¿Puede un ser humano con una lesión en la médula espinal caminar y correr? Descubriendo pistas con tecnología neuromórfica

Un equipo de investigación internacional dirigido por el Prof. Tae-Woo Lee (Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad Nacional de Seúl, República de Corea) y el Prof. Zhenan Bao (Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Stanford, EE. UU.) ha logrado recuperar los movimientos musculares. en un modelo de ratones paralizados a través de nervios artificiales orgánicos. El resultado fue publicado en Naturaleza Ingeniería Biomédica.

Los nervios, que son esenciales para las actividades de la vida además de tener un impacto significativo en la calidad de vida, se dañan fácilmente por diversas causas, como lesiones físicas, causas genéticas, complicaciones secundarias y envejecimiento. Además, una vez que los nervios se dañan, son difíciles de reconstruir y algunas o todas sus funciones corporales se pierden de forma permanente debido a una bioseñalización deficiente.

Entre los diversos métodos para la rehabilitación en pacientes con daño neurológico, la Estimulación Eléctrica Funcional (FES), que actualmente se usa activamente en la práctica clínica, utiliza señales controladas por computadora. A través de esta configuración, la estimulación eléctrica se aplica a los músculos que ya no son arbitrariamente controlables en pacientes con neuropatía para inducir la contracción muscular, lo que da como resultado movimientos funcionalmente útiles en el cuerpo biológico aunque estén confinados en un espacio específico. Sin embargo, este enfoque convencional tiene limitaciones que no son adecuadas para el uso a largo plazo en la vida diaria de los pacientes porque involucran circuitos digitales complejos y computadoras para el procesamiento de señales para estimular los músculos, consumiendo mucha energía y poca biocompatibilidad en el proceso.

Para resolver el problema, el equipo de investigación logró controlar el movimiento de las piernas de los ratones solo con nervios artificiales sin una computadora externa compleja y voluminosa utilizando dispositivos neuromórficos de nanocables orgánicos de baja potencia y estirables que emulan la estructura y función de las fibras nerviosas biológicas. El nervio artificial estirable consta de un sensor de tensión que simula un propioceptor que detecta los movimientos musculares, una sinapsis artificial orgánica que simula una sinapsis biológica y un electrodo de hidrogel para transmitir señales a los músculos de las piernas.

Los investigadores ajustaron el movimiento de las patas del ratón y la fuerza de contracción de los músculos de acuerdo con la frecuencia de activación del potencial de acción transmitido a la sinapsis artificial con un principio similar al del nervio biológico, y la sinapsis artificial implementa de manera más suave y natural. movimientos de piernas que el FES habitual.

Además, el propioceptor artificial detecta el movimiento de las piernas del ratón y proporciona retroalimentación en tiempo real a la sinapsis artificial para evitar el daño muscular debido al movimiento excesivo de las piernas.

Los investigadores lograron permitir que un ratón paralizado pateara la pelota o caminara y corriera en la caminadora. Además, el equipo de investigación mostró la aplicabilidad de los nervios artificiales en el futuro para el movimiento voluntario mediante el muestreo de señales pregrabadas de las cortezas motoras de animales en movimiento y movió las piernas de ratones a través de sinapsis artificiales.

Los investigadores descubrieron la viabilidad de una nueva aplicación en el campo de la tecnología neuromórfica, que está atrayendo la atención como un dispositivo informático de próxima generación al emular el comportamiento de una red neuronal biológica.

El profesor Tae-Woo Lee dice que «el daño neuronal todavía se considera un gran desafío científico desde el pasado hasta el presente, a pesar de los notables avances en la medicina, y sin un nuevo avance, seguirá siendo un problema difícil de resolver en el Esta investigación proporciona un nuevo avance en la superación del daño nervioso de una manera de ingeniería utilizando tecnología neuromórfica, no de una manera biomédica», expresando la importancia del estudio. También agregó: «Un enfoque de ingeniería para superar el daño nervioso abrirá un nuevo camino para mejorar la calidad de vida de quienes padecen enfermedades y trastornos relacionados».

El profesor Zhenan Bao, señaló el potencial del estudio y dijo que «a través del desarrollo de nervios artificiales estirables para pacientes con daño nervioso, ha proporcionado una piedra angular para prótesis neurales portátiles fáciles de usar para el paciente, más prácticas, lejos de la forma existente factor.»