Para las personas con parálisis los sistemas neuroprotésicos que estimulan artificialmente la contracción muscular con corriente eléctrica para accionar los miembros paralizados pueden ayudarles a recuperar la funcionalidad de las extremidades, pero a pesar del desarrollo significativo en esta área las limitaciones que presenta en el paciente, como rápido cansancio muscular y control deficiente, impiden su adopción masiva.
En una nueva alternativa para estos pacientes un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), que lideran el ingeniero biofísico Hugh Herr y el investigador mexicano experto en biomecatrónica Guillermo Herrera-Arcos, presentó en la revista Science Robotics un nuevo método que en lugar de utilizar electricidad para activar los músculos usa la optogenética, una técnica que emplea luz para controlar la actividad muscular.
Y aunque esta técnica se ha utilizado principalmente en investigaciones neurológicas y cerebrales, su aplicación en el campo de la neuroprótesis abre nuevas posibilidades para el manejo de desórdenes motrices.
Así, en un estudio con ratones los investigadores demostraron que esta técnica optogenética ofrece un control más preciso de los músculos, junto con una disminución drástica de la fatiga en comparación con la estimulación eléctrica.
Rendimiento
El profesor Herrera-Arcos explica que “con la optogenética el control de neuronas motoras y músculos es similar a la manera en la que lo hace nuestro cerebro. En cambio, con la estimulación eléctrica este control no es natural, por lo cual resulta impreciso y causa fatiga muscular”.
Por ende, afirma, “nuestro sistema puede realizar este control con alta precisión y sin agotamiento durante mucho tiempo”.
A su vez, el profesor Herr asevera que en términos de aplicación clínica este tipo de interfaz podría tener una utilidad muy amplia.
En el estudio los ratones fueron genéticamente modificados para expresar una proteína sensible a la luz llamada canalrodopsina-2. Al implantar una pequeña fuente de luz cerca del nervio tibial, que controla los músculos de la pierna inferior, los investigadores pudieron regular la fuerza muscular con mucha más precisión.
Los científicos midieron la fuerza muscular a medida que aumentaban gradualmente la cantidad de estimulación de la luz y encontraron que a diferencia de la estimulación eléctrica el control optogenético produjo un aumento constante y gradual de la contracción del músculo.
“A medida que cambiamos la estimulación óptica que entregamos al nervio podemos controlar proporcionalmente, de una manera casi lineal, la fuerza del músculo. Esto es similar a la forma en que las señales de nuestro cerebro controlan nuestros músculos. Debido a esto se vuelve más fácil controlar el músculo en comparación con la estimulación eléctrica”, puntualiza Herrera-Arcos.
Por tanto, una de las principales ventajas observadas en el estudio fue la capacidad de aumentar la fuerza muscular de manera gradual y proporcional a la intensidad de la luz aplicada.
Esta característica no solo mejora la precisión del control muscular, sino que también reduce significativamente la fatiga muscular. En comparación, los músculos estimulados eléctricamente se cansaban después de solo 15 minutos, mientras que los músculos controlados optogenéticamente podían funcionar más de una hora sin signos significativos de fatiga.
No obstante, a pesar de los prometedores resultados, la aplicación de la optogenética en humanos aún enfrenta grandes desafíos. Uno de los mayores obstáculos es la entrega segura y efectiva de las proteínas sensibles a la luz en tejidos humanos. Investigaciones previas han mostrado que estas proteínas pueden desencadenar respuestas inmunitarias que no solo inactivan las proteínas, sino que también podrían conducir a la atrofia muscular, por lo que los científicos trabajan activamente en el diseño de nuevas proteínas y estrategias de entrega que eviten estas respuestas inmunitarias.
Ventajas
Herrera-Arcos señala que en muchas de las condiciones en las que hay parálisis los músculos están sanos, pero no reciben una señal de cuándo y cómo deben moverse. Por ello, apunta, cuando se mejore este sistema “las señales que normalmente tendrían que venir del cerebro serían reemplazadas por pulsos de luz que indicarían a los músculos cuándo y cómo moverse”.
El propósito final del equipo del MIT con la aplicación de la optogenética es “recuperar el funcionamiento de músculos en personas con parálisis y en aquellas que hayan sufrido una amputación. En estas últimas se podría utilizar para estimular músculos en respuesta a movimientos de la prótesis y devolver sensaciones”, agrega.
Para la comunidad científica el desarrollo de neuroprótesis controladas por optogenética representa un avance significativo en la tecnología de asistencia a personas con discapacidades motoras, ya que ofrece nuevas esperanzas y posibilidades para aquellos que buscan recuperar la funcionalidad y la autonomía en sus vidas.
El desarrollo, agregan, no solo promete mejorar la calidad de vida de los pacientes, sino que también podría revolucionar el campo de la medicina de rehabilitación y la ingeniería biomédica.