Logran controlar los músculos por medio de la luz como alternativa a las prótesis

Como ciencia ficción, pero tan real como una demostración en ratones, así ha sido la experiencia de un grupo de científicos al lograr controlar los músculos a través de la luz como alternativa a las prótesis. Un paso inédito para personas con parálisis o amputación. Los sistemas neuroprotésicos que estimulan artificialmente la contracción muscular con corriente eléctrica pueden ayudarles a recuperar la función de las extremidades. Sin embargo, a pesar de muchos años de investigación, este tipo de prótesis no se utiliza mucho porque provoca una rápida fatiga muscular y un control deficiente.

Ahora, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusettshan (MIT) de Estados Unidos han desarrollado un nuevo enfoque que esperan que algún día pueda ofrecer un mejor control muscular con menos fatiga.

En lugar de utilizar electricidad para estimular los músculos, utilizaron luz. En un estudio en ratones, los investigadores demostraron que esta técnica optogenética ofrece un control muscular más preciso, junto con 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», afirma Hugh Herr, profesor de artes y ciencias de los medios, codirector del Centro de Biónica K. Lisa Yang del MIT y miembro asociado del MIT.

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. Actualmente, este enfoque no es factible en humanos, pero Herr, el estudiante 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. Herr es el autor principal del estudio, que aparece en Science Robotics.

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.

«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», señala 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», añade.

Esta gran fuerza no sólo hace que sea más difícil lograr un control muscular preciso, sino que también desgasta el músculo rápidamente, en cinco o diez minutos.

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.

Utilizando ratones como modelo animal, los investigadores compararon la cantidad de fuerza muscular que podían generar utilizando el enfoque tradicional FES con las fuerzas generadas por su método optogenético. Para los estudios optogenéticos, utilizaron ratones que ya habían sido modificados genéticamente para expresar una proteína sensible a la luz llamada canalrodopsina-2. 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.

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).

Este modelo matemático permitió a los investigadores diseñar un controlador de circuito cerrado. En este tipo de sistema, el controlador envía una señal de estimulación y, después de que el músculo se contrae, un sensor puede detectar cuánta fuerza está ejerciendo el músculo. Esta información se envía de vuelta al controlador, que calcula si es necesario ajustar la estimulación de la luz y en qué medida para alcanzar la fuerza deseada.