El descubrimiento de las neuronas que promueven la recuperación de las personas con parálisis de sus extremidades, paraplejia o tetraplejia, luego de sufrir una lesión de médula espinal, fue reportado por un equipo de científicos de Suiza, Estados Unidos, Canadá y Austria encabezados por Grégoire Courtine, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana y del centro NeuroRestore en Suiza.
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Los investigadores hicieron el hallazgo luego de tres décadas de estudios con cultivos celulares, roedores, monos y seres humanos, quienes lograron recuperar la movilidad de sus extremidades luego de ser sometidos a un tratamiento innovador.
Desde hace más de 10 años el equipo de científicos desarrolló una tecnología llamada estimulación eléctrica epidural (EES, por sus siglas en inglés) que induce a la médula espinal a promover la reconexión de las neuronas y recuperar la movilidad de las extremidades, pero, aunque lo habían probado con éxito, desconocían con precisión las neuronas involucradas en este complejo mecanismo de recuperación.
Nueve pacientes con parálisis severa o completa causada por lesión de la médula espinal (LME) se sometieron al ensayo clínico Movimiento de Estimulación Sobre el Suelo (STIMO, del inglés Stimulation Movement Overground), y recibieron el tratamiento de estimulación eléctrica, lo que les permitió recuperar inmediatamente su capacidad para caminar, reportan los investigadores en un artículo científico publicado esta semana en la revista Nature.
Una vez que a los nueve pacientes se les implantó una placa de electrodos en la médula espinal que forma parte de la técnica de EES y se les sometió a cinco meses de neurorrehabilitación, los investigadores identificaron un tipo específico de neurona excitatoria que desempeña un papel importante en la restauración del movimiento. “Hemos identificado una subpoblación neuronal organizadora de la recuperación que es necesaria y suficiente para recobrar el movimiento después de una parálisis”, señalan en el artículo.
Las neuronas que dirigen el movimiento de las piernas se encuentran en la médula espinal lumbar y para caminar el cerebro emite órdenes a través de vías descendentes que van en cascada desde el tronco encefálico para activar estas neuronas, pero una lesión grave de la médula espinal (LME) interrumpe este sistema de comunicación y aunque las neuronas situadas en la zona lumbar no están dañadas por la lesión, simplemente no reciben los comandos supraespinales esenciales, por lo que se vuelven disfuncionales. Esto es lo que genera la parálisis permanente y, hasta hace unos meses, irreversible.
las personas recuperan la movilidad de sus piernas y hasta remite su lesión, sin embargo, se desconocía el mecanismo neuronal con precisión. La tecnología funcionaba, pero aún hacía falta saber los detalles biológicos del por qué.
Imagen cortesía de EPFL.
Tecnología de rehabilitación
En febrero de 2022, este mismo equipo de científicos dio a conocer en la revista Nature Medicine una versión más avanzada de la técnica EES que permite a las personas recuperar la movilidad de sus piernas y hasta remitir (sanar) la lesión, sin embargo, se desconocía el mecanismo neuronal con precisión. La tecnología funcionaba, pero aún hacía falta saber los detalles biológicos del por qué.
Los primeros seis participantes en el ensayo clínico sufrían parálisis motora severa o completa, pero todos ellos conservaron algún grado de sensibilidad en las piernas. Los otros tres tenían parálisis sensoriomotora completa.
A todos se les implantó el EES en la médula espinal mediante neurocirugía. Esta consiste en un electrodo con cable que permite estimular con pulsos eléctricos las distintas neuronas dorsales torácicas, lumbares y sacras, que son responsables de producir el movimiento de las extremidades.
Los nueve participantes mejoraron o recuperaron la capacidad de mover sus miembros y, con el apoyo de un arnés robótico, aprendieron nuevamente a mover sus piernas y pies para caminar.
La hipótesis de los científicos era que con la neurorrehabilitación y la EES se activan y remodelan las funciones esenciales de las neuronas aún no identificadas de la médula espinal que son necesarias para caminar después de la parálisis. “En primer lugar, comprobamos que la neurorrehabilitación con EES puede restablecer la movilidad en una gran población de individuos con LME y esta recuperación implica la remodelación de la médula espinal lumbar”, detallan los científicos en el artículo.
Tras la fase inicial de configuración, los pacientes se sometieron a neurorrehabilitación durante cinco meses, que consistía en estar de pie, caminar y realizar diversos ejercicios entre cuatro y cinco veces por semana. La capacidad de carga mejoró considerablemente con el tiempo, lo que permitió a los participantes caminar al aire libre con andaderas o bastones.
La médula espinal está conformada por muchos y diversos tipos de células altamente interconectadas que constituyen una red de gran complejidad, por ello, los científicos llevaron a cabo análisis que nunca se habían realizado durante el proceso de rehabilitación de los pacientes, con gran precisión.
“Establecimos la primera cartografía molecular 3D de la columna vertebral. Nuestro modelo nos permitió observar el proceso de recuperación con granularidad mejorada, a nivel de neurona”.
Grégoire Courtine
Los científicos analizaron la expresión genética de las neuronas de la médula espinal. Prácticamente llevaron a cabo la cartografía molecular de la columna vertebral. Imagen cortesía de EPFL.
Descubrimiento complejo
Los científicos estudiaron la actividad metabólica de la médula espinal de los pacientes con Tomografía por Emisión de Positrones (PET, por sus siglas en inglés) durante su recuperación; así notaron cómo se reactivaron las funciones de los distintos tipos deneuronas.
También implementaron un enfoque de aprendizaje automático para obtener datos de la expresión genética de las neuronas, lo que les permitió identificar todos los tipos de neuronas que respondieron al estímulo.
Posteriormente, secuenciaron el ARN de las neuronas individuales y realizaron cortes de las distintas capas de la médula espinal, para generar mapas de alta resolución de la expresión génica durante las distintas etapas de rehabilitación. Esta estrategia les permitió capturar los detalles de los cambios en la expresión genética que se presentaron durante la recuperación por EES.
“Establecimos la primera cartografía molecular 3D de la columna vertebral”, dice Grégoire Courtine. “Nuestro modelo nos permitió observar el proceso de recuperación con granularidad mejorada, a nivel de neurona”.
Prácticamente pudieron visualizar la actividad de la médula espinal de un paciente mientras caminaba durante la neurorrehabilitación. De esta manera identificaron la actividad de subpoblaciones neuronales específicas que se vuelven esenciales para caminar después de la parálisis.
Gracias a este modelo de alta precisión los científicos encontraron que la estimulación de la médula espinal detonó una reorganización neuronal en la que participaron neuronas que activan un gen llamado Vsx2 que les permite a las células reorganizarse para restaurar la movilidad.
Sin embargo, también se percataron de que la actividad de estas neuronas llamadas SCVsx2::Hoxa10 disminuyó durante la reactivación del movimiento de las extremidades. La estimulación ocurre únicamente durante la recuperación de la función motora, es decir, son esenciales para la restaurar el movimiento después de la lesión espinal, pero no son necesarias para caminar.
Las neuronas SCVsx2::Hoxa10 también fueron analizadas en ratones donde confirmaron que son necesarias y suficientes para restaurar la movilidad de las piernas después de la parálisis, pero no se detectaron en ratones sanos.
“Es esencial que los neurocientíficos puedan comprender el papel específico que cada subpoblación neuronal juega en una actividad compleja como caminar”, menciona Jocelyn Bloch, neurocirujana del Hospital Universitario de Lausana, quien también dirige la investigación. “Nuestro nuevo estudio nos brinda valiosa información sobre el proceso de reorganización de las neuronas de la médula espinal”.
Este hallazgo es el primer paso para conocer los principios biológicos a través de los cuales la EES y la neurorrehabilitación pueden restaurar el movimiento de las extremidades de personas con LME que en un futuro permitirán desarrollar tratamientos más efectivos y mejorar la vida de los pacientes, sin embargo, aún no se conoce la totalidad de los mecanismos que ocurren en este proceso, esas serán los próximos objetivos de las investigaciones de este equipo de científicos.
