Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Diminutos clamps neurales hacen conexiones

Wednesday, April 26, 2006

El clamp neural activo de las raíces medulares puede mejorar el movimiento en personas con lesiones de la médula espinal o que se estén recuperando de un infarto cerebral. Los contactos de la zona de soldadura de hilos oro para 5 electrodos puede observarse en este clamp. Estos pueden proporcionar estimulación nerviosa o retroalimentación para refinar el movimiento. Cortesía: Ranu Jung, Instituto de Biodiseño (Biodesign Institute), ASU

El clamp neural activo de las raíces medulares puede mejorar el movimiento en personas con lesiones de la médula espinal o que se estén recuperando de un infarto cerebral. Los contactos de la zona de soldadura de hilos oro para 5 electrodos puede observarse en este clamp. Estos pueden proporcionar estimulación nerviosa o retroalimentación para refinar el movimiento. Cortesía: Ranu Jung, Instituto de Biodiseño (Biodesign Institute), ASU

Los nervios activos permiten que las extremidades puedan moverse, la vejiga vaciarse a las ahoras adecuadas, y cientos de otras proezas del cuerpo que damos por contado. Gracias a los pasadores de pelo para niñas, los investigadores de la universidad estatal de Arizona han desarrollado un dispositivo que podría revolucionar la forma de comunicación con el sistema nervioso periférico, la red nerviosa del cuerpo que envía y recibe mensajes del cerebro y de la médula espinal. El clamp neural, que se parece a una diminuta placa de circuito, podría impactar en la forma en que se utilizan los sistemas eléctricos para registrar o estimular la actividad nerviosa a fin de restaurar el movimiento de las extremidades en personas con lesiones medulares, amputados y otros individuos con trastornos neurológicos de movimiento.

Un caso de abrir y cerrar

El Dr. Ranu Jung, co-director del Centro de Sistemas Neurales Adaptativos del Instituto Biodesign de la universidad estatal de Arizona, obtuvo la idea para el clamp neural después de observar que las niñas recolocaban rápidamente los cierres de su pelo con pasadores que se abrían fácilmente o se cerraban con sólo doblarlos un poco. Jung, junto con el colaborador Stephen Phillips, Director del Departamento de Ingeniería Eléctrica de ASU determinó que los cambios de temperatura harían que el clamp se abriera o cerrara. A temperatura corporal, el dispositivo se cierra. Añada un chorro de suero fisiológico y el clamp se abre.

La clave del clamp es su capacidad de conectarse directamente con los nervios ya que emergen primero de la columna vertebral. Estos nervios o raicejas tienen el grosor y el largo de una grapadora estándar para papel. Durante la cirugía de implantación, el cirujano implantará el clamp neural en las raíces medulares y la recolocará según sea necesario hasta que emerja una señal nerviosa potente. La circuitería electrónica conectada a los electrodos del clamp registrará la actividad nerviosa en curso o estimulará la actividad nerviosa que falta.

Electrodos que no son voluminosos

El clamp neural sería una gran mejora sobre los sistemas actuales que se utilizan para activar la función nerviosa perdida en el caso de lesiones de la médula espinal o infartos cerebrales. Con frecuencia se colocan varios electrodos en la piel para estimular el movimiento en personas con lesiones de la médula espinal. La electricidad transmitida por los electrodos impulsa a los nervios a señalizar el movimiento muscular. Pero al tener múltiples conexiones son poco prácticos de usar y es difícil colocar con fiabilidad todos los electrodos en la misma zona una y otra vez.

Los electrodos implantados superan estos problemas pero los dispositivos actuales son grandes y con frecuencia de fabricación manual. Sin embargo, puesto que el clamp neural de Jung confía en las técnicas de fabricación empleadas para producir en masa chips para computadoras, puede producirse fácilmente grandes cantidades de los microcomponentes.

Refinando el movimiento

Los sistemas actuales controlan el movimiento en personas con lesiones de la médula espinal o de amputados con prótesis quienes también pierden las capacidades adaptativas necesarias para acciones suaves o precisas. El clamp sensible a temperatura podría proporcionar una interfase eficaz entre los nervios y los sistemas de control electrónico. Un sistema para registrar la actividad nerviosa basada en los clamps neurales ofrecería información sobre el estado del sistema nervioso al detectar las señales procedentes de las raíces medulares. Estas señales se utilizarían para la estimulación adaptativa de los nervios y músculos que salen de las raíces medulares en personas con lesiones de la médula espinal o para control adaptativo de los motores de extremidades artificiales en amputados, ajustando la estimulación de la forma adecuada. A lo largo del tiempo y a medida que una persona se recupera de una lesión incompleta de la médula espinal o mejora su capacidad para controlar la prótesis, la retroalimentación de las señales neurales registradas con los clamps proporcionaría menos estimulación.

¿Un futuro biónico?

El Dr. Jung y sus colegas esperan comenzar a realizar pruebas con el clamp neural en modelos animales este año. El equipo todavía debe encontrar una forma para que el clamp sea duradero y no haya probabilidad de que dañe los nervios. Jung expresa que podría alterarse el diseño del clamp para mejorar su duración y hacerlo lo suficiente flexible para proporcionar conexiones eléctricas a largo plazo con los nervios sin dañarlos en el proceso. Las pruebas en humanos todavía tardarán otros 10 años o más.

El potencial de este dispositivo para revolucionar la medicina de rehabilitación ayuda a mantener la ilusión de este equipo de investigación. "Estamos muy motivados por las necesidades de los pacientes. Estamos tratando de encontrar formas de reparar o sustituir la función neural perdida mediante interfases adaptativas. El punto de referencia es "¿Podemos recuperarla?" dice el Dr. Jung.

¿Esta investigación nos llevará a encontrar un camino para hacer realidad la mujer biónica de la ficción o un hombre de seis millones de dólares cuyas piezas artificiales le den súper poderes? "Todos somos biónicos más o menos", dice el Dr. Jung. "Muchos de nosotros tenemos marcapasos, prótesis de cadera o bombas de insulina. Nos estamos integrando más y más con la tecnología. ¿Por qué no beneficiarse de las capacidades de la tecnología avanzada para ayudarnos a recuperar o mejorar la función?"

El desarrollo del clamp neural está apoyado por el Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería, y los Institutos Nacionales de Salud Infantil y Desarrollo apoyan las investigaciones en lesiones de la médula espinal.

Referencia

Venkatasubramanian, G., R. Jung, J. D. Sweeney. "Functional Electrical Stimulation", En: The Wiley Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, 2nd Edition, Editor. J. G. Webster, Wiley, March 2006. ISBN: 0-471-26358-3; 3666 Páginas.

Dr. Ranu Hung