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Fusionando a la perfección al hombre y la máquina
Un nuevo implante sembrado con células musculares podría integrar mejor las prótesis con el cuerpo, permitiendo a los amputados un mayor control sobre los apéndices robóticos. La construcción, desarrollada en la Universidad de Michigan, consta de pequeñas copas, hechas de un polímero conductor de electricidad, que encajan en las terminaciones nerviosas y atraen los nervios cortados. Las señales eléctricas que provienen del nervio se pueden traducir y utilizar para mover la extremidad.
Interfaz viva: Las células musculares (que se muestran aquí) se cultivan en un andamio biológico. Los nervios cortados que quedan de la extremidad perdida se conectan a las células musculares en la interfaz, que transmite señales eléctricas que pueden usarse para controlar el brazo artificial.
Parece que podría ser una forma elegante de controlar una prótesis con un movimiento fino, dice Rutledge Ellis-Behnke, un científico del MIT que no participó en la investigación. En lugar de tener una gran y tonta pieza de plástico atada al brazo, podría tener una herramienta integrada que se sienta como parte del cuerpo.
Hoy en día, el movimiento de la mayoría de las prótesis requiere esfuerzo y es limitado. Las extremidades se controlan mediante el movimiento consciente del músculo restante; por ejemplo, el usuario puede contraer un músculo del pecho para mover el brazo en una dirección determinada. Conectar los nervios residuales directamente a las extremidades artificiales proporcionaría una forma más intuitiva de controlarlos. Pero los esfuerzos para construir interfaces de nervios periféricos se han visto obstaculizados en gran parte por el crecimiento de tejido cicatricial, que limita la utilidad y durabilidad de los dispositivos implantados.
El método más exitoso para controlar una prótesis hasta la fecha es un procedimiento quirúrgico en el que los nervios que estaban previamente unidos a los músculos en un brazo y una mano perdidos se trasplantan al tórax. Cuando el usuario piensa en mover la mano, los músculos del pecho se contraen y esas señales se utilizan para controlar la extremidad. Si bien es una gran mejora con respecto a los métodos existentes, este enfoque aún proporciona un nivel limitado de control: solo se pueden trasplantar alrededor de cinco nervios al tórax.
La nueva interfaz, desarrollada por cirujano plástico Paul Cederna y colegas, se basa en este concepto, utilizando células musculares trasplantadas como objetivos en lugar de músculos intactos. Después de que se corta una extremidad, los nervios que originalmente se unieron a ella continúan brotando, en busca de un nuevo músculo con el que conectarse. (Este proceso biológico a veces puede crear nudos dolorosos de tejido nervioso, llamados neuromas, en la punta de la extremidad amputada). El nervio envía constantemente señales corriente abajo para decirle a la mano qué hacer, incluso si la mano no está allí, dice Cederna. Podemos interpretar esas señales y usarlas para ejecutar una prótesis.
La interfaz consiste en una pequeña estructura en forma de copa de aproximadamente una décima de milímetro de diámetro que se implanta quirúrgicamente en el extremo del nervio, transmitiendo señales motoras y sensoriales desde el nervio a la prótesis. Dentro de la copa hay un andamio de tejido biológico sembrado con células musculares; debido a que los nervios motores y sensoriales hacen conexiones con el músculo en el tejido sano, las células musculares proporcionan un objetivo natural para las terminaciones nerviosas errantes. El nervio cortado crece dentro de la copa y se conecta a las células, transmitiendo señales eléctricas desde el cerebro. Debido a que está recubierto con un polímero eléctricamente activo, la copa actúa como un cable para captar señales eléctricas y transmitirlas a una extremidad robótica. El equipo de Cederna no desarrolla prótesis por sí mismo, pero dice que las señales podrían transmitirse a través de la tecnología inalámbrica existente.
Hasta ahora, los científicos han probado la interfaz en roedores con un nervio periférico cortado, lo que demuestra que el nervio crecerá en la copa y hará conexiones con las células musculares. Si pueden mantener intacto el extremo de la neurona en esa área, eso es un gran avance, dice Ellis-Behnke. Los nervios de las ratas son aproximadamente del mismo tamaño que los que serían el objetivo de los humanos. La investigación fue presentada hoy en una conferencia de la Colegio Americano de Cirujanos en Chicago.
El dispositivo también puede devolver la sensación a los nervios sensoriales, que transmiten calor, presión y otra información de la piel al cerebro. Al igual que los nervios motores, los nervios sensoriales hacen conexiones con las células musculares de la copa. En pruebas con roedores, los científicos obtuvieron dos nervios en un solo animal: uno motor y otro sensorial. Si bien la rata no tenía una prótesis, los científicos pudieron demostrar que el implante podía tender un puente sobre el nervio cortado, transmitiendo mensajes neuronales a través de él; hacer cosquillas en la pata de la rata desencadenaba la actividad de las células musculares en el implante.
La capacidad sensorial es un componente importante que falta en las prótesis de hoy: la retroalimentación táctil, de presión y de temperatura es vital para levantar un huevo frágil o una sartén caliente. En última instancia, las extremidades protésicas podrían equiparse con sensores de calor o presión que podrían transmitir esa información a las células musculares en la interfaz y permitir que esta información se envíe al cerebro.
La investigación se encuentra todavía en sus primeras etapas y quedan varias preguntas por responder. Necesitamos averiguar cuánto tiempo tardan las conexiones en volverse funcionales y cuál será la durabilidad y robustez, dice Joseph Pancrazio , director de programa del Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares, que no participó en la investigación. Pero parece muy emocionante. La investigación está financiada por el Departamento de Defensa.
Uno de los principales problemas con los implantes neurales hasta la fecha ha sido la estabilidad de los dispositivos, porque los electrodos implantados a menudo se recubren de tejido cicatricial y dejan de funcionar. Hasta ahora, durante los seis meses que los científicos han estado evaluando las interfaces en ratas, no ha habido signos de cicatrices. Si bien los científicos no están seguros de por qué, puede ser que la copa proteja al implante de las reacciones inflamatorias que conducen a la formación de cicatrices, o que proporcionar un objetivo para las células nerviosas amortigua estas reacciones por completo al recrear un entorno más normal para el nervio amputado. Los investigadores ahora están monitoreando los implantes a diario para determinar su durabilidad en el tiempo.
Sin embargo, un hallazgo inicial particularmente prometedor es que el tejido que rodea la interfaz desarrolla nuevos vasos sanguíneos para alimentar las células musculares implantadas, proporcionándoles los nutrientes que necesitan para sobrevivir.
Todavía no está claro cuántos de estos casquetes nerviosos necesitarían los pacientes para un control adecuado de una extremidad artificial sofisticada. Alguien que haya perdido el brazo a la altura del hombro, por ejemplo, necesitaría suficientes nervios para flexionar y extender el codo, la muñeca y los dedos, así como los de los nervios sensoriales. El único límite, dice Cederna, será qué tan alta tecnología puedan hacer las prótesis.