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INGENIERÍA BIOMÉDICA

El arte de pararse

La comprensión de la comunicación entre nervios y músculos puede ayudar en la rehabilitación de pacientes con enfermedades neurodegenerativas

bçbmç-300x297FABIO OTUBOUn hecho curioso para reflexionar mientras se permanece de pie, esperando en alguna cola: sin la actividad constante de músculos y nervios, el cuerpo se desmoronaría como una marioneta soltada por quien la manipula. Para sostenerse en pie, parado, no basta con que los impulsos eléctricos que transmite el sistema nervioso ordenen a los músculos que permanezcan rígidos permanentemente. Si así fuese, el equilibrio del cuerpo humano sería idéntico al de un palo de escoba: cualquier perturbación ‒la brisa más tenue o incluso la propia respiración o los latidos cardíacos‒ provocarían su caída. El mantenerse erguido sobre dos piernas exigiría la habilidad de un equilibrista de circo, que debe moverse de acá para allá para sostener un plato en la punta de una varilla. En el cuerpo humano, una parte del sistema nervioso central ordena, de manera automática, la contracción y relajación coordinada de los músculos de la pierna, dejando al cerebro libre para prestar atención al entorno o divagar al respecto de esa clase de curiosidades.

“Aunque no se lo note, permanecer parado es un desafío constante para el sistema nervioso”, explica André Fábio Kohn, ingeniero biomédico de la Universidad de São Paulo (USP). Kohn y sus alumnos de doctorado desarrollaron un nuevo modelo que describe la forma en que una parte de la médula espinal ‒el tejido formado por las neuronas agrupadas en el interior de un conducto que atraviesa los huesos de la columna‒ controla la contracción y relajación de los músculos ubicados debajo de las rodillas. Esos músculos son los que controlan las rotaciones del tobillo, impidiendo que el cuerpo erguido caiga hacia adelante o hacia atrás.

El modelo del equipo de Kohn demuestra que la médula espinal es lo suficientemente poderosa como para recibir las señales eléctricas indicadoras de tensión en los músculos, procesarlas y enviar de regreso las órdenes para controlar esa tensión, con poquísima ayuda del cerebro. “Algunos piensan que la médula espinal es como un cable eléctrico que está conectado al cerebro, tan sólo un manojo de nervios de paso, pero esa idea es errónea. Si el cerebro es el equivalente a una supercomputadora, la médula espinal sería una computadora muy potente”.

Los músculos simulados por el equipo de Kohn presentan el mismo modelo de actividad eléctrica ‒una combinación de señales continuas e intermitentes‒ que los neurofisiólogos e ingenieros biomédicos observaron en experimentos recientes con seres humanos. Un músculo de acción rápida, el gastrocnemio [al que popularmente se lo conoce como gemelo], que, además de mantener la postura, ayuda a saltar y correr, actúa en forma más pulsante, intermitente, activándose entre una y dos veces por segundo. En tanto, un músculo más lento, aunque más resistente a la fatiga, el sóleo, tiende a activarse de manera casi permanente. “Algunos músculos responden en forma continua, mientras que otros lo hacen intermitentemente”, dice la médica Júlia Greve, del Instituto de Ortopedia y Traumatología de la Facultad de Medicina de la USP. Greve investiga terapias que ayudan en la recuperación de pacientes ancianos o con enfermedades neurodegenerativas con dificultades para realizar movimientos y mantener la postura. “El control del sistema nervioso sobre la sensibilidad de los músculos establecido en el modelo de Kohn constituye una función importante para la rehabilitación de esas personas”.

“Al permanecer de pie e inclinarse un poco hacia adelante, los músculos de la pantorrilla, el sóleo y el gastrocnemio, se contraen, mientras que el del frente de la pierna, el tibial anterior, se relaja”, explica Greve. En cambio, la musculatura de la parte anterior de la pierna se contrae y la de la pantorrilla se relaja si la tendencia fuera caer hacia atrás. “Este sincronismo está modelado en un mismo segmento de la médula espinal; la señal que le indica a un músculo contraerse es la misma que le indica al otro relajarse”.

La médica nota que el control de esos músculos representa tan sólo una parte del sistema de control postural. Para mantener el cuerpo en cierta posición, cada segmento de la médula necesita una copia del circuito de control desde el tobillo hacia los demás músculos del cuerpo. Además, la médula espinal y la corteza motora, la región cerebral responsable de los movimientos conscientes, deben trabajar en conjunto para integrar la información recibida desde los nervios ligados a los músculos con los datos registrados por la visión, el tacto y el sistema vestibular del oído interno, que suministra una referencia de dónde está la cabeza con relación al resto del cuerpo. “Sin esa noción, nos caemos”, dice.

Luego de permanecer algún tiempo parado, el cuerpo comienza a emplear otras estrategias para mantener el equilibrio. Más allá de la oscilación del tobillo, comienza a moverse la cadera y el apoyo del peso se centra alternadamente en una u otra pierna. “El sistema de control postural humano es un mecanismo de una complejidad extraordinaria”; dice el experto en biomecánica Daniel Boari, de la Escuela de Educación Física y Deporte de la USP. Según Boari, alrededor de 750 músculos controlan los más de 200 tipos de movimientos independientes que el cuerpo es capaz de realizar. “Cada grupo de investigación posee un punto de vista algo diferente al respecto de los mecanismos neuromusculares que intervienen en esas situaciones”, dice el ingeniero biomédico Robert Peterka, de la Universidad de salud y Ciencia de Oregón, en Estados Unidos.

046-049_Coluna_228El ingeniero brasileño Hermano Krebs, investigador del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), construyó y utiliza robots con la intención de ayudar en la fisioterapia de pacientes que perdieron parte de su movilidad a causa de lesiones en el sistema nervioso. Los robots funcionan como fisioterapeutas automáticos, corrigiendo los movimientos. Krebs trabaja junto al equipo de Kohn en un proyecto que, de resultar exitoso, permitirá que el nuevo modelo computarizado se utilice para orientar terapias de rehabilitación. “Para mejorar la rehabilitación robótica, es importante observar el problema desde diferentes puntos de vista, mediante experimentos y simulaciones”, dice.

“No basta con ser bueno en matemática y computación para elaborar esos modelos; hay que estudiar fisiología y conocer los trabajos experimentales para mejorar la intuición con respecto al problema”, dice Kohn. El profesor comenzó a investigar la fisiología del sistema nervioso cuando todavía cursaba la carrera de ingeniería eléctrica en la Escuela Politécnica de la USP, a finales de los años 1970. El origen de su modelo para el control de la postura erguida se remonta a 1994, cuando pasó un año en un laboratorio de los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos. Allí aprendió a valerse de mediciones de la actividad eléctrica en nervios y músculos, registradas mediante electrodos colocados en la piel de voluntarios, para deducir a través de qué circuitos neuronales procesa la médula espinal las señales eléctricas.

Ésos y otros experimentos revelaron que las neuronas no son simples elementos de circuitos eléctricos que funcionan regularmente como relojes. Estas células disparan señales eléctricas en forma abrupta y aleatoria, que se reflejan en el movimiento del cuerpo. Incluso cuando un soldado entrena para marchar con pasos regulares, existe una pequeña variación en la longitud de sus pasos. Pero, paradójicamente, el movimiento constante y suave de un músculo es el resultado de la actividad conjunta de cientos de neuronas conectadas a las fibras musculares que, al emitir señales en forma aleatoria y levemente asincrónica, moderan la actividad de unos y otros.

Mediante la combinación de los datos que surgen de sus experimentos y de los de otros investigadores, Kohn y Rogério Cisi, por entonces alumno suyo de doctorado, crearon en 2008 un modelo en computadora de la médula espinal y de las neuronas involucradas en el control muscular. “Ése es el núcleo de nuestro nuevo modelo”, explica Kohn. En 2013, junto a otros dos doctorandos, Leonardo Elias y Renato Watanabe, amplió el modelo de Cisi incluyéndole descripciones minuciosas de los músculos responsables del mantenimiento del tono del tobillo. El modelo tiene en cuenta, por ejemplo, órganos sensitivos de los tendones y conexiones entre fibras musculares y neuronas a los que se denomina husos musculares, que actúan como sensores e informan al sistema nervioso sobre el estiramiento y la fuerza que sienten los músculos.

“Somos conscientes de las limitaciones del modelo”, dice Kohn, reconociendo la forma simplificada con que se trata a los elementos del sistema locomotor. Las dendritas, el cuerpo celular y el axón de cada neurona se representan mediante circuitos eléctricos que incluyen aspectos dinámicos del funcionamiento neuronal, lo cual permite efectuar una reproducción más realista de la actividad de las neuronas reales. La complejidad del entrelazamiento de las neuronas y de las células musculares también se encuentra reducida. Pero la simplificación más radical es la del cuerpo humano como un todo, representado por una barra sujeta al suelo mediante una conexión móvil, que cumple el rol del tobillo. En ese modelo, al que se conoce con el nombre de péndulo invertido, la barra se mantiene en pie debido a la acción compensatoria del sóleo, del gastrocnemio y del tibial anterior. “Está simplificado, pero no es simple”, afirma Kohn al respecto del modelo, que incluye la representación de miles de neuronas y de 1 millón de conexiones (sinapsis) entre ellas en 5 mil ecuaciones matemáticas.

Las simulaciones sugieren que el procesamiento de la información que se realiza en la médula espinal logra mantener a una persona de pie durante al menos 30 segundos y con características similares a las de los seres humanos sanos. En concordancia con el modelo, el segmento superior del sistema nervioso central, que incluye al cerebro, colabora con la actividad de la médula enviándole una señal eléctrica especial. “Imitamos el modo por el cual el sistema nervioso central ‒y particularmente la médula espinal‒ intenta procesar, grosso modo, las respuestas de los sentidos implicados en cierto movimiento”, dice Kohn.

“Creo que Kohn posee el modelo más representativo del circuito entre la médula espinal y los músculos”, dice Krebs, quien contempla la utilización de ese modelo al revés. Sus robots miden con exactitud las variaciones en la estabilidad del tobillo de una persona de pie, estabilidad que se altera luego de un accidente cerebrovascular (ACV), porque disminuyen las señales enviadas a la médula espinal. “Con menos señal descendente, ciertas partes del tobillo dejan de responder, mientras que otras responden en forma más activa”, dice Krebs. “Me propongo hacer lo inverso: cargarle al modelo datos de la rigidez del tobillo y utilizarlo para descubrir cómo es la señal que envía el cerebro a la médula”.

¿Podría utilizarse este modelo en una terapia robótica, o para proyectar una prótesis que mejore la señal eléctrica que emite el cerebro de alguien que ha sufrido un ACV? Aún no, opina Kohn. El mayor inconveniente radica en que el modelo presenta muchas variables y, si bien actúa de manera natural, todavía no se conoce cómo cada parte interactúa con la otra. “En la actualidad, su uso clínico es inviable”, admite Kohn. Krebs es más optimista. “Cada vez que lo encuentro a Kohn, su equipo se acerca más a esa posibilidad”.

Artículo científico
ELIAS, L. A. et al. Spinal mechanisms may provide a combination of intermittent and continuous control of human posture: predictions from a biologically based neuromusculoskeletal model. PLOS Computational Biology. v. 10. nov. 2014.

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