Músculos ativados pela luz superam a fadiga – Neuroscience News

resumo: Os pesquisadores desenvolveram uma nova maneira de controlar os músculos usando luz em vez de eletricidade. Esta tecnologia optogenética permite um controle muscular mais preciso e reduz significativamente a fadiga em ratos. Embora esta abordagem não seja atualmente possível em humanos, ela poderia revolucionar as próteses e ajudar indivíduos com função deficiente dos membros.

Principais fatos:

• A estimulação muscular óptica fornece um controle mais preciso do que a estimulação elétrica.
• Este método reduz significativamente a fadiga muscular em comparação com os métodos tradicionais.
• Os pesquisadores estão trabalhando para encontrar maneiras de entregar com segurança proteínas sensíveis à luz no tecido humano.

fonte: Instituto de Tecnologia de Massachusetts

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.

Pesquisadores do MIT desenvolveram uma nova abordagem que esperam que um dia proporcione melhor controle muscular com menos fadiga. Em vez de usar eletricidade para estimular os músculos, usaram luz. Num estudo realizado em ratos, os investigadores mostraram que esta técnica optogenética proporciona um controlo muscular mais preciso, juntamente com uma redução significativa da fadiga.

“Acontece que usando a luz, por meio da optogenética, é possível controlar os músculos de forma mais natural”, diz Hugh Herr, professor de artes e ciências da mídia, codiretor do Centro K. Lisa Young de Bioeletrônica do MIT, e professor associado. membro do MIT. “Em termos de aplicação clínica, este tipo de interface pode ter uma utilidade muito ampla.”

A optogenética é uma abordagem que se baseia na engenharia genética de células para expressar proteínas sensíveis à luz, permitindo aos pesquisadores controlar a atividade dessas células, expondo-as à luz. Esta abordagem não é atualmente possível em humanos, mas Hare, o estudante de graduação do MIT Guillermo Herrera Arcos e seus colegas do K. Lisa Yang Bioelectronics está agora trabalhando em maneiras de fornecer proteínas sensíveis à luz de forma segura e eficaz em tecidos humanos.

Hare é o principal autor do estudo, que aparece hoje na revista Robótica científica. Herrera Arcos é o autor principal deste artigo.

Controlo visual

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 os músculos se contraiam. No entanto, esta estimulação tende a ativar todo o músculo de uma só vez, e não é assim que o corpo humano controla naturalmente a contração muscular.

“Os humanos têm uma incrível precisão de controle que é alcançada através do recrutamento muscular natural, onde unidades motoras pequenas, depois médias e depois grandes são recrutadas, nessa ordem, com aumento da força do sinal”, diz Hare. “Com o FES, quando você explode artificialmente o músculo com eletricidade, as unidades maiores são recrutadas primeiro. Assim, à medida que o sinal aumenta, você não obtém força no início e, de repente, obtém muita força.

Esta grande força não só dificulta o controle muscular preciso, mas também desgasta os músculos rapidamente, em cinco ou 10 minutos.

A equipe do MIT queria ver se conseguiria substituir toda essa 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 óptico. Para os estudos de optogenética, eles usaram camundongos já 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 enquanto aumentavam gradualmente a quantidade de estimulação óptica e descobriram que, ao contrário da estimulação FES, o controlo optogenético produziu um aumento constante e gradual na contracção muscular.

“À medida que variamos a estimulação visual que entregamos ao nervo, podemos controlar proporcionalmente, de forma quase linear, a força muscular. Isso é semelhante à forma como os sinais do nosso cérebro controlam os nossos músculos. à estimulação elétrica.”

Resistência à fadiga

Usando dados desses experimentos, os pesquisadores criaram um modelo matemático de controle genético muscular. Este modelo vincula a quantidade de luz que entra no sistema à produção muscular (a quantidade de força gerada).

Este modelo matemático permitiu aos pesquisadores projetar um controlador de malha fechada. Neste tipo de sistema, um controlador fornece um sinal estimulante e, após a contração do músculo, um sensor pode detectar a quantidade de força exercida pelo músculo. Esta informação é enviada de volta para a unidade de controle, que calcula se e em quanto a estimulação luminosa precisa ser ajustada para atingir a intensidade desejada.

Usando este tipo de controle, os pesquisadores descobriram que os músculos poderiam ser estimulados por mais de uma hora antes da fadiga, 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 Hare 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.

“O principal objetivo do K. Lisa Yang Electronics Center é resolver esse problema”, diz Hare. “Estão em curso esforços multifacetados para conceber novas proteínas sensíveis à luz e estratégias para as fornecer, sem provocar 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 uma fonte de luz. Se for bem sucedida, os investigadores esperam que a sua estratégia beneficie pessoas que sofreram acidentes vasculares cerebrais, amputações e lesões na medula espinal, bem como outras pessoas com mau controlo dos seus membros.

“Isso poderia levar a uma estratégia minimamente invasiva que mudará o jogo no tratamento clínico de pessoas com doenças nos membros”, diz Hare.

Financiamento: A pesquisa foi financiada pelo Centro K. Lisa Yang de Bioeletrônica do MIT.

Sobre notícias de pesquisa em optogenética e neurociência

autor: Melanie Grados
fonte: Instituto de Tecnologia de Massachusetts
comunicação: Melanie Grados – Instituto de Tecnologia de Massachusetts
foto: Imagem creditada ao Neuroscience News

Pesquisa original: Acesso fechado.
“A neuromodulação optogenética de circuito fechado permite controle muscular com alta precisão e resistência à fadiga“Por Hugh Hare et al. Robôs científicos

um resumo

A neuromodulação optogenética de circuito fechado permite controle muscular com alta precisão e resistência à fadiga

As próteses neurais de circuito fechado mostram-se promissoras na restauração do movimento em indivíduos com condições neurológicas.

No entanto, as estratégias tradicionais de ativação baseadas na estimulação elétrica funcional (FES) não conseguem modular com precisão a força muscular e apresentam fadiga rápida devido ao mecanismo de recrutamento não fisiológico.

Aqui, apresentamos uma estrutura de controle de circuito fechado que aproveita a modulação da força fisiológica sob estimulação optogenética funcional (FOS) para permitir o controle muscular de alta precisão por longos períodos de tempo (> 60 min) in vivo.

Exploramos primeiro a propriedade de modulação de força do FOS, que mostra mais recrutamento fisiológico e faixas de modulação significativamente mais altas (> 320%) em comparação com o FES.

Em segundo lugar, desenvolvemos um modelo neuromuscular que descreve com precisão a dinâmica altamente não linear dos músculos estimulados visualmente.

Terceiro, com base no modelo optogenético, demonstramos controle da força muscular em tempo real com melhor desempenho e resistência à fadiga em comparação com a FES.

Este trabalho estabelece as bases para próteses neurais resistentes à fadiga e robôs biohíbridos controlados por optogenética com modulação de força de alta precisão.