Una neuroprótesis innovadora mejora la movilidad y el equilibrio
En un estudio reciente publicado en Medicina de la naturalezaLos investigadores diseñaron una neuroprótesis que replica la activación natural de la columna lumbosacra durante la marcha para pacientes con enfermedad de Parkinson (EP).
Los pacientes con EP en etapa avanzada a menudo sufren de déficits locomotores debilitantes que son resistentes a las terapias existentes. Los investigadores han identificado un tratamiento complementario conocido como estimulación eléctrica epidural (EES) para aliviar estos déficits. EES modula la actividad de las neuronas motoras activando aferentes de gran tamaño, lo que permite la regulación en tiempo real de la actividad neuronal motora de las piernas.
Esta estrategia ha restablecido actividades como estar de pie, andar en bicicleta, caminar y nadar entre personas con lesiones de la médula espinal. El enfoque podría usarse para crear una prótesis para aliviar los déficits locomotores relacionados con la EP.
Sobre el estudio
En el presente estudio, los investigadores diseñaron un dispositivo neuroprótesis para aliviar los déficits de locomoción en pacientes con EP.
La neuroprótesis se desarrolló en un modelo de primate no humano (NHP) para replicar las dificultades de locomoción resultantes de la enfermedad de Parkinson. Se registró la caminata en nueve monos rhesus antes y después de un tratamiento con 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridina (MPTP) que modeló la EP en etapa tardía, coincidiendo con el agotamiento severo de las terminales dopaminérgicas del estriatal y nigral. neuronas. Los investigadores pretendían desarrollar una prótesis basada en EES para restaurar la activación espaciotemporal natural de las neuronas motoras de las piernas interrumpidas durante la marcha entre pacientes con EP.
Se estudió la anatomía de la médula espinal de los monos rhesus para guiar el desarrollo de prótesis. Los electrodos se distribuyeron espacialmente en dos conjuntos de ocho electrodos cada uno para acceder a las regiones objetivo. Los electrodos se colocaron en cuatro primates no humanos y se administraron pulsos únicos de EES para provocar la respuesta muscular y el movimiento de las piernas. La ubicación y el momento de las ráfagas de estimulación eléctrica epidural debían correlacionarse con la estimulación de los puntos críticos relacionados con la marcha.
Los investigadores investigaron si el momento en el que el EES se correlacionaría con la actividad del punto de acceso basado en los movimientos continuos podría descifrarse a partir de la actividad neuronal motora cortical primaria entre los primates tratados con MPTP. Las matrices de microelectrodos se interconectaron con módulos que permitieron el registro de la actividad neuronal de banda ancha sincronizado con electromiografía (EMG) y cinemática.
Posteriormente, el equipo interconectó la actividad neuronal cortical motora con la ubicación y el momento de la explosión del EES para desarrollar la prótesis de circuito cerrado, regulada por el cerebro y sin cables, e investigó si la prótesis aliviaba el deterioro de la marcha y las dificultades de equilibrio observadas entre los primates no humanos tratados con MPTP. . El equipo también investigó si la prótesis podría complementar la estimulación cerebral profunda (ECP) para abordar los signos motores asociados a la EP. Se implantaron electrodos en los núcleos subtalámicos bilaterales, además de la prótesis controlada por el cerebro, en los primates no humanos tratados con MPTP, y se realizaron imágenes por resonancia magnética (IRM) estructural.
El equipo verificó la viabilidad de detectar eventos de la actividad de la corteza motora en pacientes con EP para armonizar el EES con los movimientos en curso. Dos individuos con EP idiopática y fluctuaciones motoras recibieron electrodos subdurales bilaterales colocados en la región cortical motora primaria. La prótesis se implantó en un hombre anciano (P1) de 62 años con una historia de 30 años de enfermedad de Parkinson que presentaba graves alteraciones de la marcha refractarias a los tratamientos médicos disponibles. Se generó un modelo neurobiomecánico personalizado accionado por un circuito basado en reflejos, que permite estimar la activación óptima de los músculos durante la marcha esperada por P1 en ausencia de EP.
Resultados
El modelo NHP fue apropiado para el desarrollo de prótesis. La prótesis interactuó con la estimulación cerebral profunda del núcleo subtalámico y terapias de reemplazo dopaminérgico para promover pasos más largos, mejorar el equilibrio y reducir la congelación de la marcha en P1. El mapeo espaciotemporal de la activación neuronal motora de las piernas mostró que caminar implicaba la estimulación secuencial de seis puntos críticos en las hemicordaciones derecha e izquierda.
El equipo razonó que apuntar a las regiones de entrada de la raíz dorsal que se transmiten a los seis puntos críticos mejoraría el equilibrio y la marcha. Los conjuntos de electrodos se dirigieron a grupos relevantes de neuronas motoras de las piernas, y las evaluaciones anatómicas post mortem confirmaron la ubicación adecuada y estable de los conjuntos de electrodos.
Los NHP mostraron una fase de activación neuronal muy regular sincronizada con los ciclos de la marcha en los experimentos. El equipo razonó que los patrones de disparo deberían permitir la identificación en tiempo real de eventos relacionados con la activación del punto de acceso. Dado que la actividad muscular se alteró durante las fases de la marcha de aceptación de peso, impulso y levantamiento de piernas, los puntos críticos asociados se atacaron utilizando EES en los hemicordios.
Las intenciones motoras se decodificaron a partir de la actividad de las neuronas corticales motoras mientras se caminaba en el modelo de primate no humano, con predicciones apropiadas para coordinar la ubicación y el momento de los picos de EES y reducir los déficits relacionados con la locomoción.
La prótesis redujo las dificultades para caminar en primates no humanos y restauró la activación natural de las neuronas motoras de las piernas durante la marcha, lo que se tradujo en mejoras en la calidad de la marcha y el equilibrio. La prótesis también redujo la curvatura de la columna al caminar y mejoró la postura. La prótesis también mejoró la marcha y el equilibrio durante la locomoción hábil al sortear los tramos de una escalera horizontal.
Con el uso concomitante de la prótesis y la estimulación cerebral profunda, los NHP tratados con MPTP mostraron un mayor estado de alerta y velocidades de caminata más cercanas a las cuantificadas antes de la administración de MPTP y mejoras en la marcha que permitieron dar pasos más altos. Los hallazgos indicaron la viabilidad de decodificar eventos de la actividad de la corteza motora primaria para sincronizar el EES con los movimientos en curso en pacientes con EP. La prótesis también redujo la congelación de la marcha, con y sin DBS, y las operaciones de circuito cerrado de la prótesis siguieron siendo muy precisas.
La rehabilitación apoyada por la prótesis mejoró la marcha y la calidad de vida. Cuantificación del déficit locomotor mediante pruebas y puntuaciones clínicas bien establecidas. [including the Movement Disorder Society (MPS) Unified PD Rating Scale UPDRS III] reveló mejoras en la resistencia y el equilibrio. La prótesis apoyó la movilidad en entornos comunitarios, lo que permitió a P1 disfrutar de caminatas recreativas en la naturaleza durante varios kilómetros sin asistencia adicional.
Según los hallazgos del estudio, la neuroprótesis podría reducir la gravedad de los déficits locomotores entre los pacientes con EP.