La reinervación dirigida permite a los amputados controlar los 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. [1]
La reinervación dirigida tiene un componente eferente y otro 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 y/o desactivan sus nervios originales) y luego se lo reinerva con nervios residuales de la extremidad amputada. [1] Las señales EMG resultantes del músculo diana representan ahora los comandos motores para la extremidad faltante y se utilizan para accionar un dispositivo protésico motorizado. [1]
La reinervación sensorial dirigida es un método mediante el cual se desnerva la piel cercana o sobre el músculo objetivo y luego se la reinerva con fibras aferentes de los nervios restantes de la mano. [2] Por lo tanto, cuando se toca este trozo de piel, le proporciona al amputado la sensación de que se está tocando el brazo o la mano faltantes. [2]
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 EEG y fMRI obtienen comandos motores de forma no invasiva. [3] [4] Las señales registradas se decodifican en señales eléctricas y se ingresan en dispositivos de asistencia o prótesis motorizadas. [3] Las prótesis mioeléctricas tradicionales utilizan señales EMG de superficie de los restos de la extremidad amputada. [5] Por ejemplo, un paciente puede flexionar un músculo del hombro para generar señales EMG que pueden usarse para enviar el comando "doblar el codo" a la prótesis. Sin embargo, todos estos métodos tienen deficiencias. Los implantes crónicos fallan con el tiempo porque la señal neuronal se degrada debido a la respuesta inmune del tejido a cuerpos extraños. [3] El EEG y la fMRI no obtienen señales tan fuertes como el implante de electrodos directos. [4] Las prótesis mioeléctricas tradicionales no pueden proporcionar múltiples señales de control simultáneamente, por lo que solo se puede realizar una acción a la vez. [5] También son poco naturales de usar porque los usuarios tienen que usar músculos (como el hombro) que normalmente no están involucrados con las funciones del antebrazo para controlar las funciones del antebrazo (como abrir y cerrar las manos). [5] La solución a estos problemas podría incluir un concepto completamente diferente de interfaz neuronal.
La reinervación dirigida no requiere ningún implante, por lo que no presenta el problema de la respuesta del tejido a cuerpos extraños, como ocurre con la tecnología de implantes cerebrales crónicos. El músculo objetivo actúa como un amplificador natural de las señales neuronales producidas por los nervios residuales transferidos, lo que supone una ventaja con respecto a tecnologías como la electroencefalografía y la resonancia magnética funcional, que utilizan señales más débiles. Con la reinervación dirigida, se pueden producir múltiples señales EMG independientes, por lo que se pueden controlar simultáneamente múltiples funciones de la extremidad artificial . [1] Por ejemplo, el paciente podría realizar acciones como lanzar una pelota con relativa gracia, mostrando un control simultáneo del codo y la mano. [6] El control también es intuitivo para el paciente porque las señales EMG son generadas por los nervios residuales transferidos de la extremidad, a diferencia de las prótesis mioeléctricas tradicionales, en las que las señales EMG tienen que ser generadas por músculos que normalmente no participan en las funciones del brazo o la muñeca. [1] Además, se pueden utilizar prótesis mioeléctricas disponibles en el mercado, como muñecas y codos eléctricos. [1] 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 conseguido con ninguna otra forma de prótesis antes mencionada. [1]
El objetivo de la reinervación muscular dirigida es transferir múltiples nervios a regiones separadas del músculo objetivo, registrar señales múltiples pero independientes de las regiones musculares y utilizar las señales EMG para controlar una prótesis motorizada lo suficientemente sofisticada para procesar múltiples señales de control. [1]
El requerimiento de trasplantar múltiples nervios a una región muscular se originó a partir de una hipótesis de que la hiperreinervación, por la cual una cantidad excesiva de neuronas motoras transferidas a un músculo, puede aumentar la reinervación de las fibras musculares, mejorando así la recuperación de los músculos paralizados. [1] La hipótesis fue probada en músculos esqueléticos de ratas y el resultado indicó que los músculos hiperreinervados recuperaron más masa muscular y fuerza y se formaron más unidades motoras. [7]
El primer paciente quirúrgico fue un amputado por desarticulación bilateral del hombro. [6] Ambos brazos fueron amputados completamente a la altura del hombro, quedando solo los omóplatos. Los músculos pectorales fueron elegidos como objetivos porque estaban cerca del hombro y también eran biológicamente no funcionales debido al desprendimiento del brazo amputado. [6] Los músculos pectorales fueron primero desnervados cortando los nervios originales que los inervan. [6] Los extremos proximales de los nervios originales fueron ligados para evitar que reinervaran el músculo pectoral. [6] Luego, los nervios remanentes del brazo ( plexo braquial ) fueron transferidos a los músculos pectorales. [6] El nervio musculocutáneo fue transferido a la cabeza clavicular del músculo pectoral mayor ; el nervio mediano fue transferido al esternal superior del músculo pectoral mayor; el nervio radial fue transferido a la cabeza esternal inferior del músculo pectoral mayor. [1] El músculo pectoral menor se translocó desde debajo del músculo pectoral mayor hasta la pared torácica lateral, de modo que sus señales EMG no interfirieran con las del músculo pectoral mayor, y también es un cuarto músculo objetivo. [6] Luego, el nervio cubital se transfirió al músculo pectoral menor movido. [6] Los nervios musculocutáneo, mediano, radial y cubital ( plexo braquial ) se cosieron a los extremos distales de los fascículos nerviosos del músculo pectoral original y al músculo mismo. [6] Se eliminó la grasa subcutánea sobre el músculo pectoral para que los electrodos pudieran estar lo más cerca posible del músculo para obtener señales EMG óptimas. [1]
Aproximadamente 3 meses después de la cirugía, el paciente tuvo la primera contracción en el músculo pectoral cuando intentó doblar su codo fantasma. [1] Cinco meses después de la cirugía, pudo contraer cuatro regiones del músculo pectoral mayor al intentar diferentes movimientos. [1] Por ejemplo, cuando el paciente intentó doblar su codo, la región muscular debajo de la clavícula se contrajo fuertemente. [1] Esto fue una indicación de una transferencia nerviosa musculocutánea exitosa porque el nervio musculocutáneo inerva el bíceps. [1] Luego, el paciente fue puesto pronto en una sesión de entrenamiento y una sesión de prueba. Durante la sesión de entrenamiento, el paciente estaba sentado en posición vertical y se le mostraron cada uno de los 27 movimientos normales (como aducción / abducción del hombro , mano abierta / cerrada, flexión / extensión del codo, etc.) en un video. [8] Después de cada demostración, el paciente siguió el movimiento 10 veces, ejerciendo una fuerza moderada, sostenida durante 2,5 segundos. [8] Se le dieron 5 segundos de descanso al paciente después de cada intento. [8] Durante la sesión de prueba, el paciente realizó 5 series de 27 movimientos en orden aleatorio. [8] Primero se le mostró un video de un movimiento y luego se le pidió que siguiera el video repetido del mismo movimiento simultáneamente después de 2 segundos. [8]
Se utilizó un sistema BioSemi Active II (producido por BioSemi, Ámsterdam, Países Bajos) y un conjunto de electrodos de 127 canales para registrar señales EMG monopolares mientras el paciente intentaba movimientos durante las sesiones de entrenamiento y prueba. [8] Se utilizaron ciento quince electrodos para registrar EMG del músculo pectoral; se utilizaron dos electrodos para registrar de cada uno de los músculos deltoides , dorsal ancho , supraespinoso , trapecio superior , trapecio medio y trapecio inferior. [8] Los electrodos se colocaron a una distancia de 15 mm entre sí. [8] Para eliminar el artefacto causado por el movimiento del cuerpo, las señales EMG se filtraron preliminarmente con un filtro de paso alto Butterworth de quinto orden ajustado a 5 Hz. [8]
El principal contaminante de la señal EMG fue el artefacto del ECG . [9] Para eliminar el ruido del ECG, se construyó una plantilla de ECG promediando los complejos de ECG registrados cuando los músculos estaban relajados. [9] El tiempo entre cada complejo de ECG se utilizó para calcular un intervalo entre picos representativo. [9] La detección de picos de ECG se calculó a partir de las correlaciones entre EMG y la plantilla de ECG. [9] Se estableció un umbral para que las señales que excedieran el umbral se marcaran como posibles picos de ECG. [9] Luego, los intervalos entre picos de los posibles picos se compararon con el intervalo entre picos representativo calculado previamente para determinar si los posibles picos debían aceptarse como artefactos del ECG. [9]
Otra tarea importante del procesamiento de las señales EMG es eliminar la interferencia de otros músculos. [10] En primer lugar, se determinan empíricamente las posiciones y la distancia entre los electrodos para obtener la EMG más fuerte y, por lo tanto, la menor interferencia. [10] Establecer un umbral por encima del ruido de fondo y la interferencia de otros músculos también ayuda a eliminar la interferencia. [10] Un tamaño muscular más pequeño y la grasa subcutánea facilitan la interferencia. [10] Con un nivel mínimo de menos de 3 mm de grasa subcutánea, se espera que la interferencia sea mínima en un área de 2 a 3 cm de diámetro. [10]
Después de la cirugía, al paciente se le colocó su prótesis corporal preoperatoria en el lado derecho y una prótesis mioeléctrica experimental que consistía en un dispositivo terminal Griefer, un rotador de muñeca eléctrico, un brazo digital Boston y una articulación de hombro LTI-Collier en el lado izquierdo. [1] Se eligieron tres señales EMG más fuertes de las transferencias nerviosas exitosas: el nervio musculocutáneo, el nervio mediano y el nervio radial. [6] 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 se utilizó para controlar la flexión del codo; la EMG del nervio radial se utilizó para controlar la rotación y flexión de la muñeca. [6]
El desempeño de estas dos prótesis se comparó con una prueba de caja y bloques , donde se le permitió al paciente 2 minutos para mover cubos de una pulgada de una caja a otra, sobre una pared corta. [6] El resultado se cuantificó por el número total de bloques movidos. [6] Para probar el dispositivo terminal ("mano"), el codo y el rotador de la muñeca, se le administró al paciente una prueba de pinzas de ropa, donde se le pidió que recogiera pinzas de ropa de una barra horizontal, las girara y luego las colocara en una barra vertical más alta. [6] Se registró el tiempo utilizado para mover 3 pinzas de ropa. Ambas pruebas se repitieron 3 veces. [6] Los resultados cuantificados mostraron que la prótesis mioeléctrica funcionó un 246% mejor (movió 2,46 veces más bloques) en la prueba de caja y bloques, y un 26,3% mejor (utilizó un 26,3% menos de tiempo para mover pinzas de ropa) en la prueba de pinzas de ropa. [6]
También se construyó una prótesis experimental de seis motores. La característica más sorprendente de la reinervación dirigida en comparación con las prótesis mioeléctricas tradicionales es su capacidad de proporcionar múltiples señales para controlar múltiples funciones simultáneamente. Aunque las prótesis mioeléctricas actuales se pueden utilizar directamente, están diseñadas y dirigidas al control mioeléctrico tradicional. Por lo tanto, la única prótesis disponible comercialmente solo tiene un dispositivo terminal motorizado (a menudo un gancho), rotación de muñeca y codo motorizado. [6] Para aprovechar al máximo las múltiples señales proporcionadas por la reinervación dirigida, se construyó una prótesis experimental con componentes de potencia agregados: 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 deltoides. Con esta prótesis de seis motores, el paciente podría controlar múltiples articulaciones al mismo tiempo y realizar nuevas tareas que no podría lograr con otras prótesis, como extender la mano para recoger objetos y ponerse un sombrero. [6]
La reinervación sensorial dirigida se descubrió por accidente. Mientras le aplicaban alcohol en el pecho después de la cirugía, el paciente describió una sensación de que le tocaban el dedo meñique. La explicación de este fenómeno es que, como le habían quitado la grasa subcutánea durante la cirugía, la piel del pecho se desnervó. De este modo, las fibras nerviosas aferentes se regeneraron a través del músculo pectoral, reinervando la piel que recubre el músculo. [2] Desde entonces, se han mapeado áreas del músculo pectoral en partes del brazo y la mano según la descripción del paciente de las sensaciones táctiles que sentía. [6] Cuando se le tocaba una región específica del músculo pectoral, el paciente describía en qué parte del miembro fantasma sentía que lo tocaban. [6] Por ejemplo, cuando se le tocaba en una región inmediatamente por encima del pezón, sentía como si le estuvieran tocando el antebrazo anterior.
Con este descubrimiento, el equipo se propuso realizar una cirugía de transferencia nerviosa específicamente destinada a reinervar la retroalimentación sensorial. Se desnervó un trozo de piel cerca o sobre el músculo objetivo, de modo que las fibras nerviosas aferentes pudieran reinervar la piel. [2] En el caso de una paciente con amputación del brazo izquierdo a la altura del cuello humeral , se cortó el nervio sensorial supraclavicular , se ligó el extremo proximal para evitar la regeneración y la reinervación, y se coaptó el extremo distal de extremo a lado al nervio cubital. [2] El nervio cutáneo intercostobraquial se trató con el mismo método, con el extremo distal coaptado al nervio mediano. [2]
Esta técnica se ha denominado “sensación de transferencia” y tiene el potencial de proporcionar una retroalimentación sensorial útil, como la detección de presión, para ayudar al paciente a juzgar la cantidad de fuerza que se debe ejercer. [2]
Después de la cirugía, se le pidió al paciente que identificara las áreas del pecho con la sensación más prominente de los dedos individuales, que luego se mapearon en un diagrama. [2] 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 sensación). [2] Se utilizó un neurómetro Neurotip para determinar la sensibilidad de la agudeza y la opacidad en 20 sitios distribuidos por todo el músculo objetivo (el pecho). [2] Se presionó un diapasón contra los puntos del pecho para evaluar la capacidad del paciente para detectar la vibración. [2] Se utilizó un analizador neurosensorial TSA II para evaluar los umbrales de temperatura en dos puntos del pecho. [2] El otro músculo pectoral (normal) del paciente, el brazo y la mano normales se utilizan como controles. [2]
La paciente pudo percibir todas las modalidades de sensación cutánea. [2] Sin embargo, en lugar de la detección de presión normal, percibió un hormigueo en respuesta al tacto en la piel del tórax objetivo. [2] El umbral más bajo por encima del cual se podía sentir un toque ligero en el músculo objetivo fue de 0,4 g, mientras que el músculo del tórax de control tuvo un umbral de toque 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 ubicaciones homólogas. [2] El tórax de control demostró un umbral mucho más bajo, por lo tanto, una mayor sensibilidad. La paciente pudo discernir una presión creciente y graduada. [2] Sintió más hormigueo a medida que aumentaba la presión de prueba. [2] 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 del tórax de control. [2] El umbral medio de percepción de calor fue de 35,2 °C en el músculo diana y de 34,7 °C en el músculo pectoral de control. [2] La paciente pudo discernir entre estímulos agudos y sordos y detectar vibraciones en 19 de los 20 puntos seleccionados para la prueba. [2] La paciente describió todas las sensaciones mencionadas anteriormente percibidas por la paciente como si ocurrieran en su mano fantasma. [2]
Los éxitos extraordinarios conllevan ciertos riesgos y fracasos. Los riesgos generales de la cirugía, además de los riesgos estándar de la cirugía, incluyen parálisis permanente del músculo afectado, recurrencia del dolor del miembro fantasma y desarrollo de neuromas dolorosos . [2]
En el primer paciente, la transferencia del nervio cubital no tuvo éxito. [1] La región muscular no se reinervó como se esperaba, sino que se volvió azulada después de la movilización, posiblemente debido a una congestión del suministro vascular. [1]
En el caso de la mujer con amputación del brazo izquierdo mencionada anteriormente, el dolor de su miembro fantasma regresó después de la cirugía. [2] Aunque en menor grado y se resolvió en 4 semanas, todavía presentaba un riesgo grave porque no está claro si se resolverá en otros pacientes futuros. [2] Además, la cirugía no tuvo éxito en un paciente porque las lesiones nerviosas graves no fueron detectables hasta durante la cirugía. [6]
También queda en especulación 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 potencialmente control del pulgar. [1] Dado que todos los pacientes anteriores eran amputados de miembros superiores, el equipo también espera pasar eventualmente a amputados de miembros inferiores. [1]
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. [1] 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. [1]
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. [1]
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 una reinervación muscular dirigida y a una osteointegración de un puerto de titanio para probar y perfeccionar su diseño de la prótesis modular financiada por DARPA [11].