Científicos del MIT logran controlar los músculos de ratones con luz

Un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), liderado por el investigador mexicano Guillermo Herrera-Arcos, experto en biomecatrónica, y el ingeniero biofísico Hugh Herr, ha presentado esta semana en la revista Science Robotics un nuevo método que, en lugar de utilizar electricidad para activar los músculos, emplea luz.

En el estudio, llevado a cabo en ratones, los científicos demuestran que la técnica optogenética ofrece un control muscular más preciso y una disminución drástica de la fatiga, en comparación con la estimulación eléctrica.

“La estimulación mediante dispositivos electrónicos tiende a activar todo el músculo a la vez, lo que causa agotamiento y pérdida de control entre 5 y 10 minutos después de iniciar el movimiento”, comenta Herrera-Arcos a SINC.

Según este experto, “con la optogenética, el control de neuronas motoras y músculos es similar a la manera en la que lo hace nuestro cerebro. En cambio, con la estimulación eléctrica, este control no es natural, por lo cual resulta impreciso y causa fatiga muscular. Nuestro sistema puede realizar este control con alta precisión y sin agotamiento durante mucho tiempo”.

Con la optogenética, el control de neuronas motoras y músculos es similar a la manera en la que lo hace nuestro cerebro. En cambio, con la estimulación eléctrica, este control no es natural, por lo cual resulta impreciso y causa fatiga muscular

Guillermo Herrera-Arcos, experto en biomecatrónica (MIT)

La optogenética se basa en la ingeniería genética de células para que expresen proteínas sensibles a la luz, lo que permite dirigir la actividad de esas células exponiéndolas a dicha claridad.

Aún no aplicable en humanos

Está técnica aún no es aplicable en personas, pero Herrera-Arcos y Hugh Herr, junto con investigadores del Centro de Biónica K. Lisa Yang del MIT, trabajan ahora en formas de introducir proteínas sensibles a la luz de forma segura y eficaz en los tejidos humanos.

“Mediante la utilización de la luz a través de la optogenética se puede controlar el músculo de forma más natural. En futuras aplicaciones clínicas, este tipo de interfaz podría tener una utilidad muy amplia”, subraya Herr, quien en 2016 recibió el Premio Princesa de Asturias de Investigación Científica y Técnica por sus desarrollos de prótesis biónicas de alta tecnología que él mismo utiliza.

Hugh Herr (izquierda) considera que el uso de la optogenética podría dar lugar a una estrategia mínimamente invasiva que cambiaría las reglas del juego en atención clínica a las personas con patología de las extremidades. / Steph Stevens

En los últimos años, se han conseguido grandes logros con la estimulación eléctrica de la médula espinal. Entre los grupos más punteros, está el del neurocientífico Grégoire Courtine, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (Suiza). El equipo presentó la semana pasada en Nature Medicine los resultados de un dispositivo de estimulación eléctrica no invasiva de la médula espinal, con el que se ha conseguido mejorar la función del brazo y de la mano de 43 personas con tetraplejia.

El grupo de Courtine había previamente logrado que personas con parálisis volvieran a caminar con implantes electrónicos en la médula espinal. A pesar de los avances en este ámbito, los investigadores del MIT insisten en que el uso de este tipo de dispositivos electrónicos no se ha llegado a generalizar porque provoca un rápido agotamiento muscular y un control deficiente.

Herrera- Arcos y Hugh Herr trabajan ahora en formas de introducir proteínas sensibles a la luz de forma segura y eficaz en los tejidos humanos

Sin embargo, Herrera-Arcos reconoce a SINC que la fatiga en los recientes estudios –como los llevados a cabo por el equipo de Courtine– no ha sido estudiada ampliamente todavía.

Máquinas moleculares ópticas

En el nuevo trabajo, los tecnólogos del MIT intentaron controlar la contracción de los músculos mediante máquinas moleculares ópticas a través de la optogenética, en lugar de con electrodos.

Para ello, utilizaron ratones como modelo animal y compararon la cantidad de fuerza muscular que podían generar mediante el método de estimulación eléctrica tradicional con la generada por su sistema optogenético.

Los roedores fueron modificados genéticamente para que expresaran una proteína sensible a la luz llamada canalrodopsina-2. Se les implantó una pequeña fuente de luz cerca del nervio tibial, que controla los músculos de la parte inferior de la pierna.

El equipo descubrió que, a diferencia de la estimulación eléctrica, el control optogenético producía un aumento constante y gradual de la contracción del músculo

Luego, se midió la fuerza muscular a la vez que se aumentaban gradualmente la cantidad de estimulación luminosa. Descubrieron que, a diferencia de la estimulación eléctrica, el control optogenético producía un aumento constante y gradual de la contracción del músculo.

Herrera-Arcos reitera que, a medida que cambiaron la estimulación óptica suministrada al nervio, controlaron proporcionalmente, de forma casi lineal, la fuerza del músculo. “Esto es similar a cómo las señales de el cerebro controla los músculos. Por eso es más fácil controlarlo que con la estimulación eléctrica».

Resistencia a la fatiga

Con los datos de los experimentos, los investigadores crearon un modelo matemático de control muscular optogenético, capaz de relacionar la cantidad de luz que entra en el sistema con la salida del músculo (cuánta fuerza se genera).

El modelo matemático permitió diseñar un controlador de bucle cerrado. En este tipo de sistema, el controlador emite una señal estimuladora y, cuando el músculo se contrae, un sensor detecta la fuerza que ejerce. Luego, calcula si es necesario ajustar la estimulación luminosa para alcanzar la fuerza deseada y en qué medida.

Observaron que los músculos podían estimularse durante más de una hora antes de fatigarse, mientras que con la estimulación eléctrica los músculos se debilitaban tras solo 15 minutos.

Los investigadores observaron que los músculos podían estimularse durante más de una hora antes de fatigarse, mientras que con la estimulación eléctrica los músculos se debilitaban tras solo 15 minutos.

Uno de los obstáculos que estos expertos intentan superar es cómo introducir de forma segura proteínas fotosensibles en el tejido humano.

Herrera-Arcos explica a SINC que “estas proteínas ya están en pruebas clínicas en humanos para restaurar la visión en pacientes con enfermedades como retinitis pigmentosa. Sin embargo –agrega–, cuando son aplicadas en otros sistemas que no son el sistema visual como, por ejemplo, el sistema periférico para el control de músculos, hay una respuesta inmunitaria a la proteína”.

Este –dice– “es ahora nuestro principal reto: hacer que la proteína fotosensible sea compatible con el sistema nervioso periférico. Además, estamos trabajando en integrar esta tecnología de estimulación con sistemas de sensores de tejidos para restaurar el movimiento en situaciones complejas, como caminar y correr”.

Devolver sensaciones

Respecto a los posibles beneficios de su técnica cuando esté mejorada, el investigador mexicano apunta que “en muchas de las condiciones en las que hay parálisis, los músculos están sanos, pero no reciben una señal de cuándo y cómo deberían moverse”.

Nuestro reto es hacer que la proteína fotosensible sea compatible con el sistema nervioso periférico. También trabajamos en integrar la estimulación con sistemas de sensores de tejidos para restaurar el movimiento en situaciones complejas, como caminar y correr

Añade que, con su sistema, “las señales que normalmente tendrían que venir del cerebro, serían reemplazadas por pulsos de luz que indicarían a los músculos cuándo y cómo deben moverse”.

La finalidad del equipo del MIT con la aplicación de la optogenética es “recuperar el funcionamiento de músculos en personas con parálisis y en aquellas que hayan sufrido una amputación. En estas últimas, se podría utilizar para estimular músculos en respuesta a movimientos de la prótesis y devolver sensaciones”, afirma Herrera-Arcos.

“Esto podría dar lugar a una estrategia mínimamente invasiva que cambiaría las reglas del juego en lo que respecta a la atención clínica de las personas que sufren patologías en las extremidades”, concluye Herr.

Referencia:

Herrera- Arcos, Herr el al. “Closed-loop optogenetic neuromodulation enables high-fidelity fatigue-resistant muscle control”. Science Robotics (2024)