuencia de los estímulos rítmicos de sonido. Fujioka et al. (2012) mostraron modulaciones en oscilaciones beta neuromagnéticas relacionadas con la frecuencia de estímulo rítmico en áreas auditivas, áreas motoras (corteza sensoriomotora, área motora suplementaria), así como el giro frontal inferior y el cerebelo. Tierney y Kraus (2013) demostraron respuestas neuronales consistentes en el colículo inferior (CI) sincronizadas con un estímulo auditivo rítmico (la sílaba «da»). El CI es un núcleo de la vía auditiva temprana en el tronco encefálico con proyecciones ricas al cerebelo a través de los núcleos dorsolaterales pontinos. Dado que el cerebelo se activa en las tareas de sincronización sensomotora (cf. Stephan et al., 2002; Grahn et al., 2011) y las activaciones en distintas regiones cerebelosas corresponden a diferentes aspectos de la dinámica temporal de la sincronización rítmica (Thaut et al., 2009b; Konoike et al., 2012), como la detección de patrones o el seguimiento de cambios en la duración del intervalo rítmico, la representación de la información de tiempo en el CI puede ser una función importante en las transformaciones auditivas a motoras durante el arrastre rítmico. Finalmente, un estudio de MEG realizado por Tecchio et al. (2000) mostraron cambios de amplitud en el componente M100 del potencial de campo evocado auditivo arrastrado linealmente por cambios en las duraciones de los intervalos rítmicos, es decir, intervalos más largos se asociaron con intensidades M100 más altas y viceversa. Este patrón de arrastre también se observó durante los cambios de duración subliminal al 2% de la duración del intervalo absoluto. Sin embargo, los mecanismos exactos de transmisión neural de los centros auditivos a los motores no se han explorado completamente.

De mayor importancia en el contexto de la rehabilitación motora fue el hallazgo de que el cerebro lesionado efectivamente puede acceder a mecanismos rítmicos de arrastre. Los primeros estudios del entrenamiento de la marcha en la rehabilitación de accidentes cerebrovasculares hemiparéticos(Thaut et al., 1993, 1997), Enfermedad de Parkinson (Thaut et al., 1996; McIntosh et al., 1997), lesión cerebral traumática (Hurt et al., 1998), y parálisis cerebral (Thaut et al., 1998) confirmó la existencia de procesos de arrastre rítmico en poblaciones clínicas. Se siguieron de cerca estudios que extendían el arrastre a la rehabilitación de brazos hemiparéticos (Whitall et al., 2000; Thaut et al., 2002).

El arrastre rítmico estableció la primera teoría motora comprobable para el papel del ritmo auditivo y la música en la terapia. Los estudios posteriores llevaron a la necesidad de codificar y estandarizar la aplicación rítmico-musical para la rehabilitación motora (Thaut, 2005; Thaut y Hoemberg, 2014). Estas técnicas se convirtieron en la base inicial del repertorio clínico de la musicoterapia neurológica.

Optimización del Movimiento Basada en el Tiempo

El efecto integral del arrastre rítmico en el control motor plantea algunas preguntas teóricas importantes en cuanto a los mecanismos que modulan estos cambios. Sabemos que las tasas de disparo de las neuronas auditivas, activadas por el ritmo y la música auditivos, arrastran los patrones de disparo de las neuronas motoras, conduciendo así el sistema motor a diferentes niveles de frecuencia. Hay dos mecanismos adicionales que son de gran importancia clínica en lo que respecta al arrastre. La primera es que la estimulación auditiva prepara el sistema motor en un estado de preparación para moverse. El cebado aumenta la calidad de respuesta posterior.

El segundo aspecto más específico del arrastre se refiere a los cambios en la planificación y ejecución motoras que crea. Los estímulos rítmicos crean escalas de tiempo o plantillas anticipatorias estables. La anticipación es un elemento crítico para mejorar la calidad del movimiento. El ritmo proporciona señales de tiempo anticipatorias precisas para que el cerebro planifique con anticipación y esté listo. Además, la anticipación exitosa del movimiento se basa en el conocimiento previo de la duración del período de referencia. Durante el arrastre, dos osciladores de movimiento, en nuestro caso basados neuralmente, de diferentes períodos, se arrastran a un período común. En el arrastre auditivo, el período motor se arrastra al período del ritmo auditivo. El arrastre siempre es impulsado por el arrastre de frecuencia o período, es decir, los períodos comunes pueden o no estar en perfecto bloqueo de fase (es decir, el inicio de la respuesta motora estaría perfectamente sincronizado con el ritmo auditivo). El arrastre de golpes es un concepto comúnmente mal entendido. El arrastre no se define por arrastre de latido o fase, se define por arrastre de período (Large et al., 2002; Thaut y Kenyon, 2003; Nozaradan et al., 2011).

El arrastre del período ofrece la solución de por qué el ritmo auditivo también cambia las medidas de fuerza cinemáticas y dinámicas espaciales de la activación muscular, por ejemplo, como lo demuestra el suavizado de los perfiles de velocidad y aceleración. El conocimiento previo de la duración del período de movimiento cambia computacionalmente todo en la planificación motora para el cerebro. La velocidad y la aceleración son derivadas matemáticas del tiempo de la posición del movimiento. Considere que un ciclo de movimiento, por ejemplo, de la articulación de la muñeca en los movimientos de alcance, consiste en un número finito de coordenadas de posición (x,y,z), cada una asociada con un valor de tiempo (t) particular durante el período de movimiento. Si consideramos, para simplificar, que la coordenada de posición x (t) es continua en lugar de una función discreta de las siguientes declaraciones, podemos describir matemáticamente la relación entre posición, velocidad y aceleración sin entrar en el detalle de la ecuación matemática:

• La velocidad v(t) en cualquier momento t es la primera derivada de la posición x(t) y es igual al valor numérico de la pendiente de la curva de posición en el momento t.

• La aceleración a(t) en cualquier momento t es la segunda derivada de la posición x(t), la primera derivada de la velocidad v(t), y es igual al valor numérico de la pendiente de la curva de velocidad en el momento t.

• La posición x en cualquier momento t es numéricamente igual al área bajo la curva velocidad-tiempo entre cero y t.

• La velocidad v en cualquier momento t es numéricamente igual al área bajo la curva de aceleración-tiempo entre cero y t.

Dada esta información de fondo y utilizando un criterio de optimización, por ejemplo, como la minimización de la aceleración máxima, ahora podemos mostrar que la trayectoria del movimiento en función del tiempo en el espacio tridimensional se determina completamente como consecuencia de la condición de optimización, es decir, todo el ciclo de movimiento se fija en el tiempo debido al período arrastre. El hecho de que una restricción temporal anticipada en el período de movimiento (dada por el período de estímulo) resulta en un problema de optimización cinemáticamente bien definido permite un análisis matemático que muestra una especificación completa de las coordenadas tridimensionales de la trayectoria de una extremidad. En otras palabras, la reducción de la variabilidad de la trayectoria del brazo durante un movimiento de alcance o de la rodilla durante un ciclo de pasos es un resultado natural de la restricción de tiempo rítmico.

En lenguaje clínico, al fijar el tiempo de movimiento a través de un intervalo rítmico, el cronometrador interno del cerebro ahora tiene un cronometrador adicional activado externamente con un intervalo de referencia preciso, una referencia de tiempo continua (CTR). Este período de tiempo presenta información de tiempo al cerebro en cualquier etapa del movimiento. El cerebro sabe en cualquier punto del movimiento cuánto tiempo ha transcurrido y cuánto tiempo queda, lo que permite mejorar el mapeo anticipatorio y la escala de los parámetros óptimos de velocidad y aceleración a lo largo del intervalo de movimiento. El cerebro trata de optimizar el movimiento ahora haciendo que coincida con la plantilla dada. Este proceso dará como resultado no solo cambios en la velocidad de movimiento, sino también trayectorias de movimiento más suaves y menos variables y reclutamiento muscular. Se puede concluir que el ritmo auditivo, a través del arrastre del período fisiológico del sistema motor, actúa como una función de forzamiento para optimizar todos los aspectos del control motor. El ritmo no solo influye en la sincronización del movimiento, el tiempo como unidad coordinadora central del control motor, sino que también modula los patrones de activación muscular y control del movimiento en el espacio (Thaut et al., 1999). Las señales rítmicas proporcionan información completa de optimización al cerebro para reprogramar el movimiento.

Con esta comprensión de los mecanismos subyacentes de arrastre, es clínicamente menos importante si los pacientes sincronizan su respuesta motora exactamente al ritmo, es importante que se enganchen al período rítmico porque la plantilla de período contiene la información crítica para optimizar la planificación motora y la ejecución motora. De hecho, la investigación ha demostrado que el tiempo de la respuesta motora en relación con el ritmo puede fluctuar, mientras que el período de movimiento se arrastra muy rápida y precisamente al período rítmico y el período de arrastre se mantiene durante los cambios de frecuencia en el intervalo de estímulo rítmico (Thaut et al., 1998b).

Aplicaciones clínicas del arrastre

Los conocimientos de los estudios auditivo-motores rítmicos condujeron a una reconceptualización completa del papel de los estímulos auditivos complejos, como la música para terapia y rehabilitación. Tradicionalmente, el papel de la música en la terapia se había considerado desde los modelos de las ciencias sociales como un estímulo para la interpretación personal con respecto al bienestar, la respuesta emocional y la relación social. Aunque estas propiedades de la música también son importantes para las funciones terapéuticas, los nuevos descubrimientos reenfocaron el papel de la música como estímulo terapéutico en sus propiedades estructurales que configuran la percepción sensorial vinculada a la función motora (de l’Etoile, 2010; Altenmueller y Schlaug, 2013).

Los primeros hallazgos clínicos han sido replicados y extendidos por varios otros grupos de investigación que corroboran la existencia de circuitos auditivo-motores rítmicos para el arrastre en la rehabilitación de la marcha hemiparética (Ford et al., 2007; Roerdink et al., 2007, 2011; Thaut et al., 2007; Spaulding et al., 2013). Un gran número de estudios de RAS han replicado y extendido el uso beneficioso de RAS para la movilidad en la enfermedad de Parkinson (ver para revisión: deDreu et al., 2012).

Después de experimentos exitosos que arrastraban ritmos biológicos endógenos de osciladores de marcha neural, surgió una nueva pregunta. ¿También se puede aplicar el arrastre rítmico para arrastrar movimientos de todo el cuerpo, especialmente movimientos de brazos y manos que no están impulsados por ritmos biológicos subyacentes? La respuesta se encontró convirtiendo los movimientos funcionales de las extremidades superiores, que por lo general son discretos y no rítmicos, en unidades de movimiento cíclico repetitivo que ahora podrían emparejarse con señales de tiempo rítmicas. Varios estudios de investigación clínica han investigado con éxito el uso de señales rítmicas para las extremidades superiores para la coordinación de todo el cuerpo, especialmente en la rehabilitación de accidentes cerebrovasculares hemiparéticos(Luft et al., 2004; McCombe-Waller et al., 2006; Schneider et al., 2007; Altenmueller et al., 2009; Malcolm et al., 2009; Grau-Sánchez et al., 2013) y en niños con parálisis cerebral (Peng et al., 2010; Wang et al., 2013).

Las mejoras en la rehabilitación del brazo por accidente cerebrovascular fueron comparables en tamaño a los datos de la investigación en terapia inducida por restricciones (CIT; Massie et al., 2009).

Más Aplicaciones clínicas del arrastre

El arrastre rítmico se extiende más allá del control motor. La investigación emergente muestra que el control de la velocidad del habla que afecta la inteligibilidad, el control motor oral, la articulación, la calidad de la voz y la fuerza respiratoria puede beneficiarse en gran medida del arrastre rítmico mediante el ritmo y la música (Pilon et al., 1998; Wambaugh y Martínez, 2000; Thaut et al., 2001; Natke et al., 2003; Lim et al., 2013). Hallazgos recientes en la rehabilitación de afasia sugieren que el componente rítmico en la terapia de entonación melódica puede ser tan importante como la activación de los circuitos del habla hemisféricos derechos intactos a través del canto (Stahl et al., 2011).

Por último, el potencial de arrastre temporal de la función cognitiva ha surgido recientemente como un importante impulsor del cambio terapéutico. El reconocimiento de que la sincronización y la secuenciación también tienen una función crítica en las habilidades cognitivas(Conway et al., 2009) ha llevado a investigaciones que investigan el papel potencial de la música y el ritmo como técnica de rehabilitación cognitiva. El sonido en la música es inherentemente temporal y secuencial y puede servir como un» andamiaje » para arrancar la representación de patrones secuenciales temporales en funciones cognitivas como la memoria (Conway et al., 2009). El arranque de información no musical a los patrones rítmico-melódicos de un «andamio» musical puede ofrecer varias ventajas para mejorar la codificación profunda durante la adquisición y recuperación en el entrenamiento de memoria. La música puede indicar el orden temporal y la secuencia de la información. El contorno rítmico-melódico puede crear una estructura de patrones a la que se pueden asignar unidades de información. La estructura de frases de los patrones musicales puede segmentar las unidades de información totales en un conjunto más pequeño de trozos grandes o unidades generales, reduciendo así la carga de memoria (Wallace, 1994). Este último punto puede constituir una ventaja particular en la música, ya que los mnemotécnicos musicales, como las canciones cortas, suelen estar compuestos por un pequeño alfabeto de tonos y motivos rítmicos (Snyder, 2000). Grandes unidades de información construidas con grandes alfabetos (p. ej., listas de palabras, tablas de números) se pueden asignar en un alfabeto de tono y ritmo pequeño que se organiza en «unidades de memoria» redundantes, repetitivas y anticipatorias, reduciendo la carga de memoria y aumentando la codificación profunda(Thaut et al., 2009a).

Del arrastre a la complejidad

Las técnicas de musicoterapia neurológica en la rehabilitación cognitiva y del habla / lenguaje dependen en gran medida del papel de la sincronización en la música y el ritmo. Sin embargo, el descubrimiento de que un elemento musical como el ritmo puede ser un motor muy efectivo de aprendizaje y entrenamiento terapéutico, ha llevado a una nueva mirada para considerar el potencial terapéutico de todos los elementos musicales dentro de un marco de percepción musical y reproducción de música. En otras palabras, el arrastre rítmico abrió las puertas al cambio de modelos predominantemente interpretativos de música en terapia a modelos basados en la percepción. Las aplicaciones interpretativas de la música en terapia siguen siendo importantes, especialmente cuando los objetivos psicosociales, afectivos/expresivos o asociativos de memoria a largo plazo se convierten en un foco funcional de la terapia. Sin embargo, la investigación ha demostrado ahora cómo toda la complejidad de los elementos musicales se puede transformar en terapia funcional. Los ejercicios perceptivos basados en patrones melódicos y armónicos en la música se pueden aplicar para entrenar la atención sostenida, selectiva, dividida, enfocada y alterna en entornos clínicos (Gardiner y Thaut, 2014). La música como lenguaje auditivo complejo se ha aplicado para re-entrenar los déficits de percepción auditiva y mejorar la percepción del habla (Tierney y Kraus, 2013; Mertel, 2014). Se han utilizado aplicaciones especiales del entrenamiento de percepción auditiva basado en la música con usuarios de implantes cocleares (Mertel, 2014). En pacientes con negligencia visual hemiespacial, se ha demostrado que los ejercicios terapéuticos que utilizan la escucha de música y la reproducción de instrumentos que enfatizan el enfoque auditivo y visual en el lado de la negligencia son exitosos para reducir la negligencia (Hommel et al., 1990; Abiru et al., 2007; Soto et al., 2009; Bodak et al., 2014). Finalmente, ejercicios guiados de composición elemental e improvisación en música enfatizando el pensamiento de complejidad, la toma de decisiones, la resolución de problemas, el razonamiento, la evaluación afectiva, la autoorganización, la comprensión, etc. se ha demostrado que tienen éxito en la mejora de la función ejecutiva en personas con lesión cerebral traumática (Thaut et al., 2009b; Hegde, 2014).

Fronteras para la Musicoterapia Neurológica

El descubrimiento del arrastre con fines terapéuticos a principios de la década de 1990 ha llevado a un sólido conjunto de pruebas de investigación de que la periodicidad de los patrones rítmicos auditivos podría mejorar los patrones de movimiento en pacientes con trastornos del movimiento. La teoría del control motor y la neurofisiología motora proponen que los cambios en los patrones motores se deben al cebado del sistema motor y a las plantillas rítmicas anticipatorias en el cerebro que permiten una anticipación, planificación motora y ejecución óptimas con una señal rítmica externa. La capacidad del cerebro de utilizar el arrastre para reprogramar la ejecución de un patrón motor ha hecho del arrastre rítmico una herramienta importante en la rehabilitación motora (Thaut y Abiru, 2010; Thaut y McIntosh, 2014). Más recientemente, el arrastre rítmico temporal se ha extendido a aplicaciones en rehabilitación cognitiva y rehabilitación del habla y el lenguaje, con evidencia emergente de que los mecanismos de arrastre rítmico pueden ser una herramienta esencial para la rehabilitación en todos los dominios de la musicoterapia neurológica (Thaut, 2010; Thaut y Hoemberg, 2014). La estructura temporal de la música sigue siendo un elemento central en la terapia y la rehabilitación. Sin embargo, el descubrimiento del arrastre rítmico también ha abierto la puerta a la exploración de los mecanismos terapéuticos en otros elementos de la música, como la melodía y la armonía, y finalmente en la estructura de patrones de la música como un lenguaje auditivo complejo para estimular y (re) entrenar funciones cognitivas complejas. La musicoterapia neurológica como modelo de tratamiento codificado y estandarizado, que actualmente comprende 20 técnicas de rehabilitación motora, del habla/lenguaje y cognitiva, ha surgido y se ha aceptado médicamente con bastante rapidez en los últimos 15 años. Sin embargo, dado que el NMT se construyó a partir de datos de investigación existentes, la forma futura del NMT será impulsada dinámicamente por la investigación continua. Una de las áreas de mayor necesidad terapéutica es la rehabilitación psiquiátrica. Los puntos de vista emergentes sobre la naturaleza de la enfermedad mental, impulsados por nuevos conocimientos de la investigación neuropsiquiátrica, pueden permitir una extensión más enfocada de las técnicas de NMT en las áreas de función ejecutiva y psicosocial, atención y memoria para contribuir al tratamiento psiquiátrico.

Declaración de Conflicto de Intereses

Los autores declaran que la investigación se realizó en ausencia de relaciones comerciales o financieras que pudieran interpretarse como un posible conflicto de intereses.