Modulation of Cortical Excitability and Oscillatory Dynamics by Transcranial Electrical Stimulation

Abstract

La estimulación eléctrica transcraneal (tES), que incluye tanto la estimulación por corriente continua (tDCS) como la estimulación por corriente alterna (tACS), se ha consolidado como una herramienta prometedora para la modulación no invasiva de la actividad cerebral. A pesar de su creciente relevancia clínica y experimental, los mecanismos fisiológicos que determinan su eficacia siguen sin estar completamente esclarecidos. Esta tesis investiga cómo los efectos de la estimulación dependen de tres factores clave: la alineación anatómica de las neuronas con el campo eléctrico, el estado oscilatorio del cerebro y la interacción entre los parámetros de estimulación y el subtipo neuronal. Mediante registros electrofisiológicos in vivo en ratones despiertos y anestesiados, se demuestra en primer lugar que la orientación axo-dendrítica condiciona los efectos polaridad-específicos del tDCS en las células de Purkinje del cerebelo. A continuación, una serie de experimentos en corteza somatosensorial revela que el estado cerebral regula críticamente la inducción de plasticidad: mientras que el tDCS modula de forma aguda la excitabilidad cortical en animales despiertos, solo bajo anestesia dominada por ondas lentas induce efectos duraderos. La imitación de este estado permisivo mediante corriente oscilatoria a 2 Hz (tOCS) permite recuperar la plasticidad en el cerebro despierto, destacando el papel de la actividad delta como puerta de entrada para la reorganización sináptica. Además, los experimentos con pulsos breves de tACS revelan dinámicas de acoplamiento de fase diferenciadas entre poblaciones neuronales. La estimulación en frecuencia gamma induce un fuerte acoplamiento fase-específico en interneuronas de forma dependiente de la frecuencia y la intensidad, mientras que las neuronas piramidales presentan un acoplamiento más uniforme ante frecuencias theta y gamma, mostrando una mayor tolerancia a diferentes intensidades de estimulación. Por último, la aplicación prolongada de tACS a 40 Hz genera efectos duraderos de forma región- e input-dependiente, potenciando la actividad gamma en hipocampo, pero requiriendo activación sensorial concurrente para inducir cambios en corteza. En conjunto, estos hallazgos ofrecen un marco mecanístico integrador sobre cómo la morfología neuronal, el estado de red y el contexto oscilatorio interactúan para modelar los efectos de la tES, tanto a nivel celular como sistémico. Los resultados tienen implicaciones relevantes para el diseño racional de protocolos de neuromodulación y subrayan la necesidad de estrategias de estimulación personalizadas y sensibles al estado cerebral, tanto en contextos experimentales como clínicos.