Reinervación dirigida

La reinervación dirigida permite a las personas amputadas controlar dispositivos protésicos motorizados y recuperar la retroalimentación sensorial. El método fue desarrollado por el Dr. Todd Kuiken, de la Universidad Northwestern y el Instituto de Rehabilitación de Chicago, y el Dr. Gregory Dumanian, de la División de Cirugía Plástica de la Universidad Northwestern.La reinervación dirigida tiene un componente eferente y uno aferente. La reinervación muscular dirigida es un método mediante el cual se desnerva un músculo sobrante (el músculo diana) de un paciente amputado (se cortan o desactivan sus nervios originales) y luego se reinerva con nervios residuales de la extremidad amputada. Las señales EMG resultantes del músculo diana representan ahora las órdenes motoras de la extremidad amputada y se utilizan para accionar una prótesis motorizada.La reinervación sensorial dirigida es un método mediante el cual se desnerva la piel cercana o sobre el músculo afectado y luego se reinerva con fibras aferentes de los nervios restantes de la mano. Por lo tanto, al tocar este trozo de piel, la persona amputada siente que se toca el brazo o la mano faltante.Existen varios métodos que buscan lograr un control avanzado de las prótesis neuronales motorizadas. Los implantes cerebrales crónicos registran señales neuronales de la corteza motora, mientras que métodos como el electroencefalograma (EEG) y la resonancia magnética funcional (RMf) obtienen comandos motores de forma no invasiva. Las señales registradas se decodifican en señales eléctricas y se introducen en dispositivos de asistencia o prótesis motorizadas. Las prótesis mioeléctricas tradicionales utilizan señales EMG superficiales de los restos de la extremidad amputada. Por ejemplo, un paciente puede flexionar un músculo del hombro para generar señales EMG que pueden utilizarse para enviar la orden de "flexionar el codo" a la prótesis. Sin embargo, todos estos métodos presentan deficiencias. Los implantes crónicos fallan con el tiempo debido a la degradación de la señal neuronal debido a la respuesta inmunitaria del tejido a cuerpos extraños. El EEG y la RMf no obtienen señales tan potentes como los implantes de electrodos directos. Las prótesis mioeléctricas tradicionales no pueden proporcionar múltiples señales de control simultáneamente, por lo que solo se puede realizar una acción a la vez. Su uso también es poco natural, ya que los usuarios deben usar músculos (como el hombro) que normalmente no participan en las funciones del antebrazo para controlarlas (como abrir y cerrar las manos). La solución a estos problemas podría incluir un concepto completamente diferente de interfaz neuronal.La reinervación dirigida no requiere implantes. Por lo tanto, no presenta el problema de la respuesta tisular a cuerpos extraños, como ocurre con la tecnología de implantes cerebrales crónicos. El músculo afectado actúa como un amplificador natural de las señales neuronales producidas por los nervios residuales transferidos. Esto supone una ventaja frente a tecnologías como la electroencefalografía (EEG) y la resonancia magnética funcional (RMf), que utilizan señales más débiles. Con la reinervación dirigida, se pueden producir múltiples señales EMG independientes, lo que permite controlar simultáneamente múltiples funciones de la prótesis. Por ejemplo, el paciente podría realizar acciones como lanzar una pelota con relativa gracia, mostrando control simultáneo del codo y la mano. El control también es intuitivo para el paciente, ya que las señales EMG son generadas por los nervios residuales transferidos, a diferencia de las prótesis mioeléctricas tradicionales, donde las señales EMG deben ser generadas por músculos que normalmente no participan en las funciones del brazo o la muñeca. Además, se pueden utilizar las prótesis mioeléctricas disponibles comercialmente, como las muñecas y los codos motorizados. No es necesario desarrollar prótesis específicas para la reinervación dirigida. Mediante la transferencia nerviosa, la reinervación dirigida también puede proporcionar retroalimentación sensorial, algo que no se ha logrado con ningún otro tipo de prótesis mencionada anteriormente.El objetivo de la reinervación muscular dirigida es transferir múltiples nervios a regiones separadas del músculo objetivo, registrar señales múltiples, aunque independientes, de las regiones musculares y utilizar las señales EMG para controlar una prótesis motorizada lo suficientemente sofisticada como para procesar múltiples señales de control.La necesidad de trasplantar múltiples nervios a una región muscular surgió de la hipótesis de que la hiperreinervación, mediante la cual se transfiere una cantidad excesiva de neuronas motoras a un músculo, puede aumentar la reinervación de las fibras musculares, mejorando así la recuperación de los músculos paralizados. Esta hipótesis se probó en músculos esqueléticos de ratas y los resultados indicaron que los músculos hiperreinervados recuperaron más masa y fuerza muscular, y se formó un mayor número de unidades motoras.El primer paciente quirúrgico fue un amputado con desarticulación bilateral del hombro. Ambos brazos fueron amputados completamente a la altura del hombro, con solo los omóplatos restantes. Los músculos pectorales fueron elegidos como objetivo por su proximidad al hombro y por su inoperancia biológica debido a su desprendimiento del brazo amputado. Primero, se desnervó los músculos pectorales seccionando los nervios originales que los inervan. Se ligaron los extremos proximales de los nervios originales para evitar que reinervaran el músculo pectoral. Luego, los nervios remanentes del brazo (plexo braquial) se transfirieron a los músculos pectorales. El nervio musculocutáneo se transfirió a la cabeza clavicular del músculo pectoral mayor; el nervio mediano se transfirió a la porción esternal superior del músculo pectoral mayor; y el nervio radial se transfirió a la porción esternal inferior del músculo pectoral mayor. El músculo pectoral menor se translocó desde debajo del pectoral mayor hasta la pared torácica lateral, para que sus señales EMG no interfirieran con las del pectoral mayor, y también es un cuarto músculo objetivo. A continuación, se transfirió el nervio cubital al pectoral menor trasladado. Los nervios musculocutáneo, mediano, radial y cubital (plexo braquial) se suturaron a los extremos distales de los fascículos nerviosos originales del músculo pectoral y al propio músculo. Se retiró la grasa subcutánea que cubría el músculo pectoral para que los electrodos estuvieran lo más cerca posible del músculo y obtener señales EMG óptimas.Aproximadamente 3 meses después de la cirugía, el paciente experimentó la primera contracción del músculo pectoral al intentar flexionar el codo fantasma. Cinco meses después, logró contraer cuatro regiones del músculo pectoral mayor al intentar diferentes movimientos. Por ejemplo, al intentar flexionar el codo, la región muscular debajo de la clavícula se contrajo con fuerza. Esto indicó una transferencia exitosa del nervio musculocutáneo, ya que este nervio inerva el bíceps. El paciente fue sometido a una sesión de entrenamiento y una de prueba. Durante la sesión de entrenamiento, el paciente permaneció sentado en posición erguida y se le mostraron en un video cada uno de los 27 movimientos normales (como aducción/abducción del hombro, apertura/cierre de la mano, flexión/extensión del codo, etc.). Después de cada demostración, el paciente repitió el movimiento 10 veces, ejerciendo una fuerza moderada durante 2,5 segundos. Se le dieron 5 segundos de descanso después de cada intento. Durante la sesión de prueba, el paciente realizó 5 series de los 27 movimientos en orden aleatorio. Primero le mostraron un video de un movimiento y luego le pidieron que siguiera simultáneamente el video repetido del mismo movimiento después de 2 segundos.Se utilizó un sistema BioSemi Active II (fabricado por BioSemi, Ámsterdam, Países Bajos) y un conjunto de electrodos de 127 canales para registrar las señales EMG monopolares mientras el paciente intentaba realizar movimientos durante las sesiones de entrenamiento y prueba. Se utilizaron ciento quince electrodos para registrar la EMG del músculo pectoral; dos electrodos para registrar cada uno de los músculos deltoides, dorsal ancho, supraespinoso, trapecio superior, trapecio medio y trapecio inferior. Los electrodos se colocaron a una distancia de 15 mm entre sí. Para eliminar el artefacto causado por el movimiento corporal, las señales EMG se filtraron preliminarmente con un filtro de paso alto Butterworth de quinto orden ajustado a 5 Hz.El principal contaminante de la señal EMG fue el artefacto del ECG. Para eliminar el ruido del ECG, se construyó una plantilla de ECG promediando los complejos de ECG registrados con los músculos relajados. El tiempo transcurrido entre cada complejo de ECG se utilizó para calcular un intervalo entre puntas representativo. La detección de puntas de ECG se calculó a partir de las correlaciones entre la EMG y la plantilla de ECG. Se estableció un umbral para que las señales que lo superaran se marcaran como posibles puntas de ECG. Los intervalos entre puntas de las posibles puntas se compararon con el intervalo entre puntas representativo calculado previamente para determinar si las posibles puntas debían aceptarse como artefactos del ECG.Otra tarea importante del procesamiento de las señales EMG es eliminar la diafonía de otros músculos. Primero, se determinan empíricamente las posiciones y la distancia entre los electrodos para obtener la EMG más intensa y, por lo tanto, la menor diafonía. Establecer un umbral por encima del ruido de fondo y la diafonía de otros músculos también ayuda a eliminarla. El menor tamaño muscular y la menor grasa subcutánea facilitan la diafonía. Con un nivel mínimo de grasa subcutánea inferior a 3 mm, se espera que la diafonía sea mínima en un área de 2 a 3 cm de diámetro.Tras la cirugía, se le colocó al paciente su prótesis corporal preoperatoria en el lado derecho y una prótesis mioeléctrica experimental, compuesta por un dispositivo terminal Griefer, un rotador de muñeca, un brazo digital Boston y una articulación de hombro LTI-Collier en el lado izquierdo. Se seleccionaron las tres señales EMG más potentes de las transferencias nerviosas exitosas: el nervio musculocutáneo, el nervio mediano y el nervio radial. La EMG resultante de la contracción del músculo reinervado por el nervio mediano se utilizó para controlar el movimiento de cierre de la mano; la EMG del nervio musculocutáneo, para controlar la flexión del codo; y la EMG del nervio radial, para controlar la rotación y la flexión de la muñeca.El rendimiento de estas dos prótesis se comparó con una prueba de caja y bloques, en la que el paciente tenía 2 minutos para mover cubos de una pulgada de una caja a otra, sobre una pared corta. El resultado se cuantificó por el número total de bloques movidos. Para probar el dispositivo terminal («mano»), el rotador de codo y muñeca, se le realizó al paciente una prueba de pinzas de ropa, en la que se le pidió que tomara pinzas de ropa de una barra horizontal, las girara y luego las colocara en una barra vertical más alta. Se registró el tiempo empleado en mover 3 pinzas. Ambas pruebas se repitieron 3 veces. Los resultados cuantificados mostraron que la prótesis mioeléctrica tuvo un rendimiento un 246 % mejor (movió 2,46 veces más bloques) en la prueba de caja y bloques, y un 26,3 % mejor (empleó un 26,3 % menos de tiempo en mover pinzas) en la prueba de pinzas.También se construyó una prótesis experimental con seis motores. La característica más destacada de la reinervación dirigida, en comparación con las prótesis mioeléctricas tradicionales, es su capacidad para proporcionar múltiples señales que controlan múltiples funciones simultáneamente. Si bien las prótesis mioeléctricas actuales pueden utilizarse directamente, están diseñadas y dirigidas al control mioeléctrico tradicional. Por lo tanto, la única prótesis disponible comercialmente solo cuenta con un dispositivo terminal motorizado (a menudo un gancho), rotación de muñeca y codo motorizado. Para aprovechar al máximo las múltiples señales proporcionadas por la reinervación dirigida, se construyó una prótesis experimental con componentes de potencia adicionales: un hombro TouchEMAS, un rotador humeral y una mano capaz de abrir y cerrar con función de flexión/extensión de muñeca. Las funciones del codo y la mano fueron impulsadas por cuatro señales de transferencia nerviosa, y la rotación humeral fue impulsada por EMG del dorsal ancho y del deltoides. Con esta prótesis de seis motores, el paciente podía controlar varias articulaciones simultáneamente y realizar nuevas tareas que no podía realizar con otras prótesis, como extender la mano para recoger objetos y ponerse un sombrero.La reinervación sensorial dirigida se descubrió por accidente. Mientras se aplicaba alcohol en el pecho después de la cirugía, el paciente describió una sensación de contacto en el meñique. La explicación de este fenómeno es que, dado que se le extrajo la grasa subcutánea durante la cirugía, se desnervó la piel del pecho. Así, las fibras nerviosas aferentes se regeneraron a través del músculo pectoral, reinervando la piel que lo recubre. Desde entonces, se han mapeado áreas del músculo pectoral con partes del brazo y la mano según la descripción del paciente de las sensaciones táctiles que percibía. Al tocar una región específica del músculo pectoral, el paciente describía en qué parte del miembro fantasma sentía el contacto. Por ejemplo, al tocar la región inmediatamente por encima del pezón, sentía como si le tocaran la parte anterior del antebrazo.Con este descubrimiento, el equipo se propuso realizar una cirugía de transferencia nerviosa, específicamente diseñada para reinervar la retroalimentación sensorial. Se desnervó un fragmento de piel cerca o sobre el músculo objetivo, permitiendo así que las fibras nerviosas aferentes reinervaran la piel. En el caso de una paciente con amputación del brazo izquierdo a la altura del cuello humeral, se seccionó el nervio sensitivo supraclavicular, se ligó el extremo proximal para evitar la regeneración y la reinervación, y el extremo distal se coaptó terminolateralmente al nervio cubital. El nervio cutáneo intercostobraquial se trató con el mismo método, con el extremo distal coaptado al nervio mediano.Esta técnica se ha denominado "sensación de transferencia" y tiene el potencial de proporcionar retroalimentación sensorial útil, como la detección de presión, para ayudar al paciente a calcular la cantidad de fuerza que debe ejercerse.Después de la cirugía, se le pidió al paciente que identificara las zonas del tórax con mayor sensibilidad en cada dedo, las cuales se representaron en un diagrama. Se cuantificó la característica de la reinervación sensorial. El tacto ligero se cuantifica mediante un umbral determinado con monofilamentos de Semmes-Weinstein [1] (un instrumento de medición de la sensibilidad). Se utilizó un neurómetro Neurotip para determinar la sensibilidad a la agudeza y la opacidad en 20 puntos distribuidos por el músculo objetivo (el tórax). Se presionó un diapasón contra los puntos del tórax para evaluar la capacidad del paciente para detectar vibraciones. Se utilizó un analizador neurosensorial TSA II para evaluar los umbrales de temperatura en dos puntos del tórax. El otro músculo pectoral (normal), el brazo y la mano normales del paciente se utilizaron como controles.La paciente pudo percibir todas las modalidades de sensibilidad cutánea. Sin embargo, en lugar de una sensación de presión normal, percibió un hormigueo al tacto en la piel del tórax objetivo. El umbral más bajo para percibir un tacto ligero en el músculo objetivo fue de 0,4 g, mientras que el músculo pectoral de control tuvo un umbral de tacto ligero de 0,16 g; los umbrales fueron inferiores a 4 g en la mayoría de los puntos del área, mientras que el tórax de control tuvo un umbral de 0,4 g en sus puntos homólogos. El tórax de control demostró un umbral mucho más bajo, por lo tanto, una mayor sensibilidad. La paciente pudo percibir una presión creciente y gradual. Sintió más hormigueo a medida que aumentaba la presión de prueba. La paciente también demostró percepción de temperatura. El umbral medio para la percepción de frío fue de 29,1 °C en el músculo objetivo y de 29,9 °C en el músculo pectoral de control. El umbral medio para la percepción de calor fue de 35,2 °C en el músculo objetivo y de 34,7 °C en el músculo pectoral de control. La paciente pudo distinguir entre estímulos agudos y sordos y detectar vibraciones en 19 de los 20 puntos seleccionados para la prueba. Todas las sensaciones mencionadas, percibidas por la paciente, fueron descritas por ella como si ocurrieran en su mano fantasma.Los éxitos extraordinarios conllevaron ciertos riesgos y fracasos. Los riesgos generales de la cirugía, además de los riesgos estándar, incluyen parálisis permanente del músculo objetivo, recurrencia del dolor del miembro fantasma y desarrollo de neuromas dolorosos.En el primer paciente, la transferencia del nervio cubital no tuvo éxito. La región muscular no se reinervó como se esperaba, sino que se tornó azulada tras la movilización, posiblemente debido a una congestión vascular.En el caso de la mujer con amputación del brazo izquierdo mencionada anteriormente, el dolor del miembro fantasma reapareció después de la cirugía. Aunque fue en menor intensidad y se resolvió en 4 semanas, seguía representando un riesgo grave, ya que no se sabe con certeza si se resolverá en otros pacientes en el futuro. Además, la cirugía no tuvo éxito en una paciente porque no se detectaron lesiones nerviosas graves hasta la cirugía.

También se especula si los nervios transferidos sobrevivirían permanentemente.El equipo ha pasado ahora a un ensayo con amputados transhumerales (amputación por encima del codo), con la esperanza de que la transferencia del nervio mediano en la amputación transradial pueda proporcionar control del pulgar. Dado que todos los pacientes anteriores eran amputados de miembros superiores, el equipo también espera pasar eventualmente a amputados de miembros inferiores.Los nervios también podrían dividirse aún más para proporcionar señales aún más independientes, de modo que se puedan controlar más funciones simultáneamente y se puedan obtener más grados de libertad en el control de la prótesis. Esto también podría impulsar la producción de dispositivos protésicos más sofisticados con más grados de libertad, como la prótesis experimental de seis motores mencionada anteriormente.La reinervación dirigida también podría utilizar electrodos implantables para registrar señales más localizadas del músculo objetivo, de modo que se pueda mitigar aún más la diafonía.

Aún queda mucho trabajo por hacer para trasladar la retroalimentación sensorial del músculo objetivo reinervado a la prótesis real, o para construir prótesis que sean capaces de proporcionar estímulos apropiados al músculo objetivo reinervado según los estímulos externos recibidos, de modo que la retroalimentación sensorial del brazo provenga de su posición física nativa.

A principios de 2016, el Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins comenzó a trabajar con un paciente que se había sometido a reinervación muscular dirigida y osteointegración de un puerto de titanio para probar y perfeccionar su diseño de la prótesis modular, financiada por DARPA.