Electrodermal activity - a review
María Elena Moncada1, Jorge de la Cruz2
1 Ingeniera electricista, Universidad de Antioquia. Doctora en Ingeniería, Universidad del Valle. Docente investigadora, Instituto Tecnológico Metropolitano, Colombia. mariamoncada@itm.edu.co
2 Estudiante de Ingeniería Electrónica, Universidad del Valle. jodelacruz@hotmail.com
RESUMEN
La electricidad en los tejidos vivos fue ampliamente estudiada alrededor del siglo XIX. Los estudios fueron suspendidos durante muchos años y retomados en las últimas décadas. Las nuevas investigaciones en bioelectricidad están creando alternativas en el área de la salud, una de éstas es la respuesta electrodermal, asociada con reparación de heridas, estimulación celular, diagnóstico de psicopatologías, entre otras. Este artículo presenta algunos de los primeros hallazgos y modelos desarrollados alrededor de la actividad electrodermal (AED). Varios documentos teóricos, clínicos y de revisión fueron estudiados y clasificados para mostrar la amplitud y variedad de hallazgos sobre el tema presentado. La actividad electrodérmica es sólo una de las múltiples aplicaciones con abundante evidencia en diagnósticos y tratamientos a partir de señales bioeléctricas. Las respuestas eléctricas de los tejidos requieren más investigación experimental, teórica y clínica en muchas de las áreas que envuelven el comportamiento del organismo, para así conocer, proponer y crear nuevas alternativas de tratamiento a las diversas patologías.
Palabras clave: bioelectricidad, sanación de heridas, piel, potenciales eléctricos.
ABSTRACT
the electricity in living tissue was widely studied around the 19th century. Such study was suspended for many years but has then been started again during recent decades. New research into bioelectricity is creating alternatives in the health field; one of them is an electrodermal response associated with the wound healing, cell stimulation and psychopathology diagnostic. This article presents some of the first responses and models concerning electrodermal activity. Theoretical, clinical and review papers were studied and classified to show the amplitude and variety of bioelectrical responses. Electrodermal activity is only one of many applications having an abundant amount of evidence regarding diagnosis and treatment starting from bioelectrical signals. Electrical tissue response requires more experimental, theoretical and clinical research in many fields involving an organism’s behaviour to ascertain, propose and create new treatment alternatives for different pathologies.
]]> Keywords: bioelectricity, wound healing, skin, electric potential.Recibido: febrero 25 de 2010
Aceptado: julio 6 de 2011
Introducción
La piel es uno de los órganos más importantes de nuestro organismo; si llega a faltar más del 40% de ella, suele ser incompatible con la vida. La piel posee una función protectora selectiva gracias a que impide la entrada de sustancias nocivas a un sistema inmunológico propio. Además tiene una función reguladora del metabolismo: impide la salida de sustancias, regula la temperatura corporal y transforma los rayos del sol en vitamina D.
El tratamiento mediante la aplicación de señales eléctricas ha sido estudiado desde el siglo XIX. Los investigadores han demostrado la presencia de sistemas bioeléctricos endógenos (Klot et al.,1996; Charman, 1990) y en la literatura se encuentran referencias de los efectos de estimulación eléctrica en úlceras generadas por presión, por insuficiencia vascular, por trauma, por diabetes, o por cirugías, entre otras (Sandoval et al., 2007; Poltawski et al., 2008a, b; 2009). La estimulación eléctrica en la piel ha sido utilizada como bactericida (Nelson et al., 1999; Kincaid et al., 1989) para incrementar el flujo sanguíneo (Mohr et al., 1987; Goldman et al., 2001) y promover la cicatrización (Im et al., 1990; Brown et al., 1987, Chi-Sing et al., 1996). La AED ha sido también estudiada y ampliamente usada en correlatos de procesos psicológico como indicador de diferentes estados de estrés (Clements et al., 2000) incluida la neurosis (Norris et al., 2007). Presenta una alta sensibilidad en la medición y sus variaciones se relacionan con el estado cognitivo emocional de la persona (Hugdahl, 1995).
La existencia de señales eléctricas en el tejido biológico es un hecho, pero los estudios desarrollados están desconectados, impidiendo llegar a conclusiones totales. Con la evidencia reportada a la fecha se han logrado desarrollos para diagnóstico, medición y generación de terapias. Sin embargo, queda aún mucho por explorar y se hace latente la necesidad de nuevos estudios experimentales, clínicos y de desarrollos matemáticos que generen conocimiento del cuerpo bioeléctrico. En Colombia se han iniciado estudios en esta temática y algunos trabajos clínicos, experimentales y computacionales que presentan una componente del tejido como sistema eléctrico (Moncada et al., 2007; 2008a, b; Sandoval et al., 2007) y que esperan crear alternativas de apoyo a la medicina actual.
Medidas electrodérmicas
La respuesta electrodérmica (RED) es un fenómeno que está hoy en día bien relacionado con la respuesta de las glándulas sudoríparas (Fowles, 1986). Para ésta existen dos medidas principales: a partir de la resistencia o conductancia (exosomática) y mediante la detección de voltajes (endosomática) (Féré, 1888). Las mediciones pueden también ser tónicas (nivel de profundidad-L) o fásica (respuesta variable en el tiempo-R). La tabla 1 presenta las abreviaciones usadas para los tipos de medidas.
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La medición es generalmente realizada sobre la palma con electrodos. Cuando el tipo de electrodo es reversible la polarización y los potenciales sesgados son minimizados. Las señales registradas se caracterizan por tener una recuperación lenta, con una duración alrededor de 40 s, amplitudes de fase alrededor de 2µS para la conductividad y 10-20 mV para el potencial, dependiendo del área del electrodo (Venables et al., 1980).
Fowles (1974) desarrolló un modelo global sobre RED (figura 1), útil sólo cualitativamente. La parte superior en el modelo representa la superficie de la piel y la inferior la interfaz entre la hipodermis y la dermis. R1 y R2 representan la resistencia al flujo de corriente en la epidermis y dermis, respectivamente. E1 y R4 corresponden al acceso a los de la dermis, y E2 y R3 el acceso a la epidermis. Los potenciales de transducción E1 y E2 surgen como resultado de la desigualdad de concentraciones iónicas por medio de los conductos, la resistencia R5 es de la superficie y E3 es el potencial.
Mecanismos fisiológicos
Entre los mecanismos fisiológicos de la estimulación eléctrica se encuentran: incremento en la circulación, diminución del edema, aumento en la migración de las células epiteliales, los neutrófilos y los macrófagos; inhibición de los mastocitos, estimulación de la síntesis de DNA e incremento de los factores de crecimiento. También se sugieren mayor producción de fibroblastos y niveles de colagenasa, inhibición bacterial, aumento en el debridamiento y la restauración del potencial bioeléctrico de cicatrización; además ha sido utilizada como bactericida y para incrementar el flujo sanguíneo y promover la cicatrización.
Rowley y colegas (1974) con extra alto voltaje (EAV) de polaridad negativa aplicado a heridas infectadas observaron disminución de la proliferación bacterial. Barranco y colegas (1974) inhibieron el crecimiento de estafilococos con corrientes de 0,4- 400 mA. Kincaid y Lavoie (1989), en un estudio in vitro con 150, 200, 250 y 300 V de polaridad negativa obtuvieron la destrucción de tres microorganismos presentes en heridas humanas. Los análisis mostraron mayor inhibición de los microorganismos a mayor intensidad y tiempo de aplicación.
La estimulación EAV también acelera el debridamiento y la trombosis de los tejidos, una corriente de polaridad negativa permite la reperfusión rápida de los tejidos y la disolución de hematomas (Nelson et al., 1999). Eberhardt y colegas (1986) realizaron un estudio sobre sujetos con lesión en la dermis del antebrazo tratada con un pulso rectangular de 100 Hz, 1 ms y 3- 35 mA, observando incrementos de los granulocitos en un 63,5% de quienes recibieron máxima estimulación, comparados con un 44,7% de células en quienes no recibieron estimulación. Mohr y colegas (1987) emplearon EAV en el flujo sanguíneo del miembro posterior en ratas, con cuatro tipos de frecuencias diferentes (2,20; 80 y 120 pps) y ambas polaridades. Para cada pulso en sus dos polaridades se halló aumento significativo de la velocidad del flujo sanguíneo y los mayores incrementos fueron para 20 pps y los pulsos negativos. Goldman y colegas (2001) aplicaron voltajes desde 80-330 V a 100 pps en pacientes diabéticos con isquemia inframaleolar, incrementando la microcirculación de las heridas isquémicas críticas y la promoción de la cicatrización de éstas.
Estimulación eléctrica para promover el proceso de cicatrización
]]> Brown y colegas (1987) usando estimulación eléctrica pulsada monofásica de alto voltaje para la cicatrización de heridas en conejos, encontraron que en los primeros cuatro días la polaridad positiva fue contraindicada, pero posteriormente ésta aceleró el proceso de cicatrización mejor que la polaridad negativa. Chi-Sing y colegas (1996), con corriente directa (4-40 mA) hallaron efectos positivos en el proceso de cicatrización en edemas y quemaduras en ratas. Kloth y Feedar (1988) estudiaron pacientes con úlceras entre 1 mes a 2,5 años de evolución y utilizando EAV (100-175 V y 105 Hz) constataron que en todos los pacientes estimulados se cerraron sus heridas en un promedio de 7,3 semanas, con una tasa de cicatrización de 45% por semana, mientras que en el grupo control las úlceras se incrementaron en un porcentaje de 11,6% por semana.Griffin y colegas (1991) evaluaron úlceras en un ensayo clínico con corriente de alto voltaje (200 V, 100 pps). El porcentaje de cierre de la úlcera en el grupo estimulado fue mayor después del día 5, al compararlo con el grupo control. Hounghton y colegas (2003) evaluaron úlceras crónicas por diabetes, insuficiencia arterial o insuficiencia venosa (150 V, 100 ms, 100 Hz, polaridad negativa), donde apreciaron reducción en 50% del área inicial de la herida, dos veces mayor que lo visto en el grupo placebo. Baker y colegas (1997) evaluaron la cicatrización a partir de estimulación eléctrica en pacientes diabéticos, encontrando incremento del 60% en la cicatrización del grupo estimulado con onda bifásica asimétrica.
Gentzkow y colegas (1993) hicieron un estudio de pacientes con úlceras por diabetes, enfermedad cardiovascular o renal y alteraciones motoras, sensitivas y con diversos grados de cronicidad. El 60,7% de las úlceras mejoraron después de 2 semanas de tratamiento, 80,4% luego de 4 semanas, 82% luego de la semana 7 y 23% se curaron completamente en un tiempo de 8,4 semanas. En otro de sus estudios las úlceras curaron más del doble con respecto al grupo control; la cicatrización total para el grupo estimulado se dio en un promedio de 9 semanas, y para el grupo control en 11,8 semanas (Gentzkow et al., 1991). Franek y colegas (2000), empleando EAV, notaron una reducción significativa en el tamaño de las úlceras venosas crurales y disminución de la presión de la úlcera.
Modelos de la actividad electrodérmica
El potencial de la piel se encuentra entre la superficie externa de la piel y el ambiente interno del cuerpo, lo que puede ser considerado como una respuesta ante un estímulo SPR o como un nivel de potencial de la piel, NPP. La respuesta de resistencia de la piel (RPP) puede ser monofásica, bifásica u ocasionalmente trifásica, y se atribuye esencialmente a la actividad de la glándula de sudor (Fowles, 1974). El NPP es comúnmente negativo en el exterior (Christie, 1981) e involucra mecanismos epidermales en mayor medida que en la RPP. Edelberg sugirió que las medidas eléctricas de la piel pueden reflejar el nivel de actividad de glándulas sudoríparas, el estado de los vasos sanguíneos locales y el estado de una o más capas de células vivas.
Modelo de hidratación de la piel
Martin y Venables (1966) encontraron que ante la ausencia de actividad sudorípara no se presentaba RRP. Edelberg (1968) construyó un modelo de hidratación considerando dos fuentes de potencial: el generador de glándulas sudoríparas y el generador de membrana de la epidermis (figura 2). En la figura 2, S es la batería de glándulas sudoríparas y E la batería de la membrana epidérmica. Rs y Re corresponden a la combinación de las resistencias internas y las baterías. P es el potencial transcutáneo y Rv la resistencia del medidor. Con S más negativo que E, circulará una corriente i, y con Rv constante e infinita resulta la figura 2b (Edelberg, 1977).
La piel como una batería
]]> En la regeneración anfibia se estableció que los potenciales de amputación fueron derivados de la piel como generador de corriente (Borgens, 1982). El movimiento de iones positivos de sodio genera el potencial eléctrico a través de la epidermis (alrededor de 50 mV) y se demostró también la existencia de potencial entre dos sitios de la piel inferior a 1 mV (Barker et al., 1982; Foulds, 1983). La variación del potencial de batería de la piel depende de la concentración de glándulas sudoríparas y la densidad de las vellosidades y no parece estar relacionada con la distribución del dermatoma. Burr y colegas en los años treinta, y Becker y colegas en los sesenta, conceptualizaron los potenciales de la piel como un sistema de control DC. Becker (1962) demostró la existencia un patrón de líneas equipotenciales de campo eléctrico complejo en anfibios y en el hombre.Potenciales de herida
La corriente de herida es en esencia la diferencia de potencial y el subsecuente flujo de corriente entre el tejido herido y el normal debido a membranas dañadas, potenciales alterados o movimiento de partículas cargadas (Thakor et al., 1978). En el borde de la herida se encuentra un voltaje de más de 200 mV/mm y una corriente de 1-1,5 mA (Charman, 1990), lo que origina la migración y proliferación de células de fibroblastos y queratinocitos (Nishimura et al., 1996), aumentando el grosor de la cicatriz. En una especie no regeneradora la corriente de la herida es inicialmente positiva, mientras que en las especies regeneradoras cambia a negativa fuertemente después de una fase inicial positiva (figura 3) hasta volver a los niveles de preherida (Becker, 1967; 1974). De acuerdo con Becker, el sistema de control de DC es el responsable de la detección de la herida y del control del proceso de reparación (Nishimura et al., 1996). O’Leary y Goldring (1964) plantearon que el potencial de herida se desarrolla en los nervios, músculo o piel heridos y cualquier célula puede ser vulnerable a la despolarización de la membrana dada por el trauma.
Potenciales de herida en los tejidos musculoesqueléticos
Barker y colegas (1982), y Jaffe y Vanable (1984), trabajando en mamíferos, demostraron la existencia de una corriente en la piel herida y midieron en cero el potencial en el sitio de la herida. Illingworth y Barker (1980) obtuvieron densidades de corriente asociadas con amputación de dedos en niños con valores de 22µcm-2. Los resultados mostraron que la herida de la piel activó una batería epidermal con un voltaje en circuito abierto de 17-42 mV y la herida en el hueso activó una batería endosteal de 15-56 mV. La capa celular del periostio no presentó propiedades electrogénicas y la batería del hueso se asoció con la capa endosteal. Posteriormente se concluye que la herida muscular fue el factor dominante para generar el voltaje detectado. Las corrientes más grandes fueron de 10-32 µA en la superficie del tejido suave.
Aplicaciones en psicología
La AED es uno de los principales índices psicofisiológicos empleado como correlato de procesos psicológicos y está relacionada con la emoción, el arousal y la atención. Su medición es de alta sensibilidad (Wieland et al., 1970) y sus variaciones son hoy relacionadas con cambios en el estado cognitivo o emocional del individuo (Hugdahl, 1995). La AED se ha utilizado como indicador de estados de estrés (Clements y Turpin, 2000) y como índice clínico en el estudio de diversos trastornos psicofisiológicos relacionados con el estrés (Hugdahl, 1995) y la neurosis (Norris et al., 2007).
Algunos de los estudios sobre la neurosis muestran en los pacientes una mayor sintomatología depresiva después de acontecimientos estresantes, como el desempleo (Creed et al., 2001), cuidado del cónyuge (Gallant et al., 2003) y cirugía del cáncer de mama (Millar et al., 2005). Otros estudios han registrado mayores valores de conductancia de la piel en personas neuróticas, al igual que valores reducidos en la RCP ante estimulación sensorial repetitiva (Akdag et al., 2003) y una lenta habituación de RCP ante la angustia, el estado de ansiedad y la “excitabilidad” (Horan et al., 2005; Mardaga et al., 2006).
]]> ConclusiónLa existencia de señales eléctricas en el tejido biológico fue investigada hace muchos años y suspendida durante al menos una centuria. En la actualidad la aplicación y lectura de corrientes y potenciales eléctricos comienzan a ser aceptadas como alternativas a tratamientos farmacológicos, tal es el caso de heridas de piel, principalmente úlceras (Tomonori et al., 2004; Sakarai et al., 2008), patologías óseas como la no unión o pseudoartorisis, entre otras (Aaron et al., 2004; Anglen, 2003). Se incluyen también técnicas de diagnóstico más antiguas ya aceptadas y aplicadas, tal como la ECG, además del análisis de patologías psicológicas a partir de la RED (Norris, 2007; Horan et al., 2005). Esta revisión presentó evidencia teórica, clínica y experimental de trabajos alrededor del estudio de la respuesta electrodermal, dejando la bioelectricidad como un área aún muy joven en la que es indispensable más investigación que ahonde en el conocimiento del cuerpo humano y que lleve a generar nuevas y mejores alternativas a tratamientos.
Agradecimientos
A Tim Watson for School of Health & Emergency Professions University of Hertfordshire, UK, por la valiosa información suministrada.
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