Un modelo 3D desarrollado por neurocientíficos de la Universidad de West Virginia muestra cómo los estimuladores implantables, del tipo que se usa para tratar el dolor crónico, pueden apuntar a las neuronas que controlan músculos específicos para brindar rehabilitación a personas con trastornos neurológicos como accidentes cerebrovasculares y lesiones de la médula espinal.
por Linda Skidmore, Universidad de Virginia Occidental
El estudio , incluido el modelo, se publicó en Communications Biology .
El dispositivo, implantado en la médula espinal o cerca de ella, funciona enviando una señal eléctrica a través de un cable delgado. Para tratar la parálisis, la estimulación se dirige a partes específicas de la médula espinal para ayudar a restaurar la función y el movimiento de los músculos. Sin embargo, la eficacia del dispositivo se ha visto limitada debido a una comprensión insuficiente de dónde se encuentran las motoneuronas que se conectan a músculos específicos dentro de la médula espinal.
«Si realmente queremos maximizar la utilidad de estos implantes, queremos poder seleccionar motoneuronas específicas que activen músculos específicos y ayuden con el movimiento de la manera correcta y en el momento adecuado», dijo Valeriya Gritsenko, profesora asociada en la Facultad de Medicina de WVU, los departamentos de Desempeño Humano: Fisioterapia, Neurociencia y el Instituto de Neurociencia Rockefeller. «Los científicos quieren utilizar un modelo para determinar dónde implantar este sistema».
Gritsenko planea liderar un equipo para construir modelos más sofisticados del sistema neuromuscular.
Con más estudios y pruebas, los investigadores esperan comprender mejor hasta qué punto estos dispositivos pueden mejorar la función muscular.
Para realizar el estudio, los investigadores primero crearon un modelo 3D de las ubicaciones de las motoneuronas en la médula espinal del macaco (un mono del Viejo Mundo) y lo compararon con el conocimiento actual de la médula espinal humana. También crearon modelos 3D de la anatomía musculoesquelética del macaco y la extremidad superior derecha humana y los compararon.
«Estábamos observando las diferencias y los cambios en la longitud de los músculos en diferentes posturas tanto en el modelo humano como en el modelo de mono», dijo Rachel Taitano, estudiante de doctorado en medicina y neurociencia de Fairfax, Virginia, y autora principal del estudio. «El modelo musculoesquelético del mono muestra que la biomecánica es similar a la de los humanos, aunque las especies tienen diferencias en los músculos que usan, los músculos que tienen y diferentes orientaciones y funcionalidades».
El estudio muestra una estrecha coincidencia en la distribución o profundidad de los grupos de motoneuronas a lo largo de la médula espinal en macacos y humanos. Esos hallazgos permitirán a los científicos ganar precisión en la administración del tratamiento.
«Algunos grupos de motoneuronas están más profundos dentro de la médula espinal y otros más cerca de la superficie», explicó Gritsenko. «Este modelo nos permite observar en profundidad dónde esos grupos de motoneuronas podrían estar más cerca de la superficie. Ahí es donde se necesita estimular para activar potencialmente esos músculos».
Gritsenko, quien fue el investigador principal, explicó que «conocer la organización espinal de los grupos de motoneuronas (grupos de células que se conectan a un solo músculo) puede revelar algo fascinante. Nuestro complejo sistema musculoesquelético ha evolucionado con el tiempo para permitir una amplia gama de movimientos». Vemos en todos los primates, incluidos nosotros los humanos. El equipo descubrió que nuestra médula espinal tiene ‘mapas’ incorporados que reflejan esta función compleja. Este ‘mapa’ ayuda a simplificar el control de nuestro complejo cuerpo por parte de la médula espinal. tener un piloto automático justo dentro de la columna vertebral».
Otro colega del proyecto, Sergiy Yakovenko, profesor asociado de la Facultad de Medicina de WVU, departamentos de Rendimiento Humano: Fisiología del Ejercicio, Neurociencia y RNI, ha realizado estudios similares sobre la anatomía de la médula espinal en animales cuadrúpedos. Los nuevos hallazgos muestran qué tan bien se conserva la anatomía de la médula espinal en los animales y qué tan fielmente refleja las acciones de los músculos.
Los resultados de un estudio de ciencia aplicada que se pueden utilizar para beneficiar a los pacientes en un entorno clínico es lo que, según Taitano, la atrajo al proyecto.
«Creo que podemos obtener mucha información a partir de estudios no invasivos», afirmó Taitano, licenciado en ingeniería biomédica. «Ahora que podemos aplicar estos hallazgos en la escala milimétrica y nanométrica, podemos fabricar dispositivos para aplicar lo que estamos viendo en un modelo como este».
Una vez completado el proyecto, Taitano pasa a la parte de su programa de grado médico este verano.
«La experiencia de Rachel fue fundamental para que el estudio fuera un éxito», afirmó Gritsenko. «Definitivamente me gustaría ver más de este tipo de colaboración interdisciplinaria con estudiantes de posgrado trabajando en proyectos con colegas de los departamentos de medicina e ingeniería».
Gritsenko dijo que los científicos de otras dos universidades han expresado interés en utilizar el modelo para explorar cómo se puede mejorar la tecnología de estimulación. También planea colaborar con un investigador de primates de otra universidad para validar los hallazgos del estudio en modelos animales.
«Queremos hacer una prueba de estimulación muscular basada en las predicciones del modelo y ver si obtenemos los resultados esperados», dijo. «Podemos intentarlo primero con monos y luego, si funciona, podemos probarlo con humanos para comprobar que es un buen modelo para guiar estas cirugías».
Más información: Rachel I. Taitano et al, La anatomía muscular se refleja en la organización espacial de los grupos de motoneuronas espinales, Communications Biology (2024). DOI: 10.1038/s42003-023-05742-w
Información de la revista: Biología de las Comunicaciones.
