Una pierna biónica integrada en el tejido puede restaurar el movimiento natural en personas amputadas

A diferencia de las prótesis en las que el muñón se asienta dentro de un encaje, el nuevo sistema de pierna biónica se integra directamente con el tejido muscular y óseo del usuario. Esto permite una mayor estabilidad y le otorga al usuario un control mucho mayor sobre el movimiento de la prótesis.

Los participantes en el pequeño estudio clínico también informaron que la extremidad se sentía como una parte de su propio cuerpo, en comparación con las personas que habían tenido amputaciones más tradicionales por encima de la rodilla.

“Una prótesis integrada en el tejido —anclada al hueso y controlada directamente por el sistema nervioso— no es simplemente un dispositivo inerte e independiente, sino un sistema cuidadosamente integrado en la fisiología humana, ofreciendo un mayor nivel de personificación protésica. No es simplemente una herramienta que el ser humano utiliza, sino una parte integral de su ser”, afirma Hugh Herr, profesor de Artes y Ciencias de los Medios, codirector del Centro K. Lisa Yang de Biónica del MIT, miembro asociado del Instituto McGovern de Investigación Cerebral del MIT y autor principal del nuevo estudio.

Tony Shu PhD ’24 es el autor principal del artículo, que acaba de ser publicado en Science .

Mejor control

Durante los últimos años, el laboratorio de Herr ha estado trabajando en nuevas prótesis que pueden extraer información neuronal de los músculos que quedan después de una amputación y usar esa información para ayudar a guiar una prótesis.

Durante una amputación tradicional, se suelen seccionar pares de músculos que se estiran y contraen alternativamente, lo que altera la relación agonista-antagonista normal de los músculos. Esta alteración dificulta enormemente que el sistema nervioso detecte la posición de un músculo y la velocidad de su contracción.

Mediante el nuevo enfoque quirúrgico desarrollado por Herr y sus colegas, conocido como interfaz mioneuronal agonista-antagonista (AMI), los pares musculares se reconectan durante la cirugía para que sigan comunicándose dinámicamente dentro del muñón. Esta retroalimentación sensorial ayuda al usuario de la prótesis a decidir cómo mover la extremidad y también genera señales eléctricas que pueden utilizarse para controlar la prótesis.

Retroalimentación sensorial

En un  estudio de 2024 , los investigadores demostraron que las personas con amputaciones debajo de la rodilla que recibieron la cirugía AMI pudieron caminar más rápido y sortear obstáculos de forma mucho más natural que las personas con amputaciones tradicionales debajo de la rodilla.

En el nuevo estudio, los investigadores ampliaron el enfoque para brindar un mejor servicio a las personas con amputaciones por encima de la rodilla. Buscaban crear un sistema que no solo pudiera leer las señales de los músculos mediante AMI, sino que también se integrara en el hueso, ofreciendo mayor estabilidad y una mejor retroalimentación sensorial.

Para lograrlo, los investigadores desarrollaron un procedimiento para insertar una varilla de titanio en el fémur residual en el lugar de la amputación. Este implante permite un mejor control mecánico y una mejor capacidad de carga que una prótesis tradicional. Además, el implante contiene 16 cables que recopilan información de electrodos ubicados en los músculos del AMI, lo que permite una transducción más precisa de las señales provenientes de los músculos.

Sistema de integración ósea

Este sistema de integración ósea, conocido como e-OPRA, transmite señales AMI a un nuevo controlador robótico desarrollado específicamente para este estudio. El controlador utiliza esta información para calcular el torque necesario para mover la prótesis según las necesidades del usuario.

“Todas las partes trabajan juntas para facilitar la entrada y salida de información del cuerpo y una mejor interacción mecánica con el dispositivo”, explica Shu. “Estamos cargando directamente el esqueleto, que es la parte del cuerpo que se supone que debe cargarse, en lugar de usar encajes, lo cual es incómodo y puede provocar frecuentes infecciones cutáneas”.

En este estudio, dos sujetos recibieron el sistema combinado AMI y e-OPRA, conocido como prótesis mecanoneural osteointegrada (PMO). Se comparó a estos usuarios con ocho que se sometieron a la cirugía AMI, pero no al implante e-OPRA, y con siete usuarios que no se sometieron ni a AMI ni a e-OPRA. Todos los sujetos probaron por turnos una prótesis de rodilla motorizada experimental desarrollada por el laboratorio.

Capacidad para realizar tareas

Los investigadores midieron la capacidad de los participantes para realizar diversos tipos de tareas, como flexionar la rodilla en un ángulo específico, subir escaleras y sortear obstáculos. En la mayoría de estas tareas, los usuarios del sistema OMP obtuvieron mejores resultados que los sujetos sometidos a cirugía de IAM, pero no al implante e-OPRA, y mucho mejores que los usuarios de prótesis tradicionales.

“Este artículo representa la materialización de una visión que la comunidad científica ha tenido durante mucho tiempo: la implementación y demostración de una pierna robótica totalmente integrada fisiológicamente y controlada voluntariamente”, afirma Michael Goldfarb, profesor de ingeniería mecánica y director del Centro de Mecatrónica Inteligente de la Universidad de Vanderbilt, quien no participó en la investigación. “Se trata de un trabajo realmente complejo, y los autores merecen un gran reconocimiento por su esfuerzo para alcanzar un objetivo tan ambicioso”.

Un sentido de encarnación

Además de evaluar la marcha y otros movimientos, los investigadores también hicieron preguntas diseñadas para evaluar la sensación de encarnación de los participantes, es decir, hasta qué punto su prótesis se sentía como parte de su propio cuerpo.

Las preguntas incluían si los pacientes sentían como si tuvieran dos piernas, si sentían que la prótesis formaba parte de su cuerpo y si sentían que la controlaban. Cada pregunta se diseñó para evaluar los sentimientos de autonomía, propiedad del dispositivo y representación corporal de los participantes.

Los investigadores descubrieron que a medida que avanzaba el estudio, los dos participantes con OMP mostraron aumentos mucho mayores en sus sentimientos de agencia y propiedad que los otros sujetos.

“Otra razón por la que este artículo es importante es que analiza estas cuestiones de la personificación y muestra grandes mejoras en esa sensación de personificación”, afirma Herr. “Por muy sofisticados que sean los sistemas de IA de una prótesis robótica, el usuario la percibirá como una herramienta, como un dispositivo externo. Pero con este enfoque de integración tisular, al preguntarle al usuario humano qué es su cuerpo, cuanto más integrado esté, más probable será que diga que la prótesis forma parte de sí mismo”.

El procedimiento AMI se realiza ahora de forma rutinaria en pacientes con amputaciones infrarrojas en el Hospital Brigham and Women’s, y Herr prevé que pronto se convertirá también en el estándar para las amputaciones suprarrojales. El sistema combinado de OMP requerirá ensayos clínicos más amplios para obtener la aprobación de la FDA para su uso comercial, lo que Herr prevé que podría tardar unos cinco años.