Cómo funciona la nueva técnica del MIT que permite el control muscular en prótesis mediante la luz

En un avance prometedor que podría transformar el campo de las neuroprótesis, investigadores del MIT han desarrollado una técnica innovadora para mejorar el control muscular y reducir la fatiga. Tradicionalmente, los sistemas neuroprotésicos han dependido de la estimulación eléctrica para inducir la contracción muscular en personas con parálisis o amputaciones.

Sin embargo, esta metodología ha sido limitada por la rápida fatiga muscular y el control deficiente que ofrece. En lugar de utilizar electricidad, el equipo del MIT ha explorado el uso de luz para estimular los músculos, empleando una técnica conocida como optogenética.

Este método implica la modificación genética de las células para que expresen proteínas sensibles a la luz, permitiendo a los investigadores controlar la actividad celular mediante la exposición a la luz.

“Utilizando la luz mediante la optogenética, es posible controlar el músculo de manera más natural. En términos de aplicación clínica, esta interfaz podría tener una utilidad muy amplia”, afirmó Hugh Herr, profesor de artes y ciencias de los medios, codirector del Centro de Biónica K. Lisa Yang del MIT y miembro asociado del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT.

En un estudio reciente realizado en ratones, los investigadores demostraron que la estimulación optogenética permite un control muscular más preciso y reduce significativamente la fatiga.

Utilizaron ratones modificados genéticamente para expresar una proteína sensible a la luz llamada canalrodopsina-2, los científicos implantaron una pequeña fuente de luz cerca del nervio tibial, que controla los músculos de la parte inferior de la pierna.

A medida que aumentaban gradualmente la estimulación luminosa, observaron que la contracción muscular aumentaba de manera constante y gradual, un resultado que contrasta con la estimulación eléctrica funcional (FES) tradicional.

El control optogenético no solo ofrece una mejor fidelidad de control, sino que también imita más de cerca el proceso natural de reclutamiento muscular en el cuerpo humano.

El equipo del MIT también creó un modelo matemático para relacionar la cantidad de luz introducida en el sistema con la fuerza muscular generada. Este modelo permitió diseñar un controlador de circuito cerrado que ajusta la estimulación luminosa en función de la fuerza ejercida por el músculo, prolongando la estimulación muscular durante más de una hora antes de que se presente la fatiga. Comparativamente, los músculos estimulados mediante FES se fatigaban después de solo 15 minutos.

Aplicaciones clínicas potenciales

La investigación del MIT en el campo de la optogenética no solo representa un avance tecnológico, sino también una esperanza renovada para las personas con parálisis, amputaciones y otras condiciones que afectan el control muscular. El nuevo enfoque podría ofrecer soluciones menos invasivas y más eficientes que las tecnologías actuales, abriendo la puerta a una amplia gama de aplicaciones clínicas.

Para las personas con parálisis o amputaciones, la capacidad de controlar los músculos de manera precisa y sostenida es crucial. Las prótesis actuales basadas en estimulación eléctrica a menudo provocan fatiga muscular rápida y un control inconsistente.

El método optogenético desarrollado por el MIT promete una estimulación más natural y gradual, similar a cómo el cerebro controla los músculos. Esto podría significar una mejora significativa en la calidad de vida de los pacientes, permitiéndoles realizar tareas cotidianas con mayor facilidad y precisión.

Los accidentes cerebrovasculares son una de las principales causas de discapacidad motora en adultos. La rehabilitación de los músculos afectados es un proceso largo y desafiante. La optogenética podría ofrecer una alternativa más efectiva para la recuperación funcional, proporcionando una herramienta para la reeducación de los músculos y la restauración del movimiento voluntario.

La posibilidad de ajustar la estimulación en tiempo real, basada en la respuesta muscular, permite un enfoque personalizado y adaptable para cada paciente.

Las lesiones de la médula espinal presentan desafíos únicos debido a la interrupción de las señales nerviosas entre el cerebro y los músculos. En este sentido, la tecnología optogenética podría superar algunos de estos obstáculos al proporcionar un medio directo para estimular los músculos sin necesidad de señales nerviosas intactas.

Además de las condiciones mencionadas, la optogenética tiene el potencial de beneficiar a personas con una variedad de trastornos del movimiento, como la distonía y la espasticidad, que resultan en contracciones musculares involuntarias, según indicaron los expertos. Al permitir un control más fino y menos fatigante de los músculos, esta tecnología podría ayudar a aliviar los síntomas y mejorar la función motora en estos pacientes.

El equipo del MIT está trabajando en diseñar nuevas proteínas sensibles a la luz y estrategias de administración que minimicen las respuestas inmunes. Además, está desarrollando nuevos sensores y formas de implantar las fuentes de luz necesarias para la estimulación optogenética. Estos avances son cruciales para la transición de esta tecnología de los estudios en animales a aplicaciones clínicas en humanos.

Esperanza para el Futuro

Si los investigadores del Centro de Biónica K. Lisa Yang tienen éxito en superar estos desafíos, la optogenética podría convertirse en una herramienta transformadora en la rehabilitación y el control muscular. La capacidad de controlar los músculos de manera precisa y sostenida, con una fatiga mínima, podría cambiar las reglas del juego para muchas personas que luchan con la movilidad y el control muscular debido a diversas condiciones médicas.

“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”, concluyeron los investigadores.