Un equipo internacional de científicos ha utilizado una "interfaz cerebro-espinal" inalámbrica para evitar lesiones en la médula espinal en un par de macacos rhesus, restaurando el movimiento intencional de caminar en una pierna temporalmente paralizada. Los investigadores, que describen su trabajo en la revista Naturaleza digamos que esta es la primera vez que se usa una prótesis neural para restaurar el movimiento de caminar directamente a las piernas de los primates no humanos.
El estudio fue realizado por científicos y neuroingenieros en una colaboración dirigida por Ecole Polytechnique Federale Lausanne EPFL en Suiza, junto con Brown University, Medtronic y Fraunhofer ICT-IMM en Alemania. El trabajo se basa en tecnologías neuronales desarrolladas en Brown y su socioinstituciones, y fue probado en colaboración con la Universidad de Burdeos, Motac Neuroscience y el Hospital de la Universidad de Lausana.
"El sistema que hemos desarrollado utiliza señales registradas desde la corteza motora del cerebro para activar la estimulación eléctrica coordinada de los nervios en la columna que son responsables de la locomoción", dijo David Borton, profesor asistente de ingeniería en Brown y uno de los investigadores del estudio.coautores principales: "Con el sistema encendido, los animales en nuestro estudio tenían una locomoción casi normal".
El trabajo podría ayudar a desarrollar un sistema similar diseñado para humanos que han sufrido lesiones de la médula espinal.
"Hay evidencia que sugiere que un sistema de estimulación espinal controlado por el cerebro puede mejorar la rehabilitación después de una lesión de la médula espinal", dijo Borton. "Este es un paso hacia pruebas adicionales de esa posibilidad".
Grégoire Courtine, profesor de EPFL que dirigió la colaboración, ha comenzado ensayos clínicos en Suiza para probar la parte de la columna vertebral de la interfaz. Advierte: "Hay muchos desafíos por delante y pueden pasar varios años antes de que todos los componentes deesta intervención puede ser probada en personas "
Restablecimiento de la comunicación
Caminar es posible gracias a una interacción compleja entre las neuronas del cerebro y la médula espinal. Las señales eléctricas que se originan en la corteza motora del cerebro viajan hacia la región lumbar en la médula espinal inferior, donde activan las neuronas motoras que coordinan el movimiento de los músculosresponsable de extender y flexionar la pierna.
La lesión en la columna superior puede cortar la comunicación entre el cerebro y la médula espinal inferior. Tanto la corteza motora como las neuronas espinales pueden ser completamente funcionales, pero no pueden coordinar su actividad. El objetivo del estudio era restablecerestablecer algo de esa comunicación.
La interfaz cerebro-espinal usó una matriz de electrodos del tamaño de una píldora implantada en el cerebro para registrar señales de la corteza motora. La tecnología del sensor fue desarrollada en parte para uso investigativo en humanos por la colaboración BrainGate, un equipo de investigación que incluye a Brown,La Universidad Case Western Reserve, el Hospital General de Massachusetts, el Centro Médico Providence VA y la Universidad de Stanford. La tecnología se está utilizando en ensayos clínicos piloto en curso, y se utilizó anteriormente en un estudio dirigido por el neuroingeniero de Brown Leigh Hochberg en el que las personas con tetraplejia pudieronoperar un brazo robótico simplemente pensando en el movimiento de su propia mano.
Un neurosensor inalámbrico, desarrollado en el laboratorio de neuroingeniería del profesor Brown Arto Nurmikko por un equipo que incluía a Borton, envía las señales reunidas por el chip cerebral de forma inalámbrica a una computadora que las decodifica y las envía de forma inalámbrica a un estimulador espinal eléctrico implantado enla columna lumbar, debajo del área de la lesión. Esa estimulación eléctrica, administrada en patrones coordinados por el cerebro descodificado, envía señales a los nervios espinales que controlan la locomoción.
Para calibrar la decodificación de las señales cerebrales, los investigadores implantaron el sensor cerebral y el transmisor inalámbrico en macacos sanos. Las señales transmitidas por el sensor podrían mapearse en los movimientos de las patas de los animales. Mostraron que el decodificador podía predecir con precisiónlos estados cerebrales asociados con la extensión y flexión de los músculos de las piernas.
La capacidad de transmitir señales cerebrales de forma inalámbrica fue fundamental para este trabajo, dijo Borton. Los sistemas de detección cerebral con cables limitan la libertad de movimiento, lo que a su vez limita la información que los investigadores pueden reunir sobre la locomoción.
"Hacer esto de forma inalámbrica nos permite mapear la actividad neuronal en contextos normales y durante el comportamiento natural", dijo Borton. "Si realmente apuntamos a la neuroprotésica que algún día se pueda implementar para ayudar a pacientes humanos durante las actividades de la vida diaria, tales grabaciones sin ataduraslas tecnologías serán críticas "
Los investigadores combinaron su comprensión de cómo las señales cerebrales influyen en la locomoción con mapas espinales, desarrollados por el laboratorio de Courtine en EPFL, que identificaron los puntos neuronales en la columna vertebral responsables del control locomotor. Eso permitió al equipo identificar los circuitos neuronales que deberían ser estimuladospor el implante espinal.
Con estas piezas en su lugar, los investigadores probaron todo el sistema en dos macacos con lesiones que abarcaban la mitad de la médula espinal en su columna torácica. Los macacos con este tipo de lesión generalmente recuperan el control funcional de la pierna afectada durante un período demes más o menos, dijeron los investigadores. El equipo probó su sistema en las semanas posteriores a la lesión, cuando todavía no había control volitivo sobre la pierna afectada.
El estudio mostró que con el sistema encendido, los animales comenzaron a mover espontáneamente sus piernas mientras caminaban en una cinta de correr. Las comparaciones cinemáticas con controles sanos mostraron que los macacos lesionados, con la ayuda de la estimulación controlada por el cerebro, podían producir casipatrones locomotores normales.
Limitaciones y trabajo futuro
Si bien demostrar que el sistema funciona en un primate no humano es un paso importante, los investigadores enfatizaron que se debe hacer mucho más trabajo para comenzar a probar el sistema en humanos. También señalaron varias limitaciones en el estudio.
Por ejemplo, si bien el sistema utilizado en este estudio transmitió con éxito señales del cerebro a la columna vertebral, carece de la capacidad de devolver información sensorial al cerebro. El equipo tampoco pudo evaluar cuánta presión pudieron aplicar los animalesa la pierna afectada. Aunque estaba claro que la extremidad estaba soportando algo de peso, en este trabajo no estaba claro cuánto.
"En un estudio traslacional completo, nos gustaría hacer más cuantificación sobre qué tan equilibrado está el animal durante la caminata y medir las fuerzas que pueden aplicar", dijo Borton.
A pesar de las limitaciones, la investigación prepara el escenario para futuros estudios en primates y, en algún momento, potencialmente como una ayuda de rehabilitación en humanos.
"Hay un adagio en neurociencia que dice que los circuitos que se disparan juntos se unen", dijo Borton. "La idea aquí es que al unir el cerebro y la médula espinal, podemos mejorar el crecimiento de los circuitos durante la rehabilitación. Eso esuno de los principales objetivos de este trabajo y un objetivo de este campo en general "
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Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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