Cientistas restauram movimento de primata incapacitado de andar

Uma equipe internacional de cientistas usou uma "interface cérebro-espinhal" sem fio para contornar as lesões na medula espinhal em um par de macacos rhesus, restaurando o movimento intencional da perna temporariamente paralisada. Os pesquisadores, que descrevem seu trabalho na revista Nature, dizem que esta é a primeira vez que uma prótese neural foi usada para restaurar o movimento de caminhada diretamente das pernas de primatas não-humanos.

O estudo foi realizado por cientistas e neuroengenheiros em uma colaboração liderada pela Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL) na Suíça, juntamente com Brown University, Medtronic e Fraunhofer ICT-IMM na Alemanha. O trabalho baseia-se em tecnologias neurais desenvolvidas na Brown e instituições parceiras, e foi testado em colaboração com a Universidade de Bordeaux, Motac Neuroscience e o Hospital Universitário de Lausanne.

"O sistema que desenvolvemos usa sinais gravados a partir do córtex motor do cérebro para desencadear a estimulação elétrica coordenada de nervos na coluna vertebral que são responsáveis pela locomoção", disse David Borton, professor assistente de engenharia em Brown e um dos co- Autores principais. "Com o sistema ligado, os animais em nosso estudo tinham quase locomoção normal."

O trabalho poderia ajudar no desenvolvimento de um sistema semelhante concebido para os seres humanos que tiveram lesões da medula espinhal."Há evidências que sugerem que um sistema de estimulação vertebral controlado pelo cérebro pode melhorar a reabilitação após uma lesão na medula espinhal", disse Borton. "Este é um passo em direção a novos testes dessa possibilidade."

Grégoire Courtine, professor da EPFL que liderou a colaboração, iniciou ensaios clínicos na Suíça para testar a parte vertebral da interface. Ele adverte: "Há muitos desafios pela frente e pode levar vários anos até que todos os componentes dessa intervenção possam ser testados nas pessoas".

Restabelecendo a comunicação:

Andar é possível por uma interação complexa entre neurônios no cérebro e na medula espinal. Os sinais elétricos originados no córtex motor do cérebro viajam até a região lombar na medula espinhal inferior, onde ativam neurônios motores que coordenam o movimento dos músculos responsáveis pela extensão e flexão da perna.

Lesão na coluna superior pode cortar a comunicação entre o cérebro e a medula espinhal inferior. Tanto o córtex motor como os neurônios espinais podem ser totalmente funcionais, mas são incapazes de coordenar sua atividade. O objetivo do estudo foi restabelecer parte dessa comunicação.

A interface cérebro-espinhal utilizou uma matriz de eletrodos de tamanho de pílula implantada no cérebro para registrar sinais do córtex motor. A tecnologia de sensores foi desenvolvida em parte para uso em humanos pela colaboração BrainGate, uma equipe de pesquisa que inclui Brown, Case Western Reserve University, Hospital Geral de Massachusetts, Providence VA Medical Center e Universidade de Stanford. A tecnologia está sendo usada em testes clínicos piloto em andamento, e foi usada anteriormente em um estudo liderado por Brown neuroengineer Leigh Hochberg em que as pessoas com tetraplegia foram capazes de operar um braço robótico simplesmente por pensar sobre o movimento de sua própria mão.

Um neurosensor sem fio, desenvolvido no laboratório de neuroengenharia do professor Brown Arto Nurmikko por uma equipe que incluiu Borton, envia os sinais coletados pelo chip cerebral sem fio a um computador que os decodifica e os envia sem fio de volta para um estimulador espinhal elétrico implantado na região lombar Coluna abaixo da área da lesão. Essa estimulação elétrica, entregue em padrões coordenados pelo cérebro descodificado, sinaliza para os nervos espinhais que controlam a locomoção.

Para calibrar a descodificação de sinais cerebrais, os pesquisadores implantaram o sensor cerebral eo transmissor sem fio em macacos saudáveis. Os sinais transmitidos pelo sensor poderiam então ser mapeados nos movimentos das pernas dos animais. Eles mostraram que o decodificador foi capaz de prever com precisão os estados cerebrais associados com extensão e flexão dos músculos das pernas.

A capacidade de transmitir sinais cerebrais sem fio foi fundamental para este trabalho, disse Borton. Sistemas de detecção do cérebro com fio limitam a liberdade de movimento, o que, por sua vez, limita a informação que os pesquisadores conseguem reunir sobre a locomoção.

"Fazer isso sem fio nos permite mapear a atividade neural em contextos normais e durante o comportamento natural", disse Borton."Se nós verdadeiramente apontarmos para neuropróteses que um dia possam ser impantadas para ajudar pacientes humanos durante atividades da vida diária, tais tecnologias de gravação serão críticas."

Os pesquisadores combinaram sua compreensão de como os sinais cerebrais influenciam a locomoção com mapas espinhais, desenvolvidos pelo laboratório de Courtine na EPFL, que identificou os pontos neurais na coluna vertebral responsáveis pelo controle locomotor. Isso permitiu à equipe identificar os circuitos neurais que deveriam ser estimulados pelo implante espinhal.

Com essas peças no lugar, os pesquisadores então testaram todo o sistema em dois macacos com lesões que se estendiam metade da medula espinhal em sua coluna torácica. Os macacos com esse tipo de lesão geralmente recuperam o controle funcional da perna afetada durante um período de um mês ou mais, disseram os pesquisadores. A equipe testou seu sistema nas semanas seguintes à lesão, quando ainda não havia controle volitivo sobre a perna afetada.

O estudo mostrou que, com o sistema ligado, os animais começaram a mover espontaneamente as pernas ao caminhar em uma esteira. Comparações cinemáticas com controles saudáveis mostraram que os macacos lesionados, com a ajuda de estimulação controlada pelo cérebro, foram capazes de produzir padrões locomotores quase normais.

Limitações e trabalhos futuros

Ao demonstrar que o sistema funciona em um primata não-humano é um passo importante, os pesquisadores enfatizaram que muito mais trabalho deve ser feito para começar a testar o sistema em seres humanos. Eles também apontaram várias limitações no estudo.

Por exemplo, enquanto o sistema usado neste estudo com êxito transmitiu sinais do cérebro para a coluna vertebral, ele não tem a capacidade de retornar informações sensoriais para o cérebro. A equipe também foi incapaz de testar quanta pressão os animais foram capazes de aplicar na perna afetada. Embora estivesse claro que o membro estava tendo algum peso, não era claro a partir deste trabalho quanto.

"Em um estudo translacional completo, gostaríamos de fazer mais quantificação sobre como o animal é equilibrado durante a caminhada e medir as forças que são capazes de aplicar", disse Borton.

Apesar das limitações, a pesquisa estabelece o cenário para futuros estudos em primatas e, em algum momento, potencialmente como uma ajuda de reabilitação em seres humanos. Borton disse. "A idéia aqui é que, ao engatar o cérebro e a medula espinhal em conjunto, podemos ser capazes de aumentar o crescimento dos circuitos durante a reabilitação. Esse é um dos principais objetivos deste trabalho e um objetivo deste campo em geral".

Fonte: http://medicalxpress.com/journals/nature/

http://medicalxpress.com/news/2016-11-primates-regain-paralyzed-limbneuroprosthetic-interface.html

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