Notícia

Cientistas do MIT conseguem controlar músculos com luz

Reprodução, MIT Media Lab

Fonte

MIT | Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Data

quarta-feira, 29 maio 2024 07:40

Áreas

Bioeletrônica. Bioengenharia. Biologia. Biomecânica. Engenharia Biomédica. Fisiatria. Física Médica. Fisioterapia. Ortopedia. Sistemas de Controle.

Para pessoas com paralisia ou amputação, sistemas neuroprotéticos que estimulam artificialmente a contração muscular com corrente elétrica podem ajudá-las a recuperar a função dos membros. Porém, apesar de muitos anos de pesquisa, esse tipo de prótese não é amplamente utilizado porque leva à rápida fadiga muscular e ao mau controle [sobre os movimentos].

Recentemente, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) desenvolveram uma nova abordagem que esperam que algum dia possa oferecer melhor controle muscular com menos fadiga. Em vez de usar eletricidade para estimular os músculos, eles usaram luz. Num estudo em camundongos, os investigadores mostraram que esta técnica optogenética oferece um controle muscular mais preciso, juntamente com uma diminuição dramática da fadiga.

“Acontece que com o uso da luz, por meio da optogenética, é possível controlar os músculos de forma mais natural. Em termos de aplicação clínica, este tipo de interface pode ter uma utilidade muito ampla”, disse o Dr. Hugh Herr, professor de artes e ciências da mídia, codiretor do Centro de Biônica e membro associado do Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro do MIT.

A optogenética é um método baseado na engenharia genética de células para expressar proteínas sensíveis à luz, o que permite aos pesquisadores controlar a atividade dessas células, expondo-as à luz. Esta abordagem atualmente não é viável em humanos, mas o professor Herr, o estudante de pós-graduação do MIT Guillermo Herrera-Arcos e seus colegas do Centro de Biônica estão agora trabalhando em maneiras de fornecer proteínas sensíveis à luz com segurança e eficácia em tecidos humanos.

O professor Hugh Herr é o autor sênior e Guillermo Herrera-Arcos é o principal autor do artigo publicado na revista científica Science Robotics.

Controle optogenético

Durante décadas, os pesquisadores têm explorado o uso da estimulação elétrica funcional (FES) para controlar os músculos do corpo. Este método envolve a implantação de eletrodos que estimulam as fibras nervosas, fazendo com que o músculo se contraia. No entanto, esta estimulação tende a ativar todo o músculo de uma só vez, o que não é a forma como o corpo humano controla naturalmente a contração muscular.

“Os humanos têm essa incrível fidelidade de controle que é alcançada por um recrutamento natural do músculo, onde pequenas unidades motoras, depois unidades motoras de tamanho moderado e depois grandes unidades motoras são recrutadas, nessa ordem, à medida que a força do sinal aumenta”, disse o professor. “Com a FES, quando você excita artificialmente o músculo com eletricidade, as unidades maiores são recrutadas primeiro. Então, à medida que você aumenta o sinal, você não obtém força no início e, de repente, obtém muita força.”

Essa grande força não apenas dificulta o controle muscular fino, mas também desgasta o músculo rapidamente, em cinco ou dez minutos.

A equipe do MIT queria ver se conseguiria substituir toda aquela interface por algo diferente. Em vez de eletrodos, eles decidiram tentar controlar a contração muscular usando máquinas óptico-moleculares via optogenética.

Usando camundongos como modelo animal, os pesquisadores compararam a quantidade de força muscular que eles poderiam gerar usando a abordagem FES tradicional com as forças geradas pelo seu método optogenético. Para os estudos optogenéticos, eles usaram camundongos que já haviam sido geneticamente modificados para expressar uma proteína sensível à luz chamada canalrodopsina-2. Eles implantaram uma pequena fonte de luz perto do nervo tibial, que controla os músculos da perna.

Os investigadores mediram a força muscular à medida que aumentavam gradualmente a quantidade de estimulação luminosa e descobriram que, ao contrário da estimulação FES, o controle optogenético produziu um aumento constante e gradual na contração do músculo.

“À medida que mudamos a estimulação óptica que entregamos ao nervo, podemos controlar proporcionalmente, de forma quase linear, a força do músculo. Isto é semelhante à forma como os sinais do nosso cérebro controlam os nossos músculos. Com isso, fica mais fácil controlar o músculo em comparação com a estimulação elétrica”, disse Guillermo Herrera-Arcos.

Como avanços ainda necessários antes de iniciar testes em humanos, o laboratório do professor Hugh Herr também está trabalhando em novos sensores que podem ser usados ​​para medir a força e o comprimento muscular, bem como em novas maneiras de implantar a fonte de luz.

Se for bem sucedida, os pesquisadores esperam que essa estratégia possa beneficiar pessoas que sofreram acidentes vasculares cerebrais, amputações de membros e lesões na medula espinal, bem como outras pessoas que têm capacidade prejudicada de controlar os seus membros.

“Isso poderia levar a uma estratégia minimamente invasiva que mudaria o jogo em termos de atendimento clínico para pessoas que sofrem de patologias nos membros”, concluiu o Dr. Hugh Herr.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (em inglês).

Fonte: Anne Trafton, MIT News. Imagem: Reprodução, MIT Media Lab.

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