Compensatory relearning following stroke: motor map plasticity and recovery following intensive enriched reaching rehabilitation

A população brasileira com mais de 60 anos de idade tem aumentado, assim como as doenças crônicas relacionadas ao envelhecimento. Dentre elas, o acidente vascular encefálico (AVE), uma das principais causas de internações e mortalidade; causando na maioria dos pacientes algum tipo de deficiência para a execução das atividades de vida diária. Entender como o processo de reabilitação ocorre, como por exemplo a remodelação dos mapas e vias motoras, é de extrema importância. O estudo deste fenômeno pode levar a otimização do processo de reabilitação e ao melhor entendimento da ação de fármacos para restaurar a função cerebral após o AVE. Além disto, o tipo e a gravidade da lesão parecem ser determinantes para o nível de acometimento motor após o AVE. Resultados preliminares obtidos pelo grupo de pesquisa do PhD Numa Dancause e PhD Dale Corbett indicaram que quando a lesão atinge o estriado a representação motora é extremamente prejudicada. Então, nós hipotetizamos que o estriado dorsal tenha um papel determinante na constituição e possível remodelação dos mapas corticais durante o (re)aprendizado motor. Além disto, que estruturas subcorticais podem estar aumentando a sua atividade e assumindo um papel mais ativo na expressão do comportamento motor. Nesta tese nós desenvolvemos uma nova metodologia para quantificar e melhor entender as alterações de movimento após o AVE em roedores (ratos: Artigo 1; camundongos: Artigo 2). Revisamos as principais vias e mecanismos envolvidos no (re)aprendizado motor compensatório (Artigo 3). Finalmente, o artigo principal da presente tese demonstra como a reabilitação intensiva promove a remodelação dos mapas motores (Artigo 4). A reabilitação intensiva induziu a expansão da representação motora relacionada aos movimentos do membro parético; e o aumento da atividade usodependente em regiões encefálicas compensatórias, como por exemplo o córtex contralesional e o núcleo rúbro. Propomos um mecanismo entrelaçado para a recuperação após o AVC severo, envolvendo interações bilaterais e bi-hemisféricas. Em suma, esta tese corrobora que a reabilitação promove a expansão das representações motoras corticais; e avança o conhecimento sobre a recuperação compensatória após o AVE severo. Over the past decades, Brazilian population over 60 years of age has increased, as well as chronic diseases related to aging. Among these, stroke, one of the main causes of hospitalizations and mortality in Brazil; causing some type of disability to perform activities of daily living to the majority of patients. Understanding how the rehabilitation process occurs, such as the remodeling of motor maps and motor pathways is of utmost importance. The study of this phenomenon can lead to optimization of rehabilitation and to a better understanding of how drugs can act to restore brain function following stroke. In addition, lesion location and severity are determinant for the level of motor impairment following the insult. Preliminary results obtained by PhD Numa Dancause and PhD Dale Corbett research teams indicated that when the lesion encompass the dorsal striatum, motor representations are extremely impaired. Therefore, it was hypothesized that the dorsal striatum has a determining role in the constitution and possible remodeling of the cortical maps during motor relearning. In addition, subcortical structures may increase activity and assume a more active role in the expression of motor behavior. In this thesis we develop a new methodology to quantify and better understand changes of upper limb movement following stroke in rodents (rats: Article 1; mice: Article 2). Next, we review the main pathways and mechanisms involved in motor relearning following stroke (Article 3). Finally, the main article of this thesis demonstrates how intensive rehabilitation promotes cortical motor map plasticity (Article 4). Intensive rehabilitation led to motor map expansion, increased kinematic movement of the paretic limb, and increased use-dependent activity of compensatory brain regions, such as the contralesional cortex and red nucleus. Here, we propose an intertwined mechanism for severe stroke recovery, which involves bilateral and bi-hemispheric interactions. In short, this thesis corroborates that rehabilitation promotes expansion of cortical motor representations; and advances the knowledge about compensatory recovery following severe stroke in rats.