Una prótesis impulsada por el sistema nervioso ayuda a las personas amputadas a caminar de forma natural
Un nuevo procedimiento quirúrgico proporciona a las personas con amputaciones en los miembros inferiores unas mayor retroalimentación neuronal de su muñón. Con la nueva prótesis, siete pacientes lograron caminaron con mayor naturalidad y sortearon obstáculos.
Por Anne Trafton / MIT News
Los pacientes informaron de que sufrían menos dolor y menos atrofia muscular después de la cirugía pionera requerida para el control de la pierna biónica. Cortesía: Hugh Herr and Hyungeun Song
Las prótesis más modernas pueden ayudar a las personas con amputaciones en las piernas a caminar de forma natural, pero no proporcionan al usuario un control neural total sobre la extremidad inferior. En su lugar, se basan en sensores y controladores robóticos que mueven la extremidad mediante algoritmos de marcha predefinidos.
Mediante un nuevo tipo de intervención quirúrgica e interfaz neuroprotésica, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en colaboración con colegas del Brigham and Women's Hospital, en Estados Unidos, han demostrado que es posible caminar de forma natural con una pierna protésica controlada totalmente por el sistema nervioso del propio cuerpo. El procedimiento quirúrgico de amputación reconecta los músculos del muñón, lo que permite a los pacientes recibir información propioceptiva sobre la posición de su prótesis en el espacio.
Recordemos que la propiocepción es la capacidad que tiene el cuerpo de detectar la posición y el movimiento de las articulaciones y partes del cuerpo en el espacio. Este sentido se conoce también como sentido de la posición o sentido cinestésico. La propiocepción es crucial para el movimiento coordinado y el equilibrio, ya que permite al cuerpo realizar actividades sin necesidad de observación visual directa.
Los pacientes podían caminar más rápido, evitar obstáculos y subir escaleras de forma mucho más natural
Los receptores sensoriales que contribuyen a la propiocepción se encuentran en los músculos, tendones, y articulaciones. Estos receptores envían información al cerebro sobre el grado de tensión muscular y la posición de las partes del cuerpo, lo que permite ajustes en tiempo real para mantener la postura y realizar movimientos precisos.
En un estudio con siete pacientes que se sometieron a la nueva cirugía, el equipo del MIT descubrió que podían caminar más rápido, evitar obstáculos y subir escaleras de forma mucho más natural que las personas con una amputación tradicional.
"Este es el primer estudio protésico de la historia que muestra una prótesis de pierna bajo modulación neural completa, donde emerge una marcha biomimética —dice Hugh Herr, profesor de Artes y Ciencias de los mMedios de Comunicación, codirector del Centro K. Lisa Yang de Biónica del MIT, miembro asociado del Instituto McGovern de Investigación del Cerebro del MIT y autor principal del nuevo trabajo. Y añade—: Nadie ha sido capaz de demostrar este nivel de control cerebral que produce una marcha natural, en la que el sistema nervioso humano controla el movimiento, no un algoritmo de control robótico".
Menos dolor y menos atrofia muscular después de someterse a la nueva cirugía
Los pacientes también experimentaron menos dolor y menos atrofia muscular después de esta cirugía, que se conoce como interfaz mioneural agonista-antagonista (IAM). Hasta ahora, alrededor de sesenta pacientes en todo el mundo han recibido este tipo de cirugía, que también se puede aplicar a personas con amputaciones de brazos, según Hyungeun Song, postdoctorado en el Media Lab del MIT y autor principal del artículo, que aparece publicado en Nature Medicine.
La mayor parte del movimiento de las extremidades está controlado por pares de músculos que se turnan para estirarse y contraerse. Durante una amputación tradicional por debajo de la rodilla, se interrumpen las interacciones de estos músculos emparejados. Esto hace que sea muy difícil para el sistema nervioso detectar la posición de un músculo y cómo de rápido se contrae, información sensorial que es fundamental para que el cerebro decida cómo mover la extremidad.
Las personas con este tipo de amputación pueden tener problemas para controlar su extremidad protésica, porque no pueden sentir con precisión dónde está la extremidad en el espacio. En su lugar, se basan en controladores robóticos integrados en la extremidad protésica. Esta también incluye sensores que pueden detectar y ajustarse a pendientes y obstáculos.
En lugar de cortar las interacciones musculares naturales agonista-antagonista, la nueva cirugía protésica conecta los dos extremos de los músculos para que sigan comunicándose dinámicamente entre sí dentro del muñón. Cortesía: Hugh Herr and Hyungeun Song
Para intentar ayudar a las personas a conseguir una marcha natural bajo el control total del sistema nervioso, Herr y sus colegas empezaron a desarrollar la cirugía AMI hace varios años. En lugar de cortar las interacciones musculares naturales agonista-antagonista, conectan los dos extremos de los músculos para que sigan comunicándose dinámicamente entre sí dentro del muñón. Esta intervención puede o bien realizarse durante una amputación primaria, o bien los músculos pueden volver a conectarse después de la amputación inicial como parte de un procedimiento de revisión.
"Con el procedimiento de amputación AMI intentamos, en la medida de lo posible, conectar los agonistas nativos con los antagonistas nativos de forma fisiológica para que, tras la amputación, la persona pueda mover todo su miembro fantasma con niveles fisiológicos de propiocepción y amplitud de movimiento", afirma Herr.
Un mayor control de los músculos de la zona amputada
En un estudio de 2021, el laboratorio de Herr descubrió que los pacientes que se sometieron a esta cirugía pudieron controlar con mayor precisión los músculos de su extremidad amputada, y que esos músculos producían señales eléctricas similares a las de su extremidad intacta.
Después de esos resultados alentadores, los investigadores se propusieron explorar si esas señales eléctricas podrían generar comandos para una extremidad protésica y, al mismo tiempo, dar al usuario información sobre la posición de la extremidad en el espacio. La persona que lleva la prótesis podría utilizar esa retroalimentación propioceptiva para ajustar de forma voluntaria su marcha según las necesidades.
En el nuevo estudio de Nature Medicine, el equipo del MIT descubrió que esta retroalimentación sensorial se traducía en una capacidad suave y casi natural para caminar y sortear obstáculos.
"Gracias a la interfaz neuroprotésica AMI, pudimos potenciar esa señalización neuronal, preservando todo lo que pudimos. Así pudimos restablecer la capacidad neuronal de una persona para controlar de forma continua y directa la marcha completa, a través de diferentes velocidades de marcha, escaleras, pendientes, incluso pasando por encima de obstáculos", afirma Song.
Una marcha natural
Para este estudio, los investigadores compararon a siete personas que se habían sometido a la cirugía AMI con otras siete que habían sufrido amputaciones tradicionales por debajo de la rodilla. Todos los sujetos utilizaron el mismo tipo de miembro biónico: una prótesis con un tobillo motorizado y electrodos capaces de captar las señales electromiográficas (EMG) de los músculos tibial anterior y gastrocnemio. Estas señales se envían a un controlador robótico que ayuda a la prótesis a calcular cuánto flexionar el tobillo, cuánta torsión aplicar o cuánta potencia suministrar.
Los investigadores sometieron a los sujetos a diversas pruebas: caminar a nivel del suelo por un sendero de 10 metros, subir una pendiente, bajar una rampa, subir y bajar escaleras y caminar sobre una superficie plana sorteando obstáculos.
En todas estas tareas, las personas con la interfaz neuroprotésica AMI pudieron caminar más rápido, aproximadamente al mismo ritmo que las personas sin amputaciones, y sortear los obstáculos con mayor facilidad. También mostraron movimientos más naturales, como apuntar los dedos de los pies de la prótesis hacia arriba mientras subían escaleras o pasaban por encima de un obstáculo, y fueron más capaces de coordinar los movimientos de su prótesis y su extremidad intacta. También fueron capaces de levantarse del suelo con la misma fuerza que alguien sin una amputación.
La tecnología AMI permite que las personas controlen directamente la velocidad de caminar, se adapten a diferentes terrenos y eviten obstáculos
"Con la cohorte de AMI, vimos surgir comportamientos biomiméticos naturales —dice Herr. Y añade—: La cohorte que no tenía el IAM podía caminar, pero los movimientos protésicos no eran naturales y sus movimientos eran generalmente más lentos".
Estos comportamientos naturales surgieron a pesar de que la cantidad de retroalimentación sensorial proporcionada por el IAM era menos del 20% de lo que normalmente se recibiría en personas sin una amputación.
"Uno de los principales hallazgos aquí es que un pequeño aumento en la retroalimentación neuronal de la extremidad amputada puede restaurar una capacidad de control neuronal biónica significativa, hasta un punto en el que permite que las personas controlen directamente la velocidad de caminar, se adapten a diferentes terrenos y eviten obstáculos", dice Song.
"Este trabajo representa un paso más en nuestra demostración de lo que es posible en términos de restablecimiento de la función en pacientes que sufren lesiones graves en las extremidades. Gracias a esfuerzos de colaboración como éste podemos lograr avances transformadores en la atención a los pacientes", afirma Matthew Carty, cirujano del Brigham and Women's Hospital y profesor de la Facultad de Medicina de Harvard. También es autor del artículo.
Un paso hacia el objetivo de "reconstruir cuerpos humanos"
Permitir el control neural por parte de la persona que utiliza la extremidad es un paso hacia el objetivo del laboratorio de Herr de "reconstruir cuerpos humanos", en lugar de que las personas dependan de controladores y sensores robóticos cada vez más sofisticados, herramientas potentes pero que no se sienten parte del cuerpo del usuario.
"El problema de este planteamiento a largo plazo es que el usuario nunca se sentiría identificado con su prótesis. Nunca vería la prótesis como parte de su cuerpo, parte de sí mismo —afirma Herr. Y concluye—: El enfoque que estamos adoptando es intentar conectar de forma integral el cerebro del ser humano con la electromecánica". ▪️
Artículo reproducido con el permiso de MIT News -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Song, H., Hsieh, TH., Yeon, S.H. et al. Continuous neural control of a bionic limb restores biomimetic gait after amputation. Nature Medicine (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41591-024-02994-9
