En el caso de las personas con parálisis o amputación, existen sistemas neuroprotésicos destinados a estimulan artificialmente la contracción muscular a base de corriente eléctrica que pueden ayudarles a recuperar la función motriz de las extremidades. Sin embargo, pese a las amplias investigaciones en este ámbito que han venido desarrollándose en los últimos años, este tipo de dispositivos protésicos no suelen emplearse en exceso porque conllevan una rápida fatiga muscular y un control deficiente de la prótesis.
Con el fin de ofrecer una alternativa más cómoda y eficiente, los investigadores del MIT han desarrollado un nuevo enfoque que esperan que algún día pueda ofrecer un mejor control muscular con menor dosis de fatiga. En esta línea, en lugar de utilizar electricidad para estimular los músculos, plantean el empleo de luz. En su estudio desarrollado en ratones, los investigadores demostraron que esta técnica optogenética responde a un control muscular más preciso, en paralelo a una disminución drástica de la fatiga.
"Resulta que utilizando la luz, a través de la optogenética, se puede controlar el músculo de forma más natural. En términos de aplicación clínica, este tipo de interfaz podría tener una utilidad muy amplia”
El profesor de artes y ciencias de los medios, codirector del Centro de Biónica K. Lisa Yang del MIT y miembro asociado del MIT, Hugh Herr, afirma que “resulta que utilizando la luz, a través de la optogenética, se puede controlar el músculo de forma más natural. En términos de aplicación clínica, este tipo de interfaz podría tener una utilidad muy amplia”. De esta manera, la optogenética es un método basado en la ingeniería genética de células para expresar proteínas sensibles a la luz, lo que permite a los investigadores controlar la actividad de esas células exponiéndolas a la luz.
A pesar de todo, actualmente, este método no resulta factible en humanos, por lo que Herr, junto al graduado del MIT, Guillermo Herrera-Arcos, y sus colegas del Centro de Biónica K. Lisa Yang, están trabajando ahora en formas de administrar proteínas sensibles a la luz de manera segura y efectiva en el tejido humano. Durante décadas, los investigadores han estado explorando el uso de la estimulación eléctrica funcional (FES) para controlar los músculos del cuerpo. Este método implica implantar electrodos que estimulan las fibras nerviosas y provocan la contracción del músculo. Sin embargo, esta estimulación tiende a activar todo el músculo a la vez, que no es la forma en que el cuerpo humano controla naturalmente la contracción muscular.
En lugar de electrodos, decidieron intentar controlar la contracción muscular utilizando máquinas moleculares ópticas mediante optogenética en ratones como modelo animal
"Los seres humanos tienen esta increíble fidelidad de control que se logra mediante un reclutamiento natural del músculo, donde se reclutan unidades motoras pequeñas, luego de tamaño moderado y luego unidades motoras grandes, en ese orden, a medida que aumenta la intensidad de la señal", dice Herr. “Con FES, cuando se explota artificialmente el músculo con electricidad, las unidades más grandes se reclutan primero. Entonces, a medida que aumentas la señal, no obtienes fuerza al principio y luego, de repente, obtienes demasiada fuerza”.
Esta gran fuerza no sólo hace que sea más difícil lograr un control muscular fino, sino que también desgasta el músculo rápidamente, en cinco o 10 minutos. Así, el equipo del MIT quería ver si podían reemplazar toda esa interfaz por algo diferente. En lugar de electrodos, decidieron intentar controlar la contracción muscular utilizando máquinas moleculares ópticas mediante optogenética en ratones como modelo animal. Para los estudios, utilizaron ratones que ya habían sido modificados genéticamente para expresar una proteína sensible a la luz llamada canalrodopsina-2.
“A medida que cambiamos la estimulación óptica que entregamos al nervio, podemos controlar proporcionalmente, de forma casi lineal, la fuerza del músculo"
Implantaron una pequeña fuente de luz cerca del nervio tibial, que controla los músculos de la parte inferior de la pierna. Los investigadores midieron la fuerza muscular a medida que aumentaban gradualmente la cantidad de estimulación luminosa y descubrieron que, a diferencia de la estimulación FES, el control optogenético producía un aumento constante y gradual en la contracción del músculo. “A medida que cambiamos la estimulación óptica que entregamos al nervio, podemos controlar proporcionalmente, de forma casi lineal, la fuerza del músculo. Esto es similar a cómo las señales de nuestro cerebro controlan nuestros músculos. Debido a esto, resulta más fácil controlar el músculo en comparación con la estimulación eléctrica”, dice Herrera-Arcos.
RESISTENCIA ANTE LA FATIGA
Utilizando datos de esos experimentos, los investigadores crearon un modelo matemático de control muscular optogenético. Este modelo relaciona la cantidad de luz que ingresa al sistema con la salida del músculo (cuánta fuerza se genera). Así, descubrieron que los músculos podían estimularse durante más de una hora antes de fatigarse, mientras que los músculos mosrtaban señal de ahogatamiento después de sólo 15 minutos utilizando la estimulación FES.
Un obstáculo que los investigadores están tratando de superar es cómo introducir de forma segura proteínas sensibles a la luz en el tejido humano. Hace varios años, el laboratorio de Herr informó que en ratas, estas proteínas pueden desencadenar una respuesta inmune que inactiva las proteínas y también podría provocar atrofia muscular y muerte celular. "Se está realizando un esfuerzo múltiple para diseñar nuevas proteínas sensibles a la luz y estrategias para administrarlas, sin desencadenar una respuesta inmune", dice Herr.
"Esto podría conducir a una estrategia mínimamente invasiva que cambiaría las reglas del juego en términos de atención clínica a personas que padecen patologías de las extremidades"
Como paso adicional para llegar a los pacientes humanos, el laboratorio de Herr también está trabajando en nuevos sensores que puedan usarse para medir la fuerza y la longitud de los músculos, así como nuevas formas de implantar la fuente de luz. Si tiene éxito, los investigadores esperan que su estrategia pueda beneficiar a las personas que han sufrido accidentes cerebrovasculares, amputaciones de extremidades y lesiones de la médula espinal, así como a otras personas que tienen problemas para controlar sus extremidades.
"Esto podría conducir a una estrategia mínimamente invasiva que cambiaría las reglas del juego en términos de atención clínica a personas que padecen patologías de las extremidades", concluye Herr.