Un equipo de científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha llevado a cabo un estudio innovador que presenta una nueva técnica de control muscular llamada optogenética. Los resultados de su estudio, realizado en ratones, demuestran que la técnica optogenética con luz ofrece un control de los músculos más preciso y una disminución drástica de la fatiga, en comparación con la estimulación eléctrica tradicional. Este avance podría tener implicaciones significativas para la atención médica, especialmente para aquellos con patologías de las extremidades.
“La estimulación mediante dispositivos electrónicos tiende a activar todo el músculo a la vez, lo que causa agotamiento y pérdida de control entre 5 y 10 minutos después de iniciar el movimiento”, explicó Herrera-Arcos a SINC, uno de los científicos involucrados en el estudio. En contraste, la optogenética permite un control más natural y preciso de los músculos, similar a cómo nuestro cerebro controla las neuronas motoras y los músculos. El sistema puede realizar este control sin agotamiento durante mucho tiempo.
En términos más técnicos, la optogenética se basa en la ingeniería genética de células para que expresen proteínas sensibles a la luz. Esto permite dirigir la actividad de esas células exponiéndolas a la luz, lo que proporciona un control más preciso y menos agotamiento que la estimulación eléctrica.
Este enfoque optogenético aún no es aplicable en humanos. Sin embargo, Herrera-Arcos y su colega Hugh Herr, que recibió el Premio Princesa de Asturias de Investigación Científica y Técnica en 2016, están trabajando con investigadores del Centro de Biónica K. Lisa Yang del MIT para desarrollar formas de introducir proteínas sensibles a la luz de forma segura y eficaz en los tejidos humanos. «Mediante la utilización de la luz a través de la optogenética se puede controlar el músculo de forma más natural. En futuras aplicaciones clínicas, este tipo de interfaz podría tener una utilidad muy amplia”, subraya Herr.
Los avances recientes en la estimulación eléctrica de la médula espinal han mostrado resultados prometedores. Uno de los grupos más destacados en este campo es el del neurocientífico Grégoire Courtine, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (Suiza). Su equipo ha logrado mejoras en la función del brazo y de la mano de 43 personas con tetraplejia a través de un dispositivo de estimulación eléctrica no invasiva de la médula espinal. A pesar de estos logros, los investigadores del MIT argumentan que el uso de dispositivos electrónicos no se ha generalizado debido a la rápida fatiga muscular y el control deficiente que provocan.
En su estudio, el equipo del MIT utilizó ratones genéticamente modificados para expresar una proteína sensible a la luz llamada canalrodopsina-2. El equipo implantó una pequeña fuente de luz cerca del nervio tibial de los ratones, que controla los músculos de la parte inferior de la pierna. Al medir la fuerza muscular mientras aumentaban gradualmente la cantidad de estimulación luminosa, descubrieron que, a diferencia de la estimulación eléctrica, el control optogenético producía un aumento constante y gradual de la contracción del músculo.
Los datos de estos experimentos permitieron a los investigadores crear un modelo matemático de control muscular optogenético, capaz de relacionar la cantidad de luz que entra en el sistema con la salida del músculo (cuánta fuerza se genera). Este modelo matemático fue esencial para diseñar un controlador de bucle cerrado, que ajusta la estimulación luminosa para alcanzar la fuerza deseada en los músculos. Esta técnica permitió a los músculos ser estimulados durante más de una hora sin fatigarse, en comparación con los 15 minutos que duraba la estimulación eléctrica.
Uno de los desafíos que el equipo está enfrentando es cómo introducir de forma segura proteínas fotosensibles en el tejido humano. «Estas proteínas ya están en pruebas clínicas en humanos para restaurar la visión en pacientes con enfermedades como la retinitis pigmentosa. Sin embargo, cuando se aplican en otros sistemas que no son el sistema visual, hay una respuesta inmunitaria a la proteína«, explicó Herrera-Arcos. Este es el principal reto al que se enfrentan: hacer que la proteína fotosensible sea compatible con el sistema nervioso periférico.
La aplicación de la optogenética tiene como objetivo principal recuperar el funcionamiento de músculos en personas con parálisis y en aquellas que hayan sufrido una amputación. Según Herrera-Arcos, la técnica podría utilizarse para estimular músculos en respuesta a movimientos de la prótesis y devolver sensaciones. “Esto podría dar lugar a una estrategia mínimamente invasiva que cambiaría las reglas del juego en lo que respecta a la atención clínica de las personas que sufren patologías en las extremidades”, concluye Herr. La investigación de estos científicos se publicó en Science Robotics y continúa avanzando en el campo de la optogenética.
