La neuroestimulación es la modulación intencionada de la actividad del sistema nervioso utilizando medios invasivos (p. ej., microelectrodos ) o no invasivos (p. ej., estimulación magnética transcraneal o estimulación eléctrica transcraneal , tES, como tDCS o estimulación transcraneal de corriente alterna , tACS). La neuroestimulación generalmente se refiere a los enfoques electromagnéticos de la neuromodulación .
La tecnología de neuroestimulación puede mejorar la calidad de vida de quienes están gravemente paralizados o tienen pérdidas profundas en varios órganos de los sentidos, así como para la reducción permanente del dolor crónico intenso que, de otro modo, requeriría dosis altas de opioides constantes (las 24 horas del día). terapia (como dolor neuropático y lesión de la médula espinal). Sirve como parte clave de las prótesis neuronales para audífonos , visión artificial, extremidades artificiales e interfaces cerebro-máquina . En el caso de la estimulación neuronal , se utiliza principalmente una estimulación eléctrica y se adoptan formas de onda de corriente constante bifásicas con carga equilibrada o enfoques de inyección de carga acoplada capacitivamente. Alternativamente, se han propuesto la estimulación magnética transcraneal y la estimulación eléctrica transcraneal como métodos no invasivos en los que un campo magnético o corrientes eléctricas aplicadas transcranealmente provocan neuroestimulación. [1] [2]
La estimulación cerebral tiene potencial para tratar algunos trastornos como la epilepsia . En este método, se aplica estimulación programada a objetivos corticales o subcorticales específicos. Hay dispositivos comerciales disponibles [3] que pueden emitir un impulso eléctrico en intervalos de tiempo programados. Se plantea la hipótesis de que la estimulación programada altera las propiedades neurofisiológicas intrínsecas de las redes epilépticas. Los objetivos más explorados para la estimulación programada son el núcleo anterior del tálamo y el hipocampo . Se ha estudiado el núcleo anterior del tálamo, que ha demostrado una reducción significativa de las convulsiones con el estimulador encendido o apagado durante varios meses después de la implantación del estimulador. [4] Además, la cefalea en racimos (CH) se puede tratar mediante el uso de un electrodo de estimulación temporal en el ganglio esfenopalatino (SPG). En este método se informa alivio del dolor a los pocos minutos de la estimulación. [5] Para evitar el uso de electrodos implantados, los investigadores han diseñado formas de inscribir una "ventana" hecha de circonio que ha sido modificada para ser transparente e implantada en cráneos de ratones, para permitir que las ondas ópticas penetren más profundamente, como en la optogenética , para Estimular o inhibir neuronas individuales. [6]
La estimulación cerebral profunda (ECP) ha demostrado beneficios para los trastornos del movimiento como la enfermedad de Parkinson , los temblores y la distonía y otros trastornos neuropsiquiátricos como la depresión , el trastorno obsesivo-compulsivo , el síndrome de Tourette , el dolor crónico y la cefalea en racimos. La DBS puede cambiar directamente la actividad cerebral de forma controlada y, por tanto, se utiliza para mapear mecanismos fundamentales de las funciones cerebrales junto con métodos de neuroimagen.
Un sistema DBS consta de tres componentes: el generador de impulsos implantado (IPG), el cable y una extensión. El generador de impulsos implantable (PG) genera impulsos de estimulación, que se envían a cables intracraneales en el objetivo a través de una extensión. Los pulsos de simulación interfieren con la actividad neuronal en el sitio objetivo.
La aplicación y los efectos de la estimulación cerebral profunda, tanto en cerebros normales como enfermos, implican muchos parámetros. Estas incluyen las propiedades fisiológicas del tejido cerebral, que pueden cambiar con el estado de la enfermedad. También son importantes los parámetros de estimulación, como la amplitud y las características temporales, y la configuración geométrica del electrodo y del tejido que lo rodea.
A pesar de una gran cantidad de estudios sobre la ECP, su mecanismo de acción aún no se comprende bien. El desarrollo de microelectrodos DBS sigue siendo un desafío. [7]
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En comparación con la estimulación eléctrica que utiliza descargas eléctricas breves de alto voltaje para activar neuronas, que potencialmente pueden activar fibras dolorosas, Baker desarrolló la estimulación magnética transcraneal (EMT) en 1985. La EMT utiliza un cable magnético sobre el cuero cabelludo , que lleva un y pulso de alta corriente. Se induce un campo magnético variable en el tiempo perpendicular a la bobina debido al pulso aplicado que, en consecuencia, genera un campo eléctrico basado en la ley de Maxwell . El campo eléctrico proporciona la corriente necesaria para una estimulación no invasiva y mucho menos dolorosa. Hay dos dispositivos TMS llamados TMS de pulso único y TMS de pulso repetitivo (rTMS), mientras que este último tiene un mayor efecto pero puede causar convulsiones. La TMS se puede utilizar para terapia, particularmente en psiquiatría , como una herramienta para medir la conducción motora central y una herramienta de investigación para estudiar diferentes aspectos de la fisiología del cerebro humano, como la función motora, la visión y el lenguaje. El método rTMS se ha utilizado para tratar la epilepsia con frecuencias de 8 a 25 Hz durante 10 segundos. Los otros usos terapéuticos de la rTMS incluyen enfermedades de Parkinson, distonía y enfermedades del estado de ánimo. Además, la TMS se puede utilizar para determinar la contribución de las redes corticales a funciones cognitivas específicas al alterar la actividad en la región focal del cerebro. [1] Pape et al. han obtenido resultados iniciales, no concluyentes, en la recuperación del coma ( estado vegetativo persistente ). (2009). [8]
La estimulación de la médula espinal (EME) es una terapia eficaz para el tratamiento del dolor crónico e intratable, incluida la neuropatía diabética , el síndrome de cirugía de espalda fallida , el síndrome de dolor regional complejo , el dolor del miembro fantasma , el dolor isquémico del miembro , el síndrome de dolor unilateral refractario del miembro, la neuralgia postherpética y la dolor por herpes zóster . Otra afección dolorosa que es candidata potencial para el tratamiento con EME es la enfermedad de Charcot-Marie-Tooth (CMT), que se asocia con dolor crónico de moderado a intenso en las extremidades. [9] La terapia SCS consiste en la estimulación eléctrica de la médula espinal para "enmascarar" el dolor. La teoría de la puerta propuesta en 1965 por Melzack y Wall [10] proporcionó una construcción teórica para intentar la EME como tratamiento clínico para el dolor crónico. Esta teoría postula que la activación de fibras aferentes primarias mielinizadas de gran diámetro suprime la respuesta de las neuronas del asta dorsal a las entradas de aferencias primarias pequeñas y amielínicas. Un sistema SCS simple consta de tres partes diferentes. Primero, se implantan microelectrodos en el espacio epidural para enviar pulsos de estimulación al tejido. En segundo lugar, un generador de impulsos eléctricos implantado en la zona abdominal inferior o en la región de los glúteos mientras está conectado a los electrodos mediante cables, y en tercer lugar, un control remoto para ajustar los parámetros del estímulo, como el ancho y la frecuencia del pulso en el PG. Se han realizado mejoras tanto en los aspectos clínicos de la EME, como la transición de la colocación subdural de contactos a la colocación epidural, lo que reduce el riesgo y la morbilidad de la implantación de la EME, como también en los aspectos técnicos de la EME, como la mejora de los cables percutáneos y los dispositivos múltiples totalmente implantables. estimuladores de canales. Sin embargo, hay muchos parámetros que deben optimizarse, incluido el número de contactos implantados, el tamaño y el espaciado de los contactos y las fuentes eléctricas de estimulación. El ancho del pulso del estímulo y la frecuencia del pulso son parámetros importantes que deben ajustarse en SCS, que normalmente son 400 us y 8-200 Hz respectivamente. [11]
La estimulación de la médula espinal ha mostrado resultados prometedores en lesiones de la médula espinal [12] [13] y otros trastornos del movimiento, como la esclerosis múltiple. [14] La estimulación, aplicada sobre la médula espinal lumbar, funciona activando fibras aferentes de gran diámetro que ingresan a la médula espinal, [15] [16] que luego activan y activan transsinápticamente las redes neuronales espinales. [17] Las mismas estructuras diana también pueden activarse mediante electrodos transcutáneos colocados sobre la columna torácica inferior y el abdomen. [18] La estimulación transcutánea de la médula espinal es completamente no invasiva y, como utiliza electrodos y estimuladores TENS, se puede aplicar a bajo costo. Sin embargo, en comparación con la variante epidural implantada, la eficacia de la estimulación transcutánea de la médula espinal depende de la posición del cuerpo y la alineación de la columna, [19] [20], lo que podría conducir a resultados inconsistentes si la posición y la postura del cuerpo no se controlan durante la estimulación. solicitud.
La evidencia provisional apoya la estimulación del nervio supraorbitario transcutáneo. [21] Los efectos secundarios son pocos. [22]
Los implantes cocleares han proporcionado audición parcial a más de 120.000 personas en todo el mundo hasta 2008. La estimulación eléctrica se utiliza en un implante coclear para proporcionar una audición funcional en personas totalmente sordas. Los implantes cocleares incluyen varios componentes de subsistema desde el procesador externo del habla y el enlace de transmisión de radiofrecuencia (RF) hasta el receptor interno, el estimulador y los conjuntos de electrodos. La investigación moderna sobre implantes cocleares comenzó en las décadas de 1960 y 1970. En 1961, se implantó un tosco dispositivo de un solo electrodo en dos pacientes sordos y se informó de una audición útil con estimulación eléctrica. El primer dispositivo completo de un solo canal aprobado por la FDA se lanzó en 1984. [23] En los implantes cocleares, el sonido es captado por un micrófono y transmitido al procesador externo detrás de la oreja para convertirlo en datos digitales. Luego, los datos digitalizados se modulan en una señal de radiofrecuencia y se transmiten a una antena dentro de un casco. El portador de datos y energía se transmite a través de un par de bobinas acopladas a la unidad interna herméticamente sellada. Al extraer la energía y demodular los datos, se envían comandos de corriente eléctrica a la cóclea para estimular el nervio auditivo a través de microelectrodos. [24] El punto clave es que la unidad interna no tiene batería y debería poder extraer la energía requerida. Para reducir el riesgo de infección, los datos se transmiten de forma inalámbrica junto con la energía. Las bobinas acopladas inductivamente son buenas candidatas para la telemetría de datos y energía, aunque la transmisión de radiofrecuencia podría proporcionar una mejor eficiencia y velocidades de datos. [25] Los parámetros que necesita la unidad interna incluyen la amplitud del pulso, la duración del pulso, la brecha del pulso, el electrodo activo y el electrodo de retorno que se utilizan para definir un pulso bifásico y el modo de estimulación. Un ejemplo de dispositivos comerciales incluye el dispositivo Nucleus 22 que utilizaba una frecuencia portadora de 2,5 MHz y, más tarde, en la revisión más reciente llamada dispositivo Nucleus 24, la frecuencia portadora se incrementó a 5 MHz. [26] La unidad interna de los implantes cocleares es un ASIC ( circuito integrado de aplicación específica).) chip que se encarga de garantizar una estimulación eléctrica segura y confiable. Dentro del chip ASIC, hay una vía de avance, una vía de retroceso y unidades de control. La ruta directa recupera información digital de la señal de RF que incluye parámetros de estimulación y algunos bits de protocolo de enlace para reducir el error de comunicación. La vía de retroceso generalmente incluye un muestreador de voltaje de telemetría posterior que lee el voltaje durante un período de tiempo en el electrodo de registro. El bloque estimulador es responsable de entregar corriente predeterminada mediante una unidad externa a los microelectrodos. Este bloque incluye una corriente de referencia y un convertidor de digital a analógico para transformar comandos digitales en una corriente analógica. [27]
Las evidencias clínicas teóricas y experimentales sugieren que la estimulación eléctrica directa de la retina podría proporcionar algo de visión a sujetos que han perdido los elementos fotorreceptivos de su retina . [28] Por lo tanto, se desarrollan prótesis visuales para restaurar la visión de los ciegos mediante el uso de estimulación. Dependiendo de la ubicación de la vía visual a la que se dirige la estimulación neuronal, se han considerado diferentes enfoques. La vía visual está formada principalmente por el ojo , el nervio óptico , el núcleo geniculado lateral (LGN) y la corteza visual . Por tanto, la estimulación de la retina, el nervio óptico y la corteza visual son los tres métodos diferentes utilizados en las prótesis visuales. [29] Las enfermedades degenerativas de la retina, como la retinitis pigmentosa (RP) y la degeneración macular relacionada con la edad (DMAE), son dos posibles enfermedades candidatas en las que la estimulación de la retina puede ser útil. En los dispositivos retinianos se persiguen tres enfoques llamados estimulación epirretiniana intraocular, subretiniana y transretinal extraocular que estimulan las células neurales restantes de la retina para evitar los fotorreceptores perdidos y permitir que la señal visual llegue al cerebro a través de la vía visual normal. En el abordaje epirretiniano, los electrodos se colocan en la parte superior de la retina, cerca de las células ganglionares , [30] mientras que en los abordajes subretinianos los electrodos se colocan debajo de la retina. [31] Finalmente, la superficie escleral posterior del ojo es el lugar en el que se colocan los electrodos de abordaje extraocular. Second Sight y el grupo Humayun de la USC son los grupos más activos en el diseño de prótesis de retina intraocular. El implante de retina ArgusTM 16 es una prótesis de retina intraocular que utiliza tecnologías de procesamiento de video. En cuanto a la estimulación de la corteza visual, Brindley y Dobelle fueron los primeros que hicieron los experimentos y demostraron que al estimular la parte superior de la corteza visual la mayoría de los electrodos pueden producir percepción visual. [11] Más recientemente, Sawan construyó un implante completo para estimulación intracortical y validó la operación en ratas. [32]
LGN, que se encuentra en el mesencéfalo para transmitir señales desde la retina a la corteza visual, es otra área potencial que puede usarse para estimulación. Pero esta zona tiene un acceso limitado debido a la dificultad quirúrgica. El reciente éxito de las técnicas de estimulación cerebral profunda dirigidas al mesencéfalo ha alentado a la investigación a seguir el enfoque de la estimulación del NGL para una prótesis visual. [33]
Los marcapasos implantables se propusieron por primera vez en 1959 y desde entonces se volvieron más sofisticados. La aplicación terapéutica de los marcapasos consiste en numerosas alteraciones del ritmo que incluyen algunas formas de taquicardia (latidos cardíacos demasiado rápidos), insuficiencia cardíaca e incluso accidentes cerebrovasculares . Los primeros marcapasos implantables funcionaban sólo por poco tiempo y necesitaban recargarse periódicamente mediante un enlace inductivo. Estos marcapasos implantables necesitaban un generador de impulsos para estimular los músculos del corazón con una frecuencia determinada, además de electrodos. [34] Hoy en día, los generadores de impulsos modernos se programan de forma no invasiva mediante sofisticadas máquinas computarizadas que utilizan RF, obteniendo información sobre el estado del paciente y del dispositivo mediante telemetría. También utilizan una única celda de yoduro de litio (LiI) herméticamente sellada como batería. El circuito del marcapasos incluye amplificadores de detección para detectar las señales eléctricas intrínsecas del corazón, que se utilizan para rastrear la actividad cardíaca, circuitos adaptativos de frecuencia, que determinan la necesidad de aumentar o reducir la frecuencia de estimulación, un microprocesador, memoria para almacenar los parámetros, control de telemetría para la comunicación. protocolo y fuentes de alimentación para proporcionar tensión regulada. [35]
Los microelectrodos son uno de los componentes clave de la neuroestimulación, que suministran corriente a las neuronas. Los microelectrodos típicos tienen tres componentes principales: un sustrato (el soporte ), una capa de metal conductor y un material aislante. En los implantes cocleares, los microelectrodos están formados por una aleación de platino-iridio . Los electrodos de última generación incluyen una inserción más profunda para hacer coincidir mejor el lugar tonotópico de estimulación con la banda de frecuencia asignada a cada canal de electrodo, lo que mejora la eficiencia de la estimulación y reduce el trauma relacionado con la inserción. Estos electrodos de implante coclear son rectos o en espiral, como los microelectrodos Med-El Combi 40+ y Advanced Bionics Helix, respectivamente. En los implantes visuales, existen dos tipos de conjuntos de electrodos llamados de tipo plano o de aguja tridimensional o tipo pilar, donde el conjunto de tipo aguja, como el conjunto de Utah, se usa principalmente para estimulaciones del nervio cortical y óptico y rara vez se usa en implantes de retina debido al posible daño. de retina. Sin embargo, en un implante extraocular se ha utilizado una matriz de electrodos de oro en forma de pilar sobre una película delgada de poliimida . Por otro lado, las matrices de electrodos planos se forman a partir de polímeros flexibles, como silicona , poliimida y parileno, como candidatos para implantes de retina. Con respecto a los microelectrodos de DBS, una matriz, que se puede controlar de forma independiente, distribuida por todo el núcleo objetivo permitiría un control preciso de la distribución espacial de la estimulación y, por lo tanto, permitiría una DBS mejor personalizada. Existen varios requisitos para los microelectrodos DBS que incluyen una larga vida útil sin dañar el tejido o degradación de los electrodos, personalizados para diferentes sitios del cerebro, biocompatibilidad a largo plazo del material, mecánicamente duradero para alcanzar el objetivo sin sufrir daños durante la manipulación. el cirujano implantólogo y, finalmente, la uniformidad del rendimiento entre los microelectrodos en una matriz particular. Los microalambres de tungsteno , los microalambres de iridio y los microelectrodos de aleación de platino-iridio pulverizados o electrodepositados [36] son ejemplos de microelectrodos utilizados en DBS. [11] El carburo de silicio es un material potencialmente interesante para la realización de dispositivos semiconductores biocompatibles. [37]
Los principales descubrimientos sobre la neuroestimulación surgieron de la idea de estimular los nervios con fines terapéuticos. El primer uso registrado de estimulación eléctrica para aliviar el dolor se remonta al año 46 d.C., cuando Escribonius Largus utilizó un pez torpedo (rayo eléctrico) para aliviar los dolores de cabeza. [38] A finales del siglo XVIII, Luigi Galvani descubrió que los músculos de las ancas de rana muertas se contraían cuando eran golpeados por corriente directa en el sistema nervioso. [39] En 1870 se demostró que la modulación de la actividad cerebral mediante estimulación eléctrica de la corteza motora en perros daba como resultado el movimiento de las extremidades. [40] Desde finales del siglo XVIII hasta la actualidad se han desarrollado muchos hitos. Hoy en día, se utilizan prótesis sensoriales, como implantes visuales, implantes cocleares, implantes auditivos del mesencéfalo y estimuladores de la médula espinal, así como prótesis motoras, como estimuladores cerebrales profundos, microestimuladores Bion, la interfaz de control y detección del cerebro y dispositivos de electroestimulación cardíaca. son ampliamente utilizados. [11]
En 2013, la empresa farmacéutica británica GlaxoSmithKline (GSK) acuñó el término "electrocéutico" para abarcar ampliamente los dispositivos médicos que utilizan estimulación eléctrica, mecánica o lumínica para afectar la señalización eléctrica en tipos de tejidos relevantes. [41] [42] Los implantes neuronales clínicos, como los implantes cocleares para restaurar la audición, los implantes de retina para restaurar la vista, los estimuladores de la médula espinal para aliviar el dolor o los marcapasos cardíacos y los desfibriladores implantables , son ejemplos propuestos de productos electrocéuticos. [41] GSK formó un fondo de riesgo y dijo que organizaría una conferencia en 2013 para diseñar una agenda de investigación para este campo. [43] Una revisión de 2016 de la investigación sobre las interacciones entre los sistemas nervioso e inmunológico en los trastornos autoinmunes mencionó "electrocéuticos" de pasada y entre comillas, refiriéndose a dispositivos de neuroestimulación en desarrollo para afecciones como la artritis. [44]
Además del enorme uso de la neuroestimulación para aplicaciones clínicas, también se utiliza ampliamente en laboratorios que se remontan a la década de 1920 por personas como Delgado, que utilizaron la estimulación como manipulación experimental para estudiar los conceptos básicos de cómo funciona el cerebro. Los trabajos principales se centraron en el centro de recompensa del cerebro, en el que la estimulación de esas estructuras conducía al placer que solicitaba más estimulación. Otro ejemplo más reciente es la estimulación eléctrica del área MT de la corteza visual primaria para sesgar la percepción. En particular, la direccionalidad del movimiento se representa de forma regular en el área MT. Presentaron a los monos imágenes en movimiento en la pantalla y el rendimiento de los monos fue determinar cuál es la dirección. Descubrieron que al introducir sistemáticamente algunos errores en las respuestas del mono, al estimular el área MT que es responsable de percibir el movimiento en otra dirección, el mono respondía en algún punto entre el movimiento real y el estimulado. Este fue un uso elegante de la estimulación para mostrar que el área MT es esencial en la percepción real del movimiento. Dentro del campo de la memoria , la estimulación se utiliza con mucha frecuencia para probar la fuerza de la conexión entre un haz de células con otro aplicando una pequeña corriente en una célula que resulta en la liberación de neurotransmisores y midiendo el potencial postsináptico .
Generalmente, una corriente corta pero de alta frecuencia en el rango de 100 Hz ayuda a fortalecer la conexión conocida como potenciación a largo plazo . Sin embargo, una corriente más larga pero de baja frecuencia tiende a debilitar las conexiones, lo que se conoce como depresión a largo plazo . [45]