Una prótesis controlada por el sistema nervioso ayuda a los amputados a caminar con naturalidad

Utilizando una nueva interfaz entre la cirugía y las neuroprótesis, los investigadores del MIT, en colaboración con colegas del Brigham and Women’s Hospital, han demostrado que se puede lograr una marcha natural con una prótesis de pierna impulsada enteramente por el propio sistema nervioso del cuerpo. El procedimiento de amputación quirúrgica regenera los músculos del miembro restante, lo que permite a los pacientes recibir información «proprioceptiva» sobre dónde se encuentra su prótesis.

En un estudio de siete pacientes sometidos a esta 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 amputaciones tradicionales.

«Este es el primer estudio protésico en la historia que muestra una prótesis de pierna con modulación neuronal completa, donde emerge una marcha biomimética. Nadie ha podido mostrar el nivel de control cerebral que produce una marcha natural, donde el sistema nervioso humano controla la movimiento, en lugar de un algoritmo de control robótico», dice Hugh Herr, profesor de artes y ciencias de los medios, codirector del Centro de Biónica K. Lisa Young del MIT, miembro asociado del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT y autor principal del nuevo estudiar.

Los pacientes también experimentaron menos dolor y menos atrofia muscular después de esta cirugía, conocida como interfaz mioneural agonista-antagonista (IAM). Hasta ahora, alrededor de 60 pacientes en todo el mundo se han sometido a este tipo de cirugía, que también se puede realizar en personas con amputaciones de manos.

Hyungeun Song, postdoctorado en el MIT Media Lab, es el autor principal del próximo artículo. Medicina natural.

Retroalimentación sensorial

La mayoría de los movimientos de las extremidades están controlados por pares de músculos que se estiran y contraen alternativamente. Durante una amputación tradicional por debajo de la rodilla, se altera la interacción de estos pares de músculos. Esto hace que sea muy difícil para el sistema nervioso percibir la posición del músculo y la velocidad con la que se contrae, información sensorial que es esencial para que el cerebro decida cómo mover la extremidad.

Las personas con este tipo de amputación pueden tener dificultades para controlar su prótesis porque no pueden determinar exactamente dónde está la extremidad en el espacio. En cambio, dependen de controladores robóticos integrados en prótesis. Estas extremidades también tienen sensores que pueden detectar y adaptarse a pendientes y obstáculos.

Para ayudar a las personas a lograr una marcha natural con control total del sistema nervioso, Herr y sus colegas comenzaron a desarrollar la cirugía del IAM hace varios años. En lugar de interrumpir la interacción natural de los músculos agonistas y antagonistas, conectan los dos extremos de los músculos para que aún se comuniquen dinámicamente entre sí en la extremidad restante. Esta cirugía se puede realizar en el momento de la amputación primaria o se pueden volver a unir los músculos después de la amputación original como parte de un procedimiento de revisión.

«En el procedimiento de amputación de IAM intentamos, en la medida de lo posible, combinar agonistas locales con antagonistas locales de forma fisiológica, de modo que después de la amputación la persona pueda mover todo su miembro fantasma con un nivel fisiológico de propiocepción y rango de movimiento». dice el señor.

En un estudio de 2021, el laboratorio de Herr descubrió que los pacientes que se sometieron a esta cirugía podían controlar con mayor precisión los músculos del miembro amputado y que esos músculos producían señales eléctricas similares a las de su miembro intacto.

Tras estos alentadores resultados, los investigadores decidieron investigar si estas señales eléctricas podrían generar comandos para la prótesis y al mismo tiempo proporcionar información al usuario sobre la posición de la extremidad en el espacio. Una persona que lleva una prótesis podría utilizar esta retroalimentación propioceptiva para ajustar voluntariamente su marcha según sea necesario.

en el nuevo Medicina natural En el estudio, el equipo del MIT descubrió que esta retroalimentación sensorial en realidad se traduce en una capacidad suave, casi natural, para caminar y sortear obstáculos.

«Gracias a la interfaz neuroprotésica AMI, pudimos mejorar la transmisión de señales de estas neuronas mientras preservamos todo lo que pudimos. Fue capaz de restaurar la capacidad del nervio humano para controlar de forma continua y directa la marcha completa a diferentes velocidades al caminar, escaleras, pendientes, incluso cruzando obstáculos», dice Song.

Un curso natural

En este estudio, los investigadores compararon a siete personas que se sometieron a una cirugía de IAM con siete que se sometieron a amputaciones tradicionales debajo de la rodilla. Todos los sujetos utilizaron el mismo tipo de extremidad biónica: una prótesis con un tobillo accionado, así como electrodos que pueden captar señales de electromiografía (EMG) de los músculos gastrocnemios anteriores de la tibia. Estas señales se introducen en un controlador robótico que ayuda a la prótesis a calcular cuánto flexionar el tobillo, cuánto torque aplicar o cuánta potencia transmitir.

Los investigadores probaron a los sujetos en varias situaciones diferentes: caminar sobre una superficie plana a lo largo de una pista de 10 metros, caminar sobre una pendiente, caminar sobre una rampa, subir y bajar escaleras y caminar sobre una superficie plana evitando obstáculos.

En todas estas tareas, las personas con una interfaz neuroprotésica para IAM pudieron caminar más rápido (aproximadamente la misma velocidad que las personas sin amputaciones) y sortear obstáculos más fácilmente. También mostraron movimientos más naturales, como mover sus dedos protésicos hacia arriba al subir escaleras o superar un obstáculo, y pudieron coordinar mejor los movimientos de su extremidad protésica e intacta. También pudieron impulsarse del suelo con la misma fuerza que alguien sin amputación.

«Con la cohorte AMI, vimos surgir comportamientos biomiméticos naturales», dice Herr. «La cohorte sin IAM podía caminar, pero los movimientos protésicos no eran naturales y, en general, sus movimientos eran más lentos».

Estos fenómenos de comportamiento naturales aparecieron incluso cuando la retroalimentación sensorial proporcionada por el AMI era menos del 20 por ciento de lo que normalmente recibirían las personas no amputadas.

«Uno de los hallazgos clave aquí es que un pequeño aumento en la retroalimentación neuronal de la extremidad amputada puede restaurar una capacidad de control significativa de las neuronas biónicas hasta el punto en que se permite a las personas controlar neuronalmente directamente la velocidad al caminar, adaptarse a diferentes terrenos y evitar obstáculos». La canción dice.

«Este trabajo es un paso más para mostrar lo que es posible restaurar la función de los pacientes que sufren lesiones graves en las extremidades. A través de esfuerzos colaborativos como este, podemos lograr avances transformadores en la atención al paciente», afirma Matthew. Carthy, cirujano del Brigham and Women’s Hospital y profesor asociado de la Facultad de Medicina de Harvard, que también es autor de este artículo.

Permitir el control neuronal por parte de la persona que usa la extremidad es un paso hacia el objetivo del laboratorio de Herr de «rehacer los cuerpos humanos» en lugar de hacer que las personas dependan de controladores y sensores robóticos cada vez más complejos, herramientas que son poderosas pero que no se sienten parte del cuerpo del usuario. .

«El problema con este enfoque a largo plazo es que el usuario nunca se sentirá encarnado con su prótesis. Nunca verá la prótesis como una parte de su cuerpo, una parte de sí mismo», dice Herr. «El enfoque que estamos adoptando es intentar conectar de manera integral el cerebro humano con la electromecánica».

El estudio fue financiado por el Centro de Biónica K. Lisa Yang del MIT, el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares, una Beca de Investigación Médica de la Fundación de Educación para la Investigación Neuroquirúrgica y el Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano Eunice Kennedy Shriver.