Miembros biónicos controlados por el cerebro se están acercando más a la realidad

La palabra "biónico" evoca visiones de ciencia ficción de humanos mejorados a niveles sobrehumanos. Es cierto que avances en ingeniería como mejores motores y baterías, junto con la informática moderna, significan que los sistemas mecánicos y electrónicos requeridos ya no son una barrera para prótesis avanzadas. Pero el campo ha tenido dificultades para integrar estas potentes máquinas con el cuerpo humano. Eso está empezando a cambiar. Un ensayo reciente probó una nueva técnica de integración, que implica reconstruir quirúrgicamente pares de músculos que dan a los receptores una sensación de la posición y movimiento de un miembro biónico. Las señales de esos músculos controlan las articulaciones robóticas, por lo que la prótesis está totalmente controlada por el cerebro del usuario. El sistema permitió a personas con amputaciones debajo de la rodilla caminar de forma más natural y navegar mejor pendientes, escaleras y obstáculos, informaron los investigadores en la revista Nature Medicine de julio. Los ingenieros han visto tradicionalmente a la biología como una limitación fija que se debe superar mediante la ingeniería, dice el bioingeniero Tyler Clites, quien ayudó a desarrollar la técnica hace varios años en el MIT. "Pero si vemos el cuerpo como parte del sistema a ser ingenierizado, en paralelo con la máquina, las dos podrán interactuar mejor". Esa perspectiva impulsa una ola de técnicas que vuelven a ingeniar el cuerpo para integrarlo mejor con la máquina. Clites, ahora en la UCLA, llama a esas técnicas "anatómicas", para distinguirlas de la biónica tradicional. "El problema con el que estábamos lidiando no era un problema de ingeniería", dice. "La forma en que se había manipulado el cuerpo durante la amputación no lo dejaba en posición de controlar los miembros que estábamos creando". En un enfoque anatómico, los huesos se explotan para proporcionar anclajes estables; los nervios se reenrutan para crear señales de control para miembros robóticos o transmitir retroalimentación sensorial; los músculos se aprovechan como amplificadores biológicos o se injertan en su lugar para proporcionar más fuentes de señal. Estas técnicas mejoran la conexión y comunicación entre un miembro robótico y el sistema nervioso humano, mejorando lo que las prótesis biónicas son capaces de hacer. Los dispositivos basados en anatomía han tardado en salir de los laboratorios y llegar al ámbito comercial y clínico. Pero algunos dicen que el campo nos está acercando más a esa visión de ciencia ficción de miembros biónicos controlados por el cerebro de manera perfectamente integrada, especialmente a medida que más avances se avecinan. Aquí hay un vistazo más detallado a cómo los investigadores están buscando unir cuerpo y máquina. La propiocepción, la conciencia del cuerpo en el espacio, es un sentido complicado de restaurar, pero es importante para el movimiento, especialmente al caminar. Los músculos envían señales a nuestro cerebro sobre dónde está nuestro cuerpo, cómo se está moviendo y qué fuerzas enfrenta. Estas señales se generan principalmente por músculos acoplados llamados pares agonista-antagonista, donde uno se contrae mientras el otro se estira. En una amputación tradicional, esta retroalimentación importante se descarta. Pero la técnica informada en el estudio de julio, conocida como interfaz mio-neural agonista-antagonista, o AMI, reconstruye quirúrgicamente estos pares de empuje-tiro y utiliza las señales que generan para controlar las articulaciones protésicas. El procedimiento permite a un receptor "sentir" su miembro protésico. "Cuando la prótesis se mueve, la persona realmente siente ese movimiento como una sensación propioceptiva natural", dice el biónico del MIT Hugh Herr, quien desarrolló la técnica junto a Clites y el cirujano del equipo, Matthew Carty. El estudio reciente fue parte de un ensayo clínico que Herr y sus colegas están llevando a cabo, donde probaron la técnica en 14 personas con amputación debajo de la rodilla. Siete participantes se habían sometido al procedimiento AMI, mientras que los demás tenían amputaciones estándar. Los receptores del sistema basado en AMI aumentaron su velocidad de caminata en aproximadamente un 40 por ciento, de 1,26 metros por segundo a 1,78 metros por segundo, encontraron los investigadores, una tasa comparable a la de personas sin amputación. Las quejas más comunes de los usuarios de prótesis involucran dolor e incomodidad. Un importante fuente de incomodidad es el punto de conexión. "Muchos de los problemas con el uso de prótesis están relacionados con la cápsula", dice la bioingeniera Cindy Chestek de la Universidad de Michigan en Ann Arbor. La carne blanda no es adecuada para transferir cargas a la parte del cuerpo diseñada para ese trabajo: los huesos. La tensión resultante puede causar daño en los tejidos y, inevitablemente, incomodidad, a veces llevando a los usuarios a abandonar su dispositivo. Una técnica llamada osseointegración explota el hecho de que ciertos metales se unen con el hueso. Un perno de titanio insertado en el esqueleto ancla la prótesis en su lugar, proporcionando mayor fuerza, estabilidad y comodidad. "Hay una razón por la que tenemos esqueletos", dice Chestek.

El procedimiento se llevó a cabo por primera vez en 1990, pero no fue ampliamente aceptado y clínicamente disponible hasta la última década. Un sistema de implantes, llamado OPRA, recibió la aprobación de la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos en 2020. La principal desventaja es que el perno de titanio debe atravesar la piel, creando un agujero permanente que conlleva riesgos de infección. "Aparte del riesgo de infección, la osteointegración es mejor en todos los aspectos", dice Chestek.

Los bionicistas han buscado durante mucho tiempo aprovechar los nervios del cuerpo para crear prótesis que se comuniquen con el cerebro. Pero los primeros esfuerzos fueron frustrantes, principalmente porque las señales que transportan los nervios son muy débiles.

"Las personas intentaron durante décadas obtener señales significativas colocando un cable dentro de un nervio", dice Chestek. "Hasta el día de hoy, es casi imposible fuera de un entorno de laboratorio controlado".

Las prótesis biónicas modernas se comunican principalmente con los músculos. Cuando son activados por un nervio, los músculos emiten señales eléctricas mucho más grandes, que pueden ser captadas por electrodos en la piel, y luego controlan la extremidad protésica.

Pero los nervios que operaban previamente partes de una extremidad faltante, y que podrían operar de manera eficiente la extremidad artificial, no suelen terminar en músculos. No llevan a ningún lado, lo que crea neuromas, bulbos en los extremos nerviosos cuya "chispa" eléctrica causa dolor.

Un procedimiento llamado reinervación muscular dirigida, o TMR, resuelve este problema. Un cirujano quita a los músculos sus nervios nativos y rerutea los nervios seccionados a este terreno recién despejado. Con el tiempo, los nervios reruteados crecen en los músculos, que actúan como amplificadores, creando fuentes necesarias de señales de control. "Transformas un problema de registro de nervio en un problema de registro de músculo", dice Chestek. "El registro de músculo es fácil". El procedimiento también trata el dolor del neuroma, para el cual frecuentemente se lleva a cabo.

Una desventaja es que el TMR canibaliza los músculos existentes, limitando la cantidad de señales que se pueden crear. "Te quedas sin espacio rápidamente", dice Chestek. Esto es especialmente importante para amputaciones por encima de la rodilla o del codo, donde hay menos músculos restantes y más articulaciones protésicas que controlar.

Una nueva técnica, conocida como interfaz nerviosa periférica regenerativa, o RPNI, inserta quirúrgicamente pequeños injertos musculares tomados de otras partes y rerutea los nervios a estos en su lugar. Los cirujanos pueden luego diseccionar estos haces nerviosos en sus fibras constituyentes para aprovechar los objetivos recién injertados, permitiendo a los investigadores crear tantas señales como necesiten, dice Chestek.

El pequeño tamaño de los injertos musculares dificulta recoger señales de ellos utilizando electrodos de superficie, sin embargo. "No puedes registrar [señales eléctricas] de un trozo de músculo de tres centímetros a través de la piel muy fácilmente", dice Chestek. "Tienes que usar electrodos implantados". Esto es más invasivo, y los implantes enfrentan obstáculos regulatorios, pero los electrodos implantados producen señales de mayor calidad. Solo necesitan ser accedidos de alguna manera, ya que pasar cables a través de la piel no es viable fuera de estudios de laboratorio.

Algunos investigadores están trabajando en sistemas inalámbricos, pero otra solución es combinar RPNI con osteointegración. En esta configuración, los cables entre los electrodos implantados y la prótesis simplemente pasan a través del perno de titanio. Un estudio publicado el año pasado describió un brazo biónico por encima del codo que utilizaba este enfoque y que permitía al receptor controlar todos los dedos de su mano robótica.

En su laboratorio anatómico de UCLA, Clites dice: "Tengo nueve o diez colaboraciones activas con cirujanos en diferentes proyectos". Aquí, él y su equipo utilizan cadáveres para probar ideas y recopilar datos. "Montamos extremidades de cadáveres en un brazo manipulador y evaluamos los sistemas que estamos desarrollando para asegurarnos de que funcionen según lo previsto", dice Clites. "Es la base de lo que hacemos".

Uno de los proyectos en desarrollo es un nuevo método de fijación que evita el agujero permanente que conlleva la osteointegración. En lugar de un perno de titanio, hay una pieza de acero en la extremidad y un electromagneto en la cavidad de la prótesis. "Ese imán sostiene [la cavidad] en la extremidad", dice Clites, "y luego puedes controlar cuánta fuerza atractiva hay cambiando la corriente a través de ese electromagneto". La cavidad no tiene que soportar cargas; la fuerza magnética cumple ese trabajo, cambiando de momento a momento según los requisitos, como caminar frente a estar de pie.

En MIT, Herr también está trabajando en un nuevo avance. El reciente ensayo de piernas biónicas basadas en AMI utilizó electrodos en la piel para guiar las señales de los músculos a las articulaciones protésicas. Pero los electrodos superficiales tienen sus desventajas, como las distorsiones de señal causadas por el movimiento. La nueva técnica, llamada magnetomicrometría, implica colocar esferas magnéticas dentro de los músculos y monitorear su movimiento con magnetómetros. "Con estos imanes", dice Herr, "podemos medir lo que nos importa y usarlo para controlar directamente la prótesis biónica." Un producto comercial existirá en aproximadamente cinco años, dice.

Para Herr, estos avances son personales. Hace 42 años, ambos de sus piernas fueron amputadas debajo de la rodilla después de un accidente de escalada en montaña. Está pensando en actualizar a prótesis de pierna biónicas basadas en AMI en los próximos años. Una vez que estas técnicas estén perfeccionadas, predice un gran avance. "Cuando se combinan técnicas quirúrgicas como AMI y RPNI con algo como la magnetomicrometría, creemos que va a ser el fin del juego", dice Herr. "Creemos que va a haber una versión de Hollywood de extremidades robóticas controladas por el cerebro".

Un beneficio adicional de restaurar la propiocepción, junto con otros tipos de retroalimentación sensorial como el tacto, es que hace que los receptores se sientan más como si la prótesis fuera parte de sí mismos. "El objetivo en el campo es que cuando hagamos reconstrucción robótica, la persona diga, 'Dios mío, me has devuelto mi cuerpo'", dice Herr. "En lugar de una herramienta robótica, les devolvemos todo un miembro. El campo está muy cerca de ese objetivo."