Investigadores del MIT, en colaboración con colegas del Brigham and Women’s Hospital, han desarrollado una prótesis de pierna biónica de última generación que puede ayudar a las personas con amputaciones a lograr una marcha natural. Un extraordinario avance que contribuirá a aliviar las limitaciones físicas, motoras e incluso mentales de esos pacientes.
La extremidad biónica utiliza una interfaz de computadora que amplifica las señales nerviosas de los músculos de la parte restante de la pierna. Y permite al paciente mover la prótesis con sus propios pensamientos y reflejos naturales, señala la investigación.
El procedimiento de amputación quirúrgica reconecta los músculos del miembro residual, lo que permite a los pacientes recibir retroalimentación «proprioceptiva» sobre dónde se encuentra su prótesis en el espacio. La propiocepción es la sensación de automovimiento, fuerza y posición del cuerpo. Está mediada por propioceptores, neuronas mecanosensoriales dentro de músculos, tendones y articulaciones.
En el estudio participaron siete pacientes que se sometieron a esta cirugía, el equipo de científicos descubrió que podían caminar más rápido. E incluso evitar obstáculos y subir escaleras de forma mucho más natural que las personas con una amputación tradicional.
«Este es el primer estudio que demuestra patrones de marcha naturales con una modulación neuronal completa. En la que el cerebro de la persona controla al 100% la prótesis biónica, no un algoritmo robótico», señaló el coautor del estudio Hugh Herr, biofísico del Instituto Tecnológico de Massachusetts en Cambridge. Miembro asociado del Instituto McGovern de Investigación del Cerebro del MIT.
La pierna biónica, de la idea a la práctica
Otras propuestas igualmente perfectibles, han ideado dispositivos de lectura del cerebro que ayudan a las personas paralizadas a moverse, hablar y tocar. A través de una interfaz cerebro-computadora.
En este desarrollo de prótesis de pierna de última generación los pacientes experimentaron menos dolor y menos atrofia muscular después de la cirugía, conocida como interfaz mioneural agonista-antagonista. Hasta ahora unos 60 pacientes en el mundo han recibido este tipo de cirugía, que también se puede realizar en personas con amputaciones de brazos.
“La extremidad está hecha de titanio y silicona y todos estos diversos componentes electromecánicos, hacen que se sienta natural y se mueva naturalmente sin siquiera pensarlo conscientemente», añadió el biofísico.
A Herr le amputaron ambas piernas después de quedar atrapado en una tormenta de nieve mientras escalaba el Monte Washington de New Hampshire en 1982, reseña la revista Nature. Dice que consideraría usar los dispositivos de interfaz para sus extremidades en el futuro.
La mayoría de las extremidades artificiales biónicas existentes se basan en algoritmos preestablecidos para impulsar el movimiento. Y pueden cambiar automáticamente entre modos predefinidos para diversas condiciones de marcha. Los modelos avanzados han ayudado a personas con amputaciones a caminar, correr y subir escaleras con mayor fluidez. Pero el robot, y no el usuario, retiene el control del movimiento de las piernas y el dispositivo no se siente como parte del cuerpo.
Decididos a cambiar esto, Herr y sus colegas desarrollaron una interfaz que controla el miembro robótico con señales de los nervios y músculos que quedan después de la amputación.
Su ensayo clínico incluyó a 14 participantes con amputaciones por debajo de la rodilla. Antes de usar el dispositivo, siete de ellos se sometieron a una cirugía para unir pares de músculos en las secciones residuales de sus piernas.
Rapidez, naturalidad, seguridad
Esta técnica quirúrgica, que crea lo que se llama una interfaz mioneural agonista-antagonista, tiene como objetivo recrear los movimientos musculares naturales para que la contracción de un músculo estire a otro. Ayuda a reducir el dolor, preservar la masa muscular y mejorar la comodidad con la extremidad biónica.
La pierna biónica incluye una prótesis de tobillo con sensores integrados, junto con electrodos que se adhieren a la superficie de la piel. Estos capturan señales eléctricas producidas por los músculos en el lugar de la amputación y las envían a una pequeña computadora para ser decodificadas. La pierna pesa 2,75 kilogramos, similar al peso medio de un miembro inferior natural.
Para probar el sistema, precisa la investigación, los participantes practicaron el uso de sus nuevas piernas biónicas durante un total de seis horas cada uno. Luego, los investigadores compararon su desempeño en diversas tareas con el de los otros siete participantes, que habían recibido cirugía convencional y prótesis.
La cirugía aumentó la tasa de señales musculares a un promedio de 10,5 impulsos por segundo, en comparación con alrededor de 0,7 impulsos por segundo en el grupo de control. Aunque esto equivale a sólo el 18% de las señales musculares en músculos biológicamente intactos (alrededor de 60 impulsos por segundo), los participantes con esta cirugía pudieron controlar sus prótesis y caminaron un 41% más rápido que los del grupo de control.
Y sus velocidades máximas coincidieron con las de personas sin amputaciones cuando caminaban sobre terreno plano a lo largo de un pasillo de 10 metros de largo. «Me pareció sorprendente que con tan poco aprendizaje pudieran lograr resultados tan buenos», confía Levi Hargrove, ingeniero neuronal de la Universidad Northwestern en Chicago. «Verían aún más beneficios con un período de adaptación más largo, usando el dispositivo».
En busca de mayor perfección
Los investigadores probaron qué tan bien los participantes podían navegar en diversas situaciones, incluido caminar sobre una superficie con una pendiente de 5 grados, subir escaleras y superar obstáculos. En todos los escenarios, los usuarios de esta cirugía mostraron un mejor equilibrio y un rendimiento más rápido que las personas del grupo de control.
«Ofrece al usuario una flexibilidad tan alta que se acerca mucho más a cómo funciona la pierna biológica», afirma Tommaso Lenzi, ingeniero biomédico de la Universidad de Utah en Salt Lake City.
La tecnología ofrece una nueva esperanza a las personas con amputaciones que desean recuperar una experiencia natural de caminar. “Estas personas quieren sentir que tienen el control de sus extremidades. Quieren sentir que la extremidad es parte de su cuerpo”, agrega. «Este tipo de interfaz neuronal es necesaria para crear eso».
Las mejoras en el diseño de la pierna biónica podrían incluir hacerla más liviana y mejorar los electrodos de superficie, que son sensibles a la humedad y el sudor y podrían no ser adecuados para el uso diario, sugiere Lenzi. Y se necesitarán estudios futuros para probar si el dispositivo puede manejar actividades más exigentes, como correr y saltar.
Herr dice que su equipo ya está buscando formas de reemplazar los electrodos de superficie con pequeñas esferas magnéticas implantadas que puedan rastrear con precisión los movimientos musculares.
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