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.

Os pesquisadores do 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 ratos, os investigadores mostraram que esta técnica optogenética oferece um controlo 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”, diz Hugh Herr, professor de artes e ciências da mídia, codiretor do Centro K. Lisa Yang de Biônica do MIT e membro associado do Centro de Biônica K. Lisa Yang do MIT. Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro.

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 Herr, o estudante de pós-graduação do MIT, Guillermo Herrera-Arcos, e seus colegas do Centro de Biônica K. Lisa Yang estão agora trabalhando em maneiras de fornecer proteínas sensíveis à luz com segurança e eficácia no tecido humano.

Herr é o autor sênior do estudo, que aparece hoje na Science Robotics . Herrera-Arcos é o autor principal do artigo.

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”, diz Herr. “Com a FES, quando você explode 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 10 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 ratos 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 controlo optogenético produziu um aumento constante e gradual na contracção 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”, diz Herrera-Arcos.

Usando dados desses experimentos, os pesquisadores criaram um modelo matemático de controle muscular optogenético. Este modelo relaciona a quantidade de luz que entra no sistema com a saída do músculo (quanta força é gerada).

Este modelo matemático permitiu aos pesquisadores projetar um controlador de malha fechada. Neste tipo de sistema, o controlador fornece um sinal estimulatório e, após a contração do músculo, um sensor pode detectar quanta força o músculo está exercendo. Essa informação é enviada de volta ao controlador, que calcula se e quanto a estimulação luminosa precisa ser ajustada para atingir a força desejada.

Usando esse tipo de controle, os pesquisadores descobriram que os músculos podiam ser estimulados por mais de uma hora antes de ficarem fatigados, enquanto os músculos ficavam fatigados após apenas 15 minutos usando a estimulação FES.

Um obstáculo que os investigadores estão agora a trabalhar para superar é como entregar com segurança proteínas sensíveis à luz no tecido humano. Vários anos atrás, o laboratório de Herr relatou que, em ratos, essas proteínas podem desencadear uma resposta imunológica que inativa as proteínas e também pode levar à atrofia muscular e à morte celular.

“Um objetivo principal do Centro de Biônica K. Lisa Yang é resolver esse problema”, diz Herr. “Está em curso um esforço multifacetado para conceber novas proteínas sensíveis à luz e estratégias para as fornecer, sem desencadear uma resposta imunitária.”

Como passos adicionais para alcançar pacientes humanos, o laboratório de 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 investigadores esperam que a sua 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 patologia nos membros”, diz Herr.

A pesquisa foi financiada pelo Centro K. Lisa Yang de Biônica do MIT.